1.3.2 Палива для двигунів з запаленням від стиснення

З кожним роком росте потужність дизельного парку. Основною перевагою дизельних двигунів є менша на 20-30% питома витрата палива (225-240 г/кВт проти 300-340 г/кВт). Велика економічність досягається головним чином за рахунок високого (16-23) ступеня стискування (у карбюраторних 7-11) і тиску палива, що подається (30-200 Мпа).

Залежно від середньої швидкості руху поршня двигуни діляться на швидкохідних (частота обертання колінчастого валу більше 16 с^-1, швидкість поршня вище 6,5 м/с) і тихохідних (частота обертання колінчастого валу менше 16 с^-1, швидкість поршня нижче 6,5 м/с). Для швидкохідних дизелів застосовується легке малозв'язке паливо, а для тихохідних - важкі в'язкі продукти згорання. Швидкість горіння палива - до 1000 м/с.

Для забезпечення своєчасного і повного згорання за короткий проміжок часу паливо повинне задовольняти наступним вимогам:

1) мати хорошу прокачуваність, щоб забезпечити надійну роботу паливного насоса високого тиску (при оптимальній в'язкості 2-6 мм²/с і температурі 20°С); хорошими низькотемпературними властивостями; відсутністю механічних домішок і води;

2) забезпечувати необхідне впорскування, хороше сумішоутворення і випаровування; для цього паливо повинне мати оптимальну в'язкість і певний фракційний склад;

3) мати необхідну займистість, щоб здійснювалися легкий пуск холодного двигуна, плавне наростання тиску і повне бездимне згорання (ці властивості залежать від хімічного і фракційного складу палива, а також в'язкості; хімічний склад палива оцінюється цетановим числом, яке характеризує займистість і є основним показником моторних властивостей палива);

4) не викликати підвищеного утворення нагару і інших відкладень на клапанах, кільцях, поршнях, закоксовування голки розпилювача (схильність палива до нагару залежить від хімічного і фракційного складу, в'язкості, вмісту механічних домішок і води);

5) не містити корозійно-активних продуктів (корозійні властивості палива залежать від наявності в нім мінеральних і органічних кислот, сірчистих з'єднань і води);

6) мати можливо вищу теплоту згорання;

7) мати високу прокачуваність палива із забезпеченням мінімального підтікання через зазори в плунжерных парах з мінімальним зносом пар, що труться.

Раніше вважалося, що паливо для швидкохідних двигунів повинне мати при 20 °С в'язкість не менше 5 мм²/с. Дослідження показали, що паливо з в'язкістю до 2 мм²/с при 20 С забезпечує змащення паливоподаючої апаратури. Мінімальна в'язкість залежить від тиску упорскування і інших конструктивних рішень. Із збільшенням тиску упорскування, в'язкість палива може збільшуватися в 6-10 разів.

На підставі досліджень і експлуатаційних випробувань встановлені наступні значення в'язкості палива при 20 °С для швидкохідних дизельних двигунів: влітку - 3,0-8,0 мм²/с, взимку - 2,2-6,0 мм²/с, для суворого клімату Арктики- 1,5-4 мм²/с.

Прокачуваність палива залежить від його низькотемпературних властивостей, які впливають на рухливість палива при низьких температурах. Низькотемпературні властивості визначаються температурою помутніння, початку кристалізації і застигання.

За температуру помутніння вважають температуру, при якій втрачається фазова однорідність палива. Воно починає каламутніти через виділення найдрібніших крапель води, твердих вуглеводнів або мікроскопічних кристалів льоду.

Температуру, при якій з'являються перші кристали, видимі неозброєним оком, називають температурою кристалізації. Температура повної втрати рухливості носить назву температури застигання.

Механічні домішки в паливі стандартом не передбачені (не допускаються). Паливо забруднюється при недотриманні правил перевезення, зберігання і заправки. Найбільш шкідливі кварцити глинозему, оскільки вони мають високу твердість. Прецизійні пари паливних насосів мають зазори 1,5-3,0 мкм, тому навіть невеликий відсоток механічних домішок приводить до значного абразивного зносу.

У паливі більшою чи меншою мірою постійно присутня в розчиненому стані вода. Її концентрація залежить від температури навколишнього середовища. Особливо неприємна наявність емульсивної води при низьких температурах. В цьому випадку кристалами льоду забивається система очищення і порушується робота двигуна. Негативно діє вода на паливну апаратуру, особливо на насос високого тиску і форсунки. Вона сприяє появі корозії поверхонь прецизійних пар і закоксовуванню розпилювачів форсунок.

