Мінімальні температури і періоди затримки самозаймання горючих сумішей деяких вуглеводнів (прилад із кварцевою трубкою)

Паливо, що надходить у циліндри двигуна, спалахує не відразу, минає деякий час, поки воно починає горіти. Час від початку подачі палива до його самозаймання називається періодом затримки само­займання. Йому передує ряд фізичних і хімічних процесів. Паливо розпилюється в стиснутому повітрі, його краплі нагріваються до висо­кої температури і випаровуються. Під впливом високої температури і кисню повітря відбуваються передполуменеві реакції багатоста-

Газові (етан, бутан) та ароматичні вуглеводні (бензол) мають високі температури самозаймання, н. парафінові - найнижчі. Із збільшенням молекулярної ваги н. парафінових вуглеводнів їх тем­пература самозаймання зменшується.

У момент, коли починається горіння палива, більша частина палива, яка надійшла на той момент, встигає випаруватись, і про­цес горіння охоплює все нові порції паливоповітряної суміші. Пали­во продовжує подаватись форсункою у камеру згоряння, де воно інтенсивно перемішується з повітрям, випаровується і швидко зго­ряє. Подане паливо в основному запалюється за рахунок змішу­вання з гарячими продуктами згоряння того палива, яке надійшло у циліндр першим у період затримки самозаймання. В результаті швид­кого згоряння палива тиск у циліндрі значно підвищується. В цей період виділяється основна кількість теплової енергії циклічної по­дачі палива (до 70%), подача палива форсункою продовжується, тиск підвищується і досягає максимального значення в циліндрі.

В кінці швидкого згоряння темп нарощування тиску падає, швид­кість згоряння знижується, починається період сповільненого зго­ряння, і тиск змінюється незначно. У цей період припиняється пода­ча палива, але процес згоряння продовжується, і росте температу­ра газів, виділяється близько 20% теплової енергії. Зниження тиску в кінці періоду пояснюється збільшенням об'єму камери згоряння у зв'язку з рухом поршня до н. м. т. За кінець періоду сповільненого згоряння умовно приймається межа досягнення максимальної тем­ператури газів у камері згоряння. Після цього догоряють залиш­ки палива, що не встигло згоріти, і продукти неповного згоряння. Чим важче паливо, вища його в'язкість та густина, тим більш трива­лий період догоряння. Фаза догоряння може охоплювати до 70° ку­та повороту колінчастого вала після в. м. т. Процес догоряння, влас­не, впливає на димність і токсичність відпрацьованих газів.

При великій затримці самозаймання (великому значенні періо­ду затримки самозаймання) паливоповітряної суміші у циліндрі дизе­ля накопичується і зразу згоряє велика частина палива. Це призво­дить до різкого зростання тиску на кожний градус повороту колінча­стого вала, і буде мати місце так звана "жорстка" робота двигуна.

На процес згоряння палива впливають експлуатаційні фактори. Так, збільшення кута випередження впорскування палива провокує жорстку роботу двигуна, бо паливо надходить в менш стиснене і нагріте повітря. При дуже ранньому впорскуванні паливо може спа­лахнути і згоріти раніше, ніж поршень дійде до в. м. т. Це призво­дить до втрати потужності двигуна за рахунок втрат енергії на подо­лання опору газів. Зменшення потужності та ККД двигуна відбуваєть­ся при зменшенні кута випередження впорскування палива порівня­но з оптимальним, бо паливо згоряє при переміщенні поршня вниз і не буде досягнуто максимального тиску в циліндрі. При збільшенні обертів колінчастого вала покращується процес згоряння палива. На характер згоряння палива впливають тепловий стан двигуна, температура повітря. Взимку імовірність виникнення жорсткої ро­боти дизеля більша порівняно з імовірністю виникнення жорсткої роботи того ж двигуна влітку внаслідок низьких температур повітря.

