3.3. Випаровування і згоряння дизельних палив

Випаровування дизельних палив впливає на повноту згоряння, економічність двигуна, його пуск і роботу, нагаро-, лакоутворення, зношування двигуна, склад відпрацьованих газів, витрати палива і оливи. Випаровування палива починається відразу після його впор­скування в камеру згоряння і продовжується до згоряння останньої кількості палива. Краплі палива, що попадають у гаряче повітря, самозапалюються не відразу, а через певний відрізок часу. Паливо впорскується і після самозапалювання. За рахунок теплоти, яка виділяється при згорянні першої частини палива, процес нагріван­ня і випаровування крапель палива, що продовжують надходити до камери згоряння, сильно прискорюється. Поява продуктів згоряння утруднює сумішоутворення, перешкоджає надходженню кисню до нових порцій палива, сприяє неоднорідності паливно-повітряної сумі­ші. Останнє є причиною підвищення димності відпрацьованих газів при невеликому коефіцієнті надлишку повітря, появи сажі у відпра­цьованих газах. Випаровування і згоряння палива залежить від кон­струкційних особливостей двигуна та якості палива.

До показників якості дизельного палива, що впливають на його випаровування та згоряння, відносяться: в'язкість, густина, тиск наси­ченої пари, поверхневий натяг, теплота пароутворення, теплоємність. Густина дизельних палив впливає на сумішоутворення і випарову­вання так само, як і в'язкість (див. 3.2). Значення внутрішньої тепло­ти пароутворення впливає на роботу дизеля під час його пуску. Такі показники, як теплоємність, теплота випаровування на роботу дизе­ля впливають незначно (менше порівняно з бензиновим двигуном).

Випаровування палива оцінюється фракційним складом. При визначенні фракційного складу дизельних палив фіксують темпера­туру кипіння 50% і температуру кінця кипіння (кипіння 96%). Значення температур кипіння дизельного палива і бензину дещо відрізняють­ся з точки зору оцінки їх експлуатаційної характеристики.

Пуск двигуна характеризується температурою кипіння 50% па­лива, її значення має більший вплив порівняно з цетановим чис­лом, значення якого також впливає на легкість пуску дизеля. При пуску дизеля утворюються найменш сприятливі умови для сумішо­утворення і згоряння внаслідок недостатньої температури у камері згоряння. Чим більше у паливі легкокиплячих фракцій, тим швидше і повніше вони випаровуються. Теплоємність дизельних палив різно­го хімічного складу відрізняється незначно, а час нагрівання і випаро­вування крапель палива залежить від їх розміру. Чим легше пали­во, тим меншого діаметра утворюються краплі, тим більша загаль­на площа їх випаровування. Тому чим нижче температура кипіння 50% палива, тим легше запустити дизель, особливо при низьких температурах повітря. Так, час для прокручування колінчастого вала до пуску двигуна взимку на паливі, що має цетанове число 47,5 і температуру кипіння 50% папива 225 °С, майже в 9 разів менший порівняно з часом, необхідним для пуску двигуна на паливі, що має цетанове число 52, але більш високу температурою кипіння 50% палива - 285 °С. Але це не значить, що для поліпшення випаровуван­ня і полегшення пуску двигуна можна застосовувати дуже легкі пали­ва типу бензину. Полегшення фракційного складу, тобто поліпшення випаровування, посилюється іншим фактором - збільшенням періо­ду затримки самозаймання, погіршенням мастильних властивостей.

Щоб полегшити пуск двигуна та зменшити витрати палива, про­водять розігрів двигуна взимку, використовують пускові рідини. Ви­користання чистого ефіру для полегшення пуску дизеля неприпус­тимо, тому що ефір змиває змащувальну плівку з поверхні ЦПГ і може створити умови для сухого тертя. Пускові рідини містять ефір, мастильний, антикорозійний та інші компоненти.

Паливо важкого фракційного складу з високою температурою кипіння 96% (кінця кипіння) не встигає повністю випаруватись, отже, і згоріти. Неповнота згоряння веде до перевитрат палива, збільшення димності і токсичності відпрацьованих газів, втрати потужності (бо викидається частина палива, що не догоріла), підвищення нагаро- і лакоутворення. За втратою кожних 10% потужності двигуна витра­ти палива збільшуються на 4...5%.

Одним з найбільш шкідливих компонентів відпрацьованих газів дизелів є сажа, яка адсорбує токсичні речовини, серед яких і такі високотоксичні, як бенз(а)пірен, нітрозоаміни, поліциклічні ароматич­ні вуглеводні. Наявність сажі у відпрацьованих газах зменшує надій­ність роботи каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів.

