Тема 4 . Паливо для дизельних двигунів внутрішнього згоряння.

4.1. Коротка історична довідка.

4.2. Специфіка робочого процесу дизельного дизельного двигуна.

4.3. Вимоги до дизельного палива.

4. 4. Властивості дизельного палива. Фракційний склад

4. 5 Процес горіння в дизельному двигуні. Цетанове число.

4. 6. Асортимент дизельних палив та їх умовне позначення.

4.7. Стабільність, схильність до утворення відкладень, та корозійність

Мета заняття: ознайомитися з специфікою роботи дизельного двигуна, вимогами до якості дизельного палива, параметрами , що характеризують його властивості, шляхи економного використання.

4.1. Коротка історична довідка

У 1891 році у німецького винахідника Рудольфа Дизеля з'явилася ідея застосувати в двигуні внутрішнього згорання стисле повітря. Такий двигун став економічнішим, міг працювати на дешевому паливі, крім того, вдалося значно підвищити його ККД. Перші офіційні випробування нового двигуна викликали справжню сенсацію серед інженерів. З того часу почався переможний хід "дизелів" по всьому світу. Двигун міг працювати на важких фракціях, що дозволило істотно підвищити відсоток використання складених компонентів нафти як палива навіть без застосування деструктивного методу переробки.

4. 2. Специфіка робочого процесу дизельного дизельного двигуна.

Специфічною особливістю дизеля є те, що сумішоутворення в нім відбувається безпосередньо в камері згорання, а робоча суміш, що утворилася, займається за рахунок енергії адіабатично стислого повітря.

Умови випару, сумішоутворення і згорання в дизелі істотно відрізняються від умов протікання цих процесів в бензиновому двигуні.

Уприскування палива відбувається в середину нагрітого до 500…700 ºС і сильно стиснутого повітря. Міра стискування дизельних двигунів досягає 18 і більше одиниць. Для отримання хорошого розпилу і сумішоутворення необхідно добитися середнього діаметру крапель палива 0,1-0,01 мм. Паливо в циліндри подається під тиском 150-180 атм. Для цього використовується спеціальна апаратура, що включає насоси і форсунки, де є ряд деталей прецизійного виготовлення. Внаслідок цього паливна система дизеля набагато складніша, ніж у бензинового двигуна. Крім того, паливо виконує ще і роль мастильного матеріалу деталей високоточного виготовлення в паливній апаратурі.

Процес сумішоутворення включає:

• розпилювання порції палива, що подається в циліндр;

• розподіл крапельок палива в камері згорання;

• нагрів палива до температури випару;

• випар і дифузію пари палива;

• нагрів пари до температури самозаймання.

Внаслідок підвищення температури, швидкості процесів фізико-хімічної підготовки палива, що ще не бере участь в горінні, значно зростають. Проте надалі умови займання і згорання палива, особливо останні частини порції, що впорскує, погіршуються із-за недостатнього підведення кисню в зону реакції і фракціонування при випарі крапель палива (в останню чергу випаровуються і беруть участь в горінні висококиплячі вуглеводні з великою молекулярною масою). У цих умовах горіння останніх порцій палива сповільнюється, особливо при підвищених навантаженнях, коли об'єм дози, що впорскується, збільшується. Вуглець, що відновився, не згорає, і з відпрацьованими газами викидається в атмосферу, що є однією з причин димлення дизеля.

4. 3 Вимоги до дизельного палива.

Дизельні палива представляють собою прозору горючу рідину від світло-жовтого до світло-коричневого кольору. Колір дизельних палив характеризується наявністю у них розчинних смол. Це – це нафтові (гасово-газойлеві) фракції, основу яких складають вуглеводневі сполуки з температурою кипіння 200…350º С.

Вибухонебезпечна концентрація його парів у суміші з повітрям становить 2...3% (за об'ємом); Гранично допустима концентрація парів палива в повітрі робочої зони становить 300 мг/м³. Дизельне паливо - це малотоксична речовина, але подразнює слизову оболонку і шкіру людини.