Необхідне розпилювання, сумішоутворення і випаровування палива в значній мірі зумовлюють протікання робочого процесу в цілому, його ефективність і економічність.

Порція палива, відміряна насосом високого тиску, уприскується в камеру згорання в щільне, сильно завихрене нагріте повітря. На деякій відстані від соплових отворів форсунки струмінь розпадається на краплі, утворюючи факел розпиленого палива. Загальне число крапель досягає декількох мільйонів, а розмір їх коливається від 5 до 150 мкм. Розподіл крапель по числу і розмірам вельми нерівномірний. Якість розпилювання палива характеризується числом і розміром крапель, довжиною, шириною і кутом конуса розпилу.

Краплі палива, введені в гаряче повітря, загоряються не миттєво. При займанні процес випаровування проходить інтенсивніше за рахунок високої температури в процесі згорання. Одночасно з прискоренням випаровування у цей момент відбувається деяке уповільнення, оскільки з'являються продукти згорання, що утрудняють підведення кисню повітря до палива, що випаровується. Цю обставину обумовлює необхідність вести робочий процес в дизелі з деяким надлишком повітря.

Велика неоднорідність паливоповітряної суміші в камерах згорання є причиною деяких переваг і недоліків дизельних двигунів. Важливою перевагою є те, що в дизельних двигунах можна значно обідняти робочу суміш. Це дозволяє змінювати потужність тільки за рахунок подачі палива. З іншого боку, неоднорідність суміші - істотний недолік дизельних двигунів, оскільки неможливо добитися бездимного і повного згорання.

На процес сумішоутворення впливає в'язкість палива, збільшення якої веде до погіршення розпилювання і випаровування палива. При великій в'язкості крупні краплі збільшують довжину факела і потрапляють на стінки, що значно погіршує процес сумішоутворення, а при малій в'язкості факел палива коротшає і камера згорання повністю не використовується.

Фракційний склад дизельних палив оцінюється температурою кінця кипіння: літнє - 360 °С, зимове - 340 °С, арктичне - 330 °С.

Складні процеси горіння і сумішоутворення палива в швидкохідних двигунах відбуваються в дуже короткий проміжок часу, приблизно в 10 разів швидше, ніж в карбюраторних двигунах, при однаковій частоті обертання.

Інтенсивність горіння залежить від багатьох чинників: тиск і температури стислого повітря, концентрації пари палива в повітрі, хімічного складу, якості розпилювання і випаровуваності палива.

При затримці займання палива процес подальшого горіння відбувається дуже інтенсивно. Чуються характерні стукоти двигуна (аналогічно детонації, але причини виникнення різні).

За інших рівних умов зменшення періоду затримки займання обумовлює плавніша зміна тиску, тобто більш мягку роботу двигуна. Проте надмірне скорочення цього періоду веде до зменшення повноти згорання. Процес починається відразу після подачі палива, велика частина якого подається в продукти згорання. Краплі палива при цьому швидко випаровуються, не досягнувши тих зон камери, в яких кисень ще не використаний. Процес сумішоутворення різко погіршується, падає потужність і економічність двигуна.

Для забезпечення нормального процесу горіння необхідно застосовувати паливо, що має оптимальний період затримки займання. Займистість палива оцінюється цетановим числом. Чисельне цетанове число дизельного палива дорівнює процентному вмісту (за об'ємом) цетана в суміші з альфа-метилнафталином, яка по характеру згорання (самозаймання) рівноцінна випробовуваному паливу. Цетанове число визначають трьома методами: по критичному ступеню стискування, запізнюванню самозаймання і по збігу спалахів.

Дизельні палива повинні мати цетанове число в межах 45-50 взимку і 40-45 влітку. Цетанове число визначає пускові властивості дизельних палив, що трохи розрізняються по фракційному складу.

При експлуатації дизельних двигунів велике значення має встановлення оптимального кута випередження упоркування палива. При великому куті випередження паливо подається в недостатньо нагріте повітря, що збільшує період затримки займання і жорсткість роботи. Паливо при цьому може згорати до верхньої мертвої точки, що веде до втрати потужності, оскільки створюється протитиск. При запізнюванні упоркування значна частина палива згорає на лінії розширення, що викликає падіння потужності, неповне згорання палива, зниження ККД двигуна.