З метою зменшення димності відпрацьованих газів дизелів до палива при необхідності можна вводити антидимні присадки, до яких відносяться солі лужних металів, неорганічні солі лужньо-земель­них металів, органічні речовини із вмістом заліза, марганцю, а та­кож композиції присадок. Кількість і ефективність добавлених при­садок залежить від багатьох факторів (хімічного складу присадки та палива, умов роботи двигуна тощо). При згорянні палива з такими присадками утворюються тверді сульфати, карбонати, метали, окси­ди металів, які відкладаються в камері згоряння, в зоні поршневих кілець, викидаються в атмосферу. Оцінюючи ефективність проти-димних присадок, слід враховувати їх негативну дію.

Можуть використовуватись беззольні (неметалеві) антидимні присадки. Беззольні антидимні присадки (складні органічні речови­ни з різними функціональними групами) не утворюють при згоранні тверді речовини. Вони більш дорогі, потребують добавлення більшої кількості в порівнянні з зопьними присадками.

Найбільші ускладнення в роботі дизелів пов'язані з відкладення­ми на форсунках. Нагар, який утворюється на розпилювачах, сприяє Із паливом, що частково не згоріло, може відбуватися крекінг і полімеризація з утворенням твердих коксових осадів, які спричи­нюють механічне зношування двигуна. Частина палива у рідкому стані стікає по стінках циліндра, змиваючи змащувальний шар і підви­щуючи зношування двигуна, попадає в оливний картер, де розрі­джує моторну оливу і погіршує її мастильні властивості. Економічність і моторесурс двигуна зменшується. Тому надмірне обважніння, як і полегшення палива, небажане. Основна частина дизельного пали­ва повинна википати при температурах 250...330 °С.

Важлива властивість дизельного палива - його можливість за­безпечувати чистоту двигуна і паливної апаратури. Ця властивість значною мірою залежить від хімічного і фракційного складу палива. Чим вища температура кінця кипіння, тим більше важких фракцій в паливі, тим більше імовірність нагароутворення, неповноти згорян­ня палива, підвищення токсичності відпрацьованих газів. Але зни­ження температури кінця кипіння дизельного палива зменшує об'єм його виробництва.

Покращити повноту згоряння, зменшити нагароутворення, вміст токсичних речовин у відпрацьованих газах можна введенням спеці­альних протинагарних присадок, що зменшують нагароутворення на розпилювачах форсунок і деталях двигуна; миючих, які покращу­ють процес згоряння палива в камері згоряння і зберігають чистими деталі ЦПГ і розпилювачів о>орсунок; багатофункціональних. До складу останніх присадок входять, як правило, металоорганічні ре­човини, амінофеноли, аміди жирних кислот, кремнійорганічні спо­нуки, поліефіри тощо. Вводять присадки у невеликій кількості -0,001-0,03 % мас.

При згорянні палива можливе нагароутворення на стінках ка­мери згоряння і на клапанах, а також має місце утворення відкла­день на розпилювачах та голках розпилювачів форсунок, на штоках випускних клапанів, поршнях, у канавках поршневих кілець, камері згоряння. На стінках камери згоряння, днищі поршня і впускних кла­панах утворюється твердий нагар темного кольору, а на розпилю­вачах та голках розпилювачів форсунок - м'який жовтуватого кольо­ру, іноді - у вигляді лакової світло-коричневої плівки. Відкладення нагарів на стінках камери згоряння погіршує відведення теплоти у систему охолодження двигуна. Відкладення нагару на клапанах сприяє їх закоксуванню, в результаті чого втрачається герметичність посадки клапана на сідло, внаслідок чого відбувається витікання розжарених газів і обгоряння посадочних поверхонь клапана і сідла, в окремих випадках можливе зависання клапана. Утворення нагарів, наприклад, на продувних вікнах двотактного дизепя, погіршує умо­ви продування циліндра.

погіршенню якості розпилювання палива і скривленню факела. При погіршенні розпилювання палива порушується сумішоутворення, відбувається неповне згоряння, що, врешті-решт, веде до димлення дизеля, втрати потужності і перевитрат палива. Смолисті речовини на голках розпилювачів утворюють коксові відкладення, внаслідок чого спричинюють їх зависання. Закоксованість сопел і зависання голок розпилювачів супроводжується підтіканням палива, тому що в цьому випадку порушується герметичність посадки голки на ущіль­нюючий конус розпилювача. При підтіканні палива падає потужність і економічність дизеля і збільшується його димлення.

П ідвищення густини палива, вмісту ароматичних вуглеводнів (особливо поліциклічних), сірки, асфальто-смолистих речовин, тем­ператур википання палива (табл. 39) збільшує можливість нагаро-утворення.

Зменшити вміст ароматичних вуглеводнів в паливі можна про­веденням глибокої гідроочистки. Повнота згоряння палива, можливість нагароутворення зале­жить від конструкції камери згоряння.