У світлі вищевикладеного сформулюємо вимоги до дизельних палив:

- задовільна в'язкість в широкому діапазоні температур, що забезпечує безперебійну подачу палива в камеру згорання;

- оптимальна займистість і випаровуваність, необхідні для легкого пуску і плавної роботи двигуна на різних експлуатаційних режимах;

- відсутність відкладень в системі живлення і в камері згорання при роботі двигуна і зберіганні техніки;

- стійкість до окислення в умовах зберігання і транспортування;

- нейтральність до конструкційних матеріалів двигуна і засобів зберігання, заправки і транспортування;

- токсичність і екологічність;

- широка сировинна база;

- технологічність виробництва;

- дешевизна.

4. 4. Властивості дизельного палива. Фракційний склад

Надійність подачі дизельного палива залежить від прокачувальної здатності (здатності проходити через елементи системи живлення, головним чином, через фільтри грубої і тонкої очистки). Фільтри грубої очистки затримують механічні домішки розміром більше 50-60 мкм, тонкої — більше 2-5 мкм. При порушенні їх роботи зменшується, а іноді зовсім припиняється циклова подача палива, падає тиск впорскування палива. На характер надходження палива через систему живлення двигуна впливають його в'язкість і низькотемпературні властивості, а також забрудненість механічними домішками і водою.

Якщо паливо має високу в'язкість, його фільтрація затруднена, що може призвести до порушення подачі палива насосом. При малій в'язкості порушується дозування його внаслідок просочування між плунжером і гільзою насоса високого тиску. Крім того, дизельне паливо є мастильним матеріалом для прецизійних деталей системи живлення, тому мінімальна і максимальна в'язкість його регламентується.

В'язкість і низькотемпературні властивості палива взаємопов'язані і негативно впливають на його прокачувальну здатність, особливо при низьких температурах. В'язкість (внутрішнє тертя) - властивість рідини, яка характеризуює опір дії зовнішніх сил, що викликають її течію. Ця властивість є наслідком її внутрішнього тертя, що виникає між молекулами. В'язкість палива залежить від температури, хімічного складу і структури вуглеводнів.

Подача палива при низьких температурах може порушитись внаслідок забивання фільтрів кристалами парафіну. Такий стан його визначається температурою помутніння. Це температура, при охолодженні до якої паливо втрачає прозорість внаслідок виділення мікрокристалів парафіну, церезину і льоду. Для надійної подачі палива у двигун у зимовий період, ця температура повинна бути на 3-5°С нижча за ту, при якій воно використовується. Низькотемпературні властивості палива характеризує і температура застигання, при якій те втрачає свою текучість. Температурою застигання називають температуру, при якій налите в пробірку паливо під час охолодження за певних умов, досягає такого стану, що не змінює положення меніску протягом однієї хвилини при нахиленні пробірки під кутом 45°.

У виробничих умовах температуру застигання і помутніння понижують, розбавляючи літнє дизельне паливо реактивним паливом (гасом) або бензином, у яких температура кристалізації не вище мінус 60°С. При цьому слід пам'ятати, що при розбавленні дизельних палив низькокиплячими компонентами температури застигання і помутніння суміші завжди відхиляються в бік високозастигаючого дизельного палива, внаслідок чого доводиться використовувати значну кількість розчинника . Але використовувати розчинник у кількості більше 50 % (за об'ємом) не рекомендується, оскільки значно понижується цетанове число і в'язкість суміші, що призводить до затруднення пуску і підвищення зношування двигуна

Механічних домішок і води в дизельному паливі не повинно бути. Контроль за виконанням цієї вимоги здійснюється спеціальним стандартним методом. Через доведений до постійної маси паперовий фільтр (червона стрічка) фільтрують розбавлене бензином дизельне паливо. Збільшення маси фільтра, віднесене до маси профільтрованого палива, відображене у відсотках і характеризує кількість механічних домішок.

Найбільш надійним способом очистки дизельного палива є фільтрація, тому паливоподаюча система дизельних двигунів включає фільтри грубої і тонкої очистки, призначення яких – максимально захистити елементи системи живлення і двигун у цілому від механічних домішок, що за тих чи інших умов потрапили в паливо. З урахуванням важливого значення фільтрації для забезпечення чистоти палива, в стандарти на палива для швидкохідних автотракторних дизельних двигунів введено новий показник якості – коефіцієнт фільтрованості. Суть методу визначення цього показника в пропусканні 10 порцій палива (по 2 мл кожну) через фільтрувальний папір.