Нагароутворення в швидкісних дизельних двигунах веде до перегріву двигуна, закоксовуванню форсунок, погіршенню розпилювання палива. Підвищеному накопиченню нагару сприяє неповнота згорання палива, наявність в паливі високомолекулярних складних речовин і механічних домішок. На накопичення смолянистих речовин істотно впливає стабільність палива. Показники якості дизельного палива, що впливають на нагароутворення нормовані Гостом, наступні: коксове число, вміст смол, золи, механічних домішок і з'єднань сірки. Сірка, що міститься в паливі, впливає не тільки на масу нагару, що утворюється, але і на його властивості. Сірчисті з'єднання, накопичуючись в нагарі, підвищують його щільність.

Корозійні властивості дизельних палив обумовлюються змістом сірчистих з'єднань, водорозчинних кислот і лугу, а також води. Наявність в паливі сірчистих з'єднань перевіряють полірованою пластинкою з електролітичної міді розміром 10х25 мм. Цю пластинку опускають у фарфорову чашку з паливом, яку поміщають в сушильну шафу з температурою 50 °С і витримують там 2-3 ч. Поява на пластинці темно-коричневих, сірих або чорних нальотів указує на наявність в паливі активних сірчистих з'єднань.

Корозію деталей викликають в основному сірчисті з'єднання. Особливо сильно рідинна корозія виявляється в холодну пору року при пускових режимах. Підвищення змісту сірки в паливі з 0,2 до 0,5% збільшує знос цилиндропоршневої групи на 25-30%, до 1% - в 2 рази. Для зниження сірчистої корозії в паливо додають присадки. Найбільш поширена - нафтенат цинку, який додають в паливо (0,25-0,30% мас палива). Теплотворна здатність дизельного палива складає 42 705 кДж/кг.

Асортимент дизельних палив відповідно до ГОСТ 305-82 включає 3 сорти: арктичне, зимове і літнє. Кожен сорт випускається з різним змістом сірки. У позначення дизельного палива входить процентна частка сірки і додатково для літнього - температура спалаху, а для зимового - температура застигання (наприклад, Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 - літнє паливо із змістом сірки 0,2% і температурою спалаху не менше 40 °С; 3-0,4 мінус 35 ГОСТ 305-82 - зимове паливо із змістом сірки 0,4% і температурою застигання не вище мінус 35 °С; А-0,2 ГОСТ 305-82 - арктичне паливо із змістом сірки 0,2%). Високоякісне дизельне паливо містить менше сірки (0,15%) і має кращий фракційний склад. Вибір марки дизельного палива залежить тільки від кліматичних умов і якості використовуваного масла.

Застосування дизельних палив в різних кліматичних умовах регламентується їх низькотемпературними показниками (температурою помутніння). Так, паливо марки Л можна застосовувати тільки при позитивних температурах, зимове (3) - від -20 °С (або -30 °С при температурі помутніння -45 °С) і вище, арктичне (А) - від -50 °С.

Дизельне паливо із змістом сірки до 0,2% може застосовуватися без обмежень по складу моторного масла. За наявності в паливі більше 0,2% сірки необхідно застосовувати моторне масло з присадками, що підвищують його лужні властивості і що зменшують корозію деталей продуктами згорання сірчистих з'єднань.

За відсутності зимового дизельного палива можна застосовувати літнє з додаванням не менше 30% гасу при температурі -10 °С і до 50% при температурі -20 °С. З пониженням температури від 20 °С до -20 °С в'язкість літнього палива збільшується в 10 разів, а зимових - в 5 разів. Це слід враховувати при виборі палива, оскільки в'язкість є основним чинником, що характеризує експлуатаційні властивості його в зимовий час. Перед форсункою в'язкість палива не повинна перевищувати 12 мм²/с.

Для використання літнього дизельного палива при негативних температурах додають депресорні присадки. Це паливо маркірують Дзп по Ту38.101889 і використовують в зимовий період при температурі до -15 °С.

Відповідно до ТУ 38. 1011348-89 випускають екологічно чисте дизельне паливо. Технічні умови передбачають випуск два марок літнього палива (ДЛЕЧ-В і ДЛЕЧ) і однієї марки зимового (ДЗЕЧ) із змістом сірки не більше 0,1%.