Ч им менше водню містить вуглеводень (чи паливо), тим більша здатність до нагароутворення. Тому з вуглеводнів найбільшу схиль­ність до нагароутворення мають ароматичні вуглеводні (табл. 40), що пояснюється збільшенням масового співвідношення вуглецю до водню.

Собівартість палива при цьому підвищується.

Нагароутворення у двигуні залежить, у першу чергу, від наявності асфальто-смолистих речовин, вміст яких характеризується кількістю фактичних смол, а побічно можна характеризувати кількістю залишку у колбі після перегонки палива при визначенні фракційного складу Із збільшенням вмісту смол у паливі підвищується здатність до на­гароутворення на деталях двигуна.

Утворення нагару та лаку залежить від наявності сірчаних спо­лук. Підвищення вмісту сірки у паливі при його згорянні підвищує твердість нагарів. Найбільший вплив на нагароутворення із сірча­них сполук мають меркаптани, які прискорюють процеси окислен­ня, полімерізації нестабільних речовин дизельних палив і сприяють їх відкладенню на деталях двигуна. Нагаро-, лакоутворення зале­жить також від конструкційних особливостей двигуна, його техніч­ного стану, режиму роботи, якості моторної оливи тощо.

О рганічні кислоти, вміст яких в дизельних паливах допускається в більших кількостях порівняно із вмістом органічних кислот у бен­зині, та сірчані сполуки викликають, передусім, корозію деталей двигуна та інші несправності. Велика маса дизельних палив виробля­ється із сірчистих нафт. При переробці нафти вміст сірчаних сполук збільшується з підвищенням температур кипіння окремих фракцій: найменше їх у бензині, до 95% сірки припадає на газойль (компо­нент дизельного палива) та мазут (табл. 41).

Чуттєвість двигунів різної конструкції до корозії сірчаними спо­луками залежить від їх теплового режиму Так, при підвищеному тепловому режимі спостерігається газова корозія оксидами сірки, які утворюються при згорянні палива, тарілок випускних клапанів, верхньої частини циліндрів, верхнього компресійного кільця.

При зниженні теплового режиму оксиди сірки розчиняються у воді (яка утворюється при згорянні палива і конденсується на хо­лодних деталях двигуна), і відбувається рідинна корозія кислотами. В малонавантажених двигунах виникають умови для рідинної коро­зії більше порівняно з корозією у двигунах з високим навантажен­ням. Тракторні дизелі, наприклад, більш схильні до газової корозії, автомобільні (особливо ті, що працюють в міських умовах) - до рідин­ної. При рідинній корозії руйнуються вкладиші підшипників. Чим більший прорив газів в оливиий картер та вміст сірки в паливі, тим більше зношування від рідинної корозії.

* Оксид вуглецю -СО; оксиди азоту - N0, М0₂, М₂С\, Н₂0₅, які позначають сумарно N0,,; оксиди сірки - 80₂, 50₃; сірчаний газ - Н₂5; альдегіди - акролеїн - СН₂СНО; сажа -С; бенз-а-пірен - С₂₀Н₁₂.

У дистилятах дизельного палива вміст сірки може становити до 1,3%. Дистиляти підлягають складному процесу каталітичного виді­лення сірчаних сполук з палива, який дозволяє зменшити вміст сірки до 0,2...0,01% і менше. Досвід використання дизельних палив свідчить, що загальне зношування двигуна майже прямо пропорцій­не вмісту сірки у дизельному паливі. Наприклад, при підвищенні вмісту сірки з 0,2% до 0,6% зношування гільз циліндрів і поршневих кілець підвищується майже на 15%, а при збільшенні вмісту сірки у паливі до 1% зношування цих деталей збільшується у 1,5 рази. При виборі палива для певного двигуна слід звертати увагу на вміст у ньому сірки, бо іноді окремі марки дизельного палива містять сірки до 0,5% сірки і більше. Використовуючи високосірчисті палива слід одночасно застосовувати моторні оливи з високими нейтралізуючи­ми властивостями. Продукти згоряння палива містять сірчаний і сірчистий ангідриди, які проникають через нещільності циліндро-поршневої групи в оливний картер. Тут вони утворюють сірчану і сірчисту кислоти, погіршуючи якість оливи. Продукти згоряння сірча­них сполук впливають на оливну плівку на циліндрах.

Основними об'єктами корозійного зношування продуктами зго­ряння сірчаних сполук є ЦПГ, органічними кислотами - плунжерні пари. Підвищення кислотності палив викликає корозійне зношуван­ня плунжерних пар паливного насосу високого тиску, збільшення відкладень на деталях паливної системи і двигуна, погіршення по­тужньо-економічних показників двигуна. Зношування паливної апа­ратури залежить від підвищеної кислотності палива більше порівня­но з її зношуванням при використанні палива низької в'язкості.