Дизельне паливо повинно мати цілком певний фракційний склад. Використання палива як важкого, так і легкого фракційного складу призводить до порушення роботи двигуна. У першому випадку, внаслідок його незадовільного випаровування відбувається несвоєчасне самозаймання і неповне згоряння, що призводить до змивання оливи зі стінок циліндрів, збільшення нагару, розрідження оливи в картері. У другому випадку затрудняється пуск двигуна, збільшується жорсткість його роботи.

Стандартом передбачається визначати температури перегонки 50 % і 96 % палива: температура 50% впливає на його пускові властивості, 96% є температурою кінця перегонки і свідчить про наявність важких фракцій, що погіршують якість сумішоутворення.

При значній дизелізації автомобільного парку перспективним буде використання єдиного дизельного палива з температурою початку кипіння 66-80°С і температурою перегонки 90 % - 360°С. Його називають дизельним паливом широкого фракційного складу (ШФС).

З фракційним складом палива тісно пов'язана температура спалаху, при якій пари нафтопродукту з повітрям утворюють горючу суміш, що спалахує при піднесенні вогню. Визначають температуру спалаху в спеціальному приладі закритого типу. Дизельні палива для двигунів автотракторної техніки мають порівняно низьку температуру спалаху (35-40°С).

4. 5 Процес горіння в дизельному двигуні. Цетанове число.

Своєчасне займання та згоряння палива обумовлюють економічність та надійність роботи дизельного двигуна.

Процес згоряння палива в дизельному двигуні можна розділити на 4 фази:

1) період затримки займання;

2) період швидкого горіння;

3) період уповільненого горіння;

4) період догоряння.

Період затримки займання — проміжок часу від початку впорскування до моменту займання палива. Паливо, що впорскується в циліндр до приходу поршня у ВМТ (з випередженням), займається не миттєво, а з деяким запізненням. У цей період відбувається процес сумішоутворення та нагрівання палива. Одночасно з фізичною підготовкою його відбуваються реакції передполуменевого окислення. Період затримки займання завершується займанням робочої суміші в одному або кількох місцях, де були найбільш сприятливі умови для проходження передполуменевих реакцій.

Тепло, що виділяється при утворенні перших осередків самозаймання, прискорює процес займання палива, яке надходить у циліндр у період затримки займання, внаслідок чого починається бурхливе горіння, тобто фаза швидкого горіння. Ця фаза характеризується різким зростанням температури і тиску. Інтенсивність наростання тиску залежить від кількості палива, що надходить в циліндр за період затримки самозаймання. Чим триваліший цей період, тим більше надійде палива в циліндр. Виділення тепла і відповідно наростання тиску в циліндрі відбувається різко. Тому робота двигуна буде супроводжуватись стуками і її називають "жорсткою". Жорстка робота дизельного двигуна так само небажана, як детонація в карбюраторних двигунах.

Показник, що характеризує самозаймистість дизельного палива, називається цетановим числом, яке визначається методом порівняння займистості палива з займистістю суміші двох вуглеводнів. Ця суміш складається з цетану — період затримки самозаймання якого малий і цетанове число (ЦЧ) його приймають за 100; та альфаметилнафталіну, період затримки самозаймання якого великий, при цетановому числі 0.

Цетанове число дорівнює процентному вмісту (за об'ємом) цетану в такій суміші з альфаметилнафталіном, що рівноцінна даному паливу за самозаймистістю при випробовуванні в стандартних умовах. Визначають цетанове число на спеціальних установках, конструкція яких забезпечує зміну ступеня стиску у межах 7-23, різними методами; критичного ступеня стиску, запізнення самозаймання, співпадання спалахів.

Найбільшого поширення набув метод співпадання спалахів. Суть його така. При роботі установки на дизельному паливі, ЦЧ якого визначають, змінюючи ступінь стиску добиваються такого положення, щоб при впорскуванні палива під кутом повороту колінчастого вала 13° до ВМТ самозаймання суміші починалось рівно у ВМТ, про що "сигналять" спеціальні лампочки. Потім підбирають таку суміш цетану з альфаметил­нафталіном, яка при тому ж ступені стиску мала б такий же період затримки самозаймання (13°). Вміст цетану в цій суміші в об'ємних відсотках і приймають за цетанове число.