Зовнішні ознаки жорсткої роботи дизеля ідентичні детонаційно­му згорянню палива в бензинових двигунах: прослуховується ха­рактерний металевий стук за рахунок ударної хвилі на поршень двигуна. Стуки в дизелі супроводжуються вібрацією та перегріван­ням поршня і головок циліндра. Хоча зовнішні ознаки детонації в бензиновому двигуні і жорстка робота дизеля ідентичні, причини їх виникнення різні. Фактори, що викликають або підсилюють детона­цію в бензинових двигунах, ліквідують або зменшують жорстку ро­боту дизеля (наприклад, хімічний склад палива).

Н а процес згоряння палива, період затримки самозаймання най­більше впливає якість палива, його хімічний та фракційних склад. В табл. 45 наведені температури самозаймання деяких сполук. Най­нижчі температури самозаймання мають н. парафінові вуглеводні. Чим вища їх молекулярна маса, тим нижча температура самозайман­ня. Найвищі температури самозаймання мають ароматичні вуглеводні.

матичні вуглеводні самозаймаються при високих температурах і мають найменші цетанові числа.

Хімічний склад бензину для бездетонаційного згоряння і дизель­ного палива для забезпечення м'якої роботи має прямо протилеж­ний характер. Сполуки з високими температурами самозаймання є бажаними компонентами бензинів для запобігання самозаймання, щоб не спалахували, доки вони не будуть примусово підпалені іскрою чи полум'ям палива, що вже горить. До цих сполук відносяться аро­матичні та ізопарафінові вуглеводні. Сполуки з низькими темпера­турами самозаймання є бажаними компонентами дизельних палив, щоб при згорянні вони забезпечували невеликий період затримки самозаймання. Це - нормальні парафінові та нафтенові вуглеводні з боковими н. парафіновими ланцюгами.

Для оцінки самозаймання палив введений умовний безрозмір­ний показник - цетанове число, яке вказує на швидкість підвищен­ня тиску при згорянні рідкого палива в поршневих двигунах із зай­манням паливоповітряної суміші від температури стисненного по­вітря. Для визначення цетанового числа прийняті еталонні палива, із згорянням яких у різних співвідношеннях порівнюють згоряння па­лива, для якого визначають значення цетанового числа. Як еталонні палива вибрані н. парафіновий вуглеводень - н. цетан (н. гексаде-кан), який має дуже малий період затримки самозаймання, і його цетанове число умовно прийнято за 100, та ароматичний вуглево­день -а-метилнафталін, який має великий період затримки самозай­мання, і його цетанове число умовно прийнято за 0. Суміш н. цетану і а-метилнафталіну в різних співвідношеннях має неоднакову тем­пературу самозаймання.

Цетанове число дизельного палива визначають порівнянням самозаймання дизельного палива із самозайманням штучної суміші н. цетану з а-метилнафталіном. Запускають двигун на паливі, що досліджується, і зміною ступеня стиснення досягають умов, щоб са­мозаймання палива почалося точно у в. м. т, тобто період затримки самозаймання дорівнював 13°. Далі підбирають таку суміш н.цета­ну і а-метилнафталіну, яка б при тому ж ступені стиснення займа­лась точно у в. м. т, тобто мала б такий же період затримки самозай­мання - 13°, як і паливо, що досліджують.

Цетановим числом називається процентний (об'ємний) вміст н. цетану в суміші з а-метилнафталіном, яка за самозайманням ана­логічна паливу, що досліджується. Наприклад, якщо паливо, що до­сліджується, має цетанове число 52, це значить, що за самозай­манням воно еквівалентне штучній суміші еталонних палив, що міс­тить 52% н. цетану і 48% а-метилнафталіну.

Цетанове число палива залежить від його хімічного складу. Н. па­рафінові вуглеводні мають найвищі цетанові числа (табл. 46). Аро­

Збільшення вмісту ароматичних вуглеводнів у дизельному пали­ві веде до погіршення його самозаймання, тобто до зниження цета­нового числа. Ароматичні вуглеводні в дизельному паливі і особли­во поліциклічні впливають на повноту згоряння, кількість твердих частинок і бен-а-пірену, концентрацію оксидів азоту у відпрацьова­них газах. Так, зниження вмісту ароматичних вуглеводів в дизельно­му паливі з ЗО до 10% зменшує кількість оксидів азоту у відпрацьова­них газах приблизно на 4-5%. Цетанове число залежить також від фракційного складу: чим нижче температури кипіння палива, тим менше цетанове число. Так, наприклад, фракції, що отримані з однієї нафти і містять значну кількість н. парафінових вуглеводнів, з тем­пературами кипіння в межах 200-250 °С і 250-300 °С мають цета­нові числа 45 і 60 відповідно.

