4.1 Определение пределов работоспособности топливной системы при низких температурах

Температура окружающего воздуха оказывает существенное влияние на процесс топливоподачи дизеля, это связано с зависимостью вязкости дизельного топлива от температуры и кристаллизацией парафинистых углеводородов. Одной из причин снижения надежности автотракторных дизелей в условиях отрицательных температур, является выпадение кристаллов парафинов в топливе, повышение сопротивления линии низкого давления системы питания, и как следствие уменьшение коэффициента наполнения насоса высокого давления. Согласно нашим [10] исследованиям наиболее критическим участком топливной системы дизеля, работающего в условиях отрицательных температур, является линия всасывания топливоподкачивающего насоса (ТПН) с фильтром грубой (ФГО) очистки, который одним из первых забивается образующими кристаллами Н-алканов.

Для изучения процесса образования Н-алканов в дизельном топливе нами были поведены исследования по определению количества кристаллов парафинов в дизельном топливе марки «Л» [10].

Анализ физико-химических свойств углеводородов, приведенный в таблице 2.12, показывает, что в дизельном топливе имеются кристаллы углеводородов с очень высокой температурой плавления, например, гексаметилбензол С₁₂Н₁₈ плавится при температуре 165.5 ⁰С; бутилнонан С₁₃Н₂₈ имеет температуру плавления 70 ⁰С и т.д. Содержание таких углеводородов в дизельном топливе составляет не более 0.6%. Углеводороды с высокой температурой плавления практически находятся в твердом состоянии при любой температуре окружающей среды.

Отдельные нафтеновые и ароматические углеводороды, например, изопропил декалин С₁₃Н₂₆, н-гексилбензол и др., плавятся при температуре -94.8...-66.8 ⁰С. Следовательно, углеводороды с низкой температурой плавления практически находятся в жидком состоянии при эксплуатации дизеля в любой климатической зоне. В дизельном топливе марки «Л» углеводороды с низкой температурой плавления составляют около 1,5%, обеспечивая относительную его подвижность [20, 37].

Тяжелые углеводороды парафиновой и ароматической групп в летнем дизельном топливе занимают около 57%. Температура плавления этих углеводородов находится в пределах от -13 ⁰С до -2 ⁰С. По данным табл. 2.12 нами построена интегральная кривая (рис. 4.1) застывания углеводородов дизельного топлива в зависимости от температуры окружающей среды.

t, ⁰C

Рис.4.1.Интегральная кривая застывания углеводородов дизельного топлива

Анализ интегральной кривой позволяют сделать выводы:

1. с понижением температуры окружающей среды от 28 ⁰С до 0 ⁰С количество кристаллов твердых углеводородов плавно нарастает и при t=0⁰C составляет около 25% в единице объема топлива.

2. при температуре окружающей среды t=0...-5 ⁰C интенсивность образования кристаллов резко нарастает. При температуре t=-5 ⁰C около 50% углеводородов дизельного топлива из жидкого состояния переходят в кристаллическую фазу, чем и объясняется помутнение топлива.

3. при дальнейшем понижении температуры окружающей среды от t=-5 ⁰C до t=-13 ⁰C наблюдается резкий переход дизельного топлива из жидкого состояния в твердое. При t=-13 ⁰C около 86% углеводородов дизельного топлива находятся в кристаллическом состоянии.

4. при дальнейшем понижении температуры от t=-13 ⁰C до t=-28 ⁰C наблюдается замедленный рост кристаллов в дизельном топливе. При температуре t=-28 ⁰C около 98% углеводородов находится в твердом состоянии.

Для определения минимальной температуры топлива [92-98], при которой возможна работа топливной системы дизеля, воспользуемся уравнениями неразрывности потока и Бернулли для реальной жидкости. Рассмотрим линию всасывания топливной системы дизеля, работающего по традиционной схеме, когда ФГО расположен перед ТПН. В этом случае уравнение Бернулли будет иметь следующий вид

,

(4.1)

где Z₁, Z₂ — высота расположения выхода из топливного бака и входа в

ТПН, отсчитанная от произвольной горизонтальной плоскости сравнения;

Н — высота столба топлива в баке;

a₁, a₂ — коэффициенты Кориолиса в рассматриваемых сечениях;

J₁, J₂ — средние скорости потока топлива в рассматриваемых сечениях;

g — ускорение свободного падения;

r — плотность топлива;

åh — суммарные потери напора между рассматриваемыми сечениями;

Р_вак — вакуумметрическое давление, создаваемое ТПН.

Уравнение неразрывности потока будет выглядеть следующим образом

,

(4.2)

где w₁, w₂ — площади потока в рассматриваемых сечениях; Q – расход топлива через ТПН.

Условие обеспечения работоспособности линии низкого давления дизеля с учетом уравнений (4.1) и (4.2), а также тем, что коэффициент Кориолиса для ламинарного движения в трубах равен 2.0, можно записать следующим образом

.

(4.3)

Суммарные потери напора складываются из потерь напора по длине трубопроводов åh_дл и потерь от местных сопротивлений åh_м

åh=åhдл+åhм.,

(4.4)

Потери напора по длине трубопроводов определяются по формуле

,

(4.5)

где l — суммарная длина трубопроводов от бака до ТПН;

d_тр- диаметр трубопровода;

J_тр— средняя скорость движения топлива по трубопроводам;

l— коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

При ламинарном движении топлива по трубопроводам круглого сечения коэффициент Дарси можно определить

,

(4.6)

где Re — число Рейпольдса.

Число Рейпольдса для труб круглого сечения

,

(4.7)

где v - кинематическая вязкость дизельного топлива.

Суммарные потери от местных сопротивлений при ламинарном движении топлива определим по следующей зависимости:

,

(4.8)

где x_{кв. i} — коэффициент местного i-го сопротивления квадратичной

области;

Re_i -- число Рейнольдса для i-ro местного сопротивления;

A_i — коэффициент i-ro сопротивления;

J_i - средняя скорость топлива в i-том сопротивлении.

Вязкость дизельного топлива зависит от температуры и может быть определена по формуле

,

(4.10)

где m, m_о— динамическая вязкость дизельного топлива при температуре Т и Т₀;

b — коэффициент, значение которого для дизельного топлива изменяется в пределах 0,025. ..0,03.

Общеизвестна зависимость между динамической и кинематической вязкостью m=nr. Считаем, что плотность топлива в рассматриваемом нами интервале температур является величиной постоянной, тогда с учетом формулы (4.10) будем иметь

,

(4.11)

где v₀ - кинематическая вязкость дизельного топлива при +20 °С (293 К).

После подстановки формулы (4.11) в выражение (4.9) и далее (4.8), а также (4.11) в зависимости (4.7), (4.6) и (4.5), с учетом уравнения (4.4) и неравенства (4.3), после соответствующих преобразований получим:

.

(4.12)

В формуле (4.12) обозначено

, (4.13) , (4.13)

, (4.14) , (4.14)

По зависимости (4.13) с достаточной степенью точности может быть определена минимальная температура, при которой обеспечивается нормальная подача топлива по линии низкого давления.