За рубежем для характеристики самозаймання дизельного палива, поряд з цетановим числом, використовують показник – дизельний індекс (ДІ). Між дизельним індесом і цетановим числом палива існує така залежність;

Дизельний індекс 20 30 40 50 62 70 80.

Цетанове число 30 35 40 45 55 60 80.

Оптимальне значення цетанового числа – 40-50. Використання палива з цетановим числом менше 40 призводить до жорсткої роботи двигуна, а більше 50 – до збільшення питомої витрати палива за рахунок зменшення повноти згоряння. Влітку можна успішно застосовувати паливо з цетановим числом 40, а взимку, для забезпечення пуску холодного двигуна, цетанове число повинно бути більше 45.

Цетанові числа можуть бути підвищені двома способами: регулюванням вуглеводневого складу або введенням спеціальних присадок.

Перший спосіб оснований на тому, що різні групи вуглеводнів мають різну самозаймистість. Вуглеводні за ознакою пониження цетанового числа розташовуються в такому порядку: нормальні парафіни – ізопарафіни – нафтени – ароматичні. Таким чином, цетанове число палив можна суттєво підвищити, збільшуючи концентрацію нормальних парафінів і понижуючи вміст "ароматиків". Але із-за підвищеної температури застигання нормальних парафінів, у порівнянні з іншими групами вуглеводнів, значний їх вміст у зимових марках дизельних палив недопустимий.

Другий спосіб забезпечує підвищення цетанового числа за рахунок присадок, механізм дії яких оснований на їх здатності порівняно легко виділяти зі свого складу кисень. Найбільш поширені присадки – ізопропил- та циклогексилнітрати, але їх вводять у невеликих кількостях, оскільки ці речовини понижують температуру спалаху і підвищують коксівність палива.

4. 6. Асортимент дизельних палив та їх умовне позначення.

Згідно з ДСТУ 3868-99, який затверджено і впроваджено наказом Держстандарту України від 8 квітня 1999 року №179, чинним від 01.09.1999 року, для швидкохідних дизелів автомобільної техніки виготовляються такі марки дизельного палива :

Л – літнє, рекомендується до використання при температурі повітря не нижче мінус 5°С. За згодою із споживачем, допус­кається виробляти дизельне паливо з температурою застигання не вище 0°С, за мінімальної температури повітря на місці застосування не нижче 5°С;

З – зимове, рекомендується для використання при температурі повітря не нижче мінус 15°С.

В умовному позначенні дизельного палива марки Л зазначається масова частка сірки і температура спалаху в закритому тиглі, а дизельного палива марки З – частка сірки і температура застигання.

Для прикладу: умовне позначення дизельного літнього палива з масовою часткою сірки до 0,10% і температурою спалаху 40°С –

Паливо дизельне Л-0,10-40 за ДСТУ 3868-99;

умовне позначення дизельного зимового палива з масовою часткою сірки до 0,20% і температурою застигання мінус 25 %

Паливо дизельне З-0,20-(25) за ДСТУ 3868-99.

При позначенні арктичних палив вказується тільки граничний вміст сірки, наприклад:

Паливо дизельне, А-0,4 ГОСТ 305-82.

За вмістом сірки палива поділяються на підгрупи:

I — масова частка сірки не більше 0,2 %;

II — масова частка сірки не більше 0,5 %;

III — масова частка сірки не більше 1,0%.

Міжнародна класифікація

Європейський стандарт ЕN-590 діє в країнах Європейської Економічної Співдружності з 1996 року. Стандарт передбачає випуск дизельних палив для різних кліматичних регіонів. Загальними для цих палив є вимоги до: температури спалаху - не нижче 55°С, коксівності 10%-ного залишку - не більше 0,3%, зольності - не більше 0,01%, вмісту води - не більше 200 ррт, механічних домішок - не більше 24 ррт, корозії на мідній пластинці - клас 1, стабільність до окислювання - не більше 25 г осаду/м². Введені обмеження на вміст сірки в дизельних паливах - не більше 0,05%. Для районів з помірним кліматом передбачено виробництво 6 марок дизельного палива: А, В, С, D, Е і F з граничною температурою фільтрованості відповідно +5, 0, -5, -10, -15 і-20°С.