Для боротьби з корозією в моторні оливи (іноді - і в палива) додають спеціальні присадки. Слід мати на увазі, що при згорянні палива утворюються також оксиди азоту. Деякі з них можуть пере­ходити в кислоти так само, як і оксиди сірки.

О днією з переваг дизелів у порівнянні з бензиновими двигуна­ми вважається менша токсичність відпрацьованих газів за рахунок повнішого згоряння палива (табл. 42).

Слід зазначити, що це положення може бути віднесене до тех­нічно-справних двигунів, при використанні кондиційних і відповід­них даному двигуну палив і олив. Склад відпрацьованих газів не залишається постійним. На повноту згоряння палива, вміст токсич­них сполук впливають режим роботи двигуна, його технічний стан, оптимальність регулювань, якість палива і моторної оливи, май­стерність водія, експлуатаційні фактори (стан шляхів, температура повітря тощо). При пуску і прогріванні дизеля у відпрацьованих га­зах міститься значна кількість акролеїну (до 0,15%), який має підви­щену токсичність. Допустима концентрація акролеїну у виробничих приміщеннях - до 0,0007 мг/дм³.

Поява значної кількості сажі у відпрацьованих газах внаслідок неповноти згоряння призводить не тільки до забруднення атмосфе­ри, але й погіршує видимість на дорогах, що може спричинити ава­рійну ситуацію. При роботі з несправною системою живлення ди­зелів масовий вміст сажі у відпрацьованих газах може зрости до 70...90% ваг. Сажа, потрапляючи з повітрям в органи людини, ад­сорбує з повітря токсичні сполуки, веде до збільшення захворювань органів дихання людей. До високотоксичних речовин у відпрацьо­ваних газах

* Оксид вуглецю -СО; оксиди азоту - N0, М0₂, М₂С\, Н₂0₅, які позначають сумарно N0,,; оксиди сірки - 80₂, 50₃; сірчаний газ - Н₂5; альдегіди - акролеїн - СН₂СНО; сажа -С; бенз-а-пірен - С₂₀Н₁₂.

дизелів належить бенз-а-пірен, вміст якого різко збіль­шується у випадках неповного згоряння палива (наявність "хвоста" за дизелем). Бенз-а-пірен спричинює онкологічні захворювання.

У зв'язку з тим, що в дизелях немає примусового запалювання робочої суміші, суттєву роль в оцінці якості дизельного палива віді­грає температура самозаймання, тобто та нижча температура, при якій воно загоряється без стороннього джерела вогню. Для займан­ня палива без примусового запалювання необхідно, щоб темпера­тура, при якій самозаймається розпилене паливо, була нижчою від температури, яка розвивається при стисненні повітря в циліндрі двигуна. Паливо, яке має високу температуру самозаймання, не може використовуватися для дизелів. Чим важче паливо, чим вищі температури його кипіння, тим нижча температура самозаймання. Приблизна температура самозаймання деяких палив становить, °С:

авіаційний бензин - 425.. .440;

автомобільний бензин - 425;

реактивне паливо (гас) - 380;

газойль (компонент дизельного палива) - 360. Температура самозаймання палив залежить від хімічного скла­ду і температур кипіння (фракційного складу). На займання палив великий вплив мають ступінь стиснення, конструкція камери стис­нення, тиск розпилювання, матеріал поршня, тепловий режим і тех­нічний стан двигуна та інші фактори. Чим вище тиск нагрітого по­вітря, тим нижче температура самозаймання палива (табл. 43).

дійного окислення вуглеводнів, які входять до складу палив. В го­рючій суміші накопичуються кисневмісні нестійкі сполуки, які потім починають розкладатись із виділенням частини теплової енергії (10... 15%) і кисню, тим самим провокуючи окислення інших молекул палива. Холодиополуменеве окислення призводить до підвищення температури робочої суміші і появи безлічі осередків займання. В цю мить з'являється голубе світіння, яке називається холодним полу­м'ям. У результаті підвищення температури робочої суміші приско­рюються хімічні реакції і виникає її самозаймання, тобто поява га­рячого полум'я.

Таким чином відбувається двостадійне самозаймання палива, яке має місце в більшості випадків у дизелях, і при цьому період затримки самозаймання складається з періоду затримки холодного полум'я і другого періоду затримки. Загальний період затримки можна поділити на час, який витрачається на проходження фізичних про­цесів (розпилювання палива та його випаровування, змішування парів з повітрям), і час, необхідний для хімічних реакцій (передпо­луменеві реакції і формування осередків самозаймання).

Передполуменеві окислювальні процеси характеризуються пе­ріодом затримки самозаймання (самозапалювання) і залежать від хімічного складу і будови вуглеводнів. В табл. 44 наведені температу­ра і періоди затримки самозаймання горючих сумішей вуглеводнів з повітрям при атмосферному тиску, що отримані при дослідженні в приладі із кварцевою трубкою.