4.7. Стабільність, схильність до утворення відкладень та корозійність.

Сучасні товарні дизельні палива — це середньодистилятні нафтові фракції з високою фізичною стабільністю. Хімічна стабільність дизельних палив, одержаних з малосірчистої нафти, досить висока. Навіть після зберігання протягом п'яти і більше років вони практично не змінюють своїх показників якості, тоді як дизельні палива, що містять значну кількість ненасичених вуглеводнів і меркаптанів, суттєво змінюють свої властивості в тих же умовах.

На утворення відкладень впливають такі фізико-хімічні властивості палива, як фракційний склад, в'язкість, наявність сірчистих сполук, смолистих речовин (фактичних смол), ненасичених вуглеводнів тощо.

Чим вище вміст сірки в паливі, тим більше нагару і лаку утворюється при його згорянні. Сірка впливає не тільки на кількість утворення нагару, а і на його властивості, оскільки сірчисті сполуки підвищують щільність нагару. Враховуючи все це, вміст сірки в дизельних паливах обмежується. При згорянні гідроочищених палив нагароутворення понижується в 1,5-2,0 рази.

Серед сірчистих сполук найбільший вплив на нагароутворення виявляють меркаптани (Тиолы (меркаптаны) — сернистые аналоги спиртов общей формулы RSH, где R — углеводородный радикал, например, метантиол (метилмеркаптан) (CH3SH), этантиол (этилмеркаптан) (C2H5SH) и т. д.,) . В присутності останніх прискорюється окислення нестабільних сполук дизельного палива (ненасичених компонентів вторинних способів переробки нафти) і, тим самим, збільшується швидкість утворення відкладень. Тому вміст меркаптанової сірки в дизельному паливі не повинна перевищувати 0,01 %. Видалення меркаптанів із сірчистого палива призводить до того, що в 2-5 разів зменшується товщина лакових плівок на голках розпилювачів форсунок, а температура осмолення їх підвищується на 25-30°С.

Схильність дизельного палива до нагароутворення залежить також від його коксівності і зольності.

Коксівність — це здатність палива утворювати в умовах нагрівання (800-900°С) без доступу повітря залишок у вигляді вугілля (коксу). Для дизельних палив коксівність залежить від їх фракційного складу, вмісту смолистих і нестабільних сполук.

Причини корозійності дизельних палив ті ж, що і в бензинів: наявність водорозчинних кислот і лугів, органічних кислот і сірчистих сполук. Присутність водорозчинних кислот і лугів у паливі виявляють за реакцією водної витяжки і наявність їх за стандартами не допускається.

Вирішальний вплив на корозійну агресивність дизельних палив має вміст і характер сірчистих сполук. Корозійна агресивність дизельних палив підвищується зі збільшенням загального вмісту сірки. Активних сірчистих сполук (сірководню, елементної і меркаптанової сірки) при надходженні палива з виробництва повинно бути так мало, щоб корозійне випробування (пробу на "мідну пластинку") воно витримувало.

Контрольні запитання:

1. Що привело до використання важких фракцій перегонки нафти в якості

палива для двигунів?

2. Яка специфіка робочого процесу дизельного двигуна?

3. З яких фаз складається процес сумішоутворення в дизельному двигуні?

4. Які вимоги ставляться до дизельних палив?

5. Якими параметрами характеризується прокачувальна здатність дизельного

палива?

6. Які параметри характеризують низькотемпературні властивості палив?

7. Якими параметрами характеризується фракційний склад дизельного

палива?

8. Як протікає процес згоряння палива у дизельному двигуні?

9. Що таке цетанове число дизельноо палива?

10. Яким чином можна впливати на цетанове число?

11. Які є марки дизельних палив?

12. Наведіть приклад позначення дизельного палива і розшифруйте його.

13. Які фактори впливають на утворення нагару і відкладень у дизельних

паливах?