Чим нижче цетанове число палива, тим жорсткіша робота дви­гуна. Під час жорсткої роботи дизеля спостерігається підвищене зношування корінних підшипників колінчастого вала, особливо вкла­дишів, за рахунок ударної хвилі на них; пригоряють і деформують­ся, а іноді ламаються поршневі кільця; збільшується прорив газів в оливний картер; підвищуються витрати палива і оливи, а також димність і токсичність відпрацьованих газів. Жорстка робота дизелів різної конструкції спостерігається при різному значенні інтенсивності підвищення тиску. М'яка робота дизеля забезпечується підвищен­ням тиску на 0,25...0,5 МПа, а жорстка - на 0,6...0,9 МПа на кожнийградус повороту колінчастого вала. При більшому наростанні тиску робота дизеля буде дуже жорсткою.

Можна запобігти або ліквідувати жорстку роботу двигуна конст­рукційними або експлуатаційними методами, наприклад, збільшен­ням ступеня стиснення, надуванням, додаванням до палива спо­лук, що зменшують період затримки самозаймання. Деякі нітрати, альдегіди, кетони, пероксиди та інші сполуки зменшують температу­ру самозаймання. Додавання до дизельного палива з цетановим числом 39,1 ізопропилнітрату, н. гептилнітрату або пероксиду бути­ла у кількості 1,5% збільшує цетанове число палива на 17,9; 14,8 та 20,2 одиниць відповідно. При додаванні до палива з цетановим чис­лом 42 ацетилпероксиду чи пероксиду тетраліну у кількості 0,5% це­танове число його підвищується на 9 та 8 одиниць відповідно. Деякі полінітрати, наприклад, динітрати 1-2-пропиленгліколя, етиленглико-ля та ін. є вибухонебезпечними речовинами; нітрозосполуки, ефіри, альдегіди малоефективні. Як присадки для підвищення цетанового числа використовуються алкилнітрати: ізопропилнїтрат, циклогексил-нітрат, суміш амілнітратів, тобто такі, які мають загальну формулу ТОІМО.,, де ІЗ - радікал, наприклад, етил-, ізопропил-, пентил-.

Сучасні товарні дизельні палива, як правило, відповідають ви­могам конструкційних особливостей дизелів щодо значення цета­нового числа. Для сучасних автотракторних дизелів, дорожньо-буді­вельної та іншої техніки необхідні палива з цетановими числами 45...56, що забезпечують м'яку роботу двигуна. Підвищення цетано-вих чисел вище 56 не впливає суттєво на поліпшення роботи дизе­ля, а питомі витрати палива збільшуються. Це пояснюється тим, що при високих цетанових числах період затримки самозаймання дуже малий, і згоряння відбувається біля розпилювача форсунки. Повітря, що знаходиться у віддалених від форсунки місцях, не бере участі у процесі згоряння. Тому має місце неповне згоряння палива, що веде до його перевитрат, підвищення токсичності та димності відпрацьо­ваних газів і до перевитрат оливи. Підвищення цетанового числа палива веде до його подорожчання. Літні дизельні палива завжди мають більш високі значення цетанового числа порівняно з зимови­ми, виготовленими з однієї нафти, бо у складі літніх палив є більша кількість н. парафінових вуглеводнів.

Товарні дизельні палива мають у своєму складі присадки, такі як депресатори, антидимні, миючі, протизношувальні. Із протизно-шувальних присадок ефективними є сполуки на основі монокислот, ефірів карбонових кислот тощо.

Антидимні присадки поділяються на зольні і беззольні. Зольні присадки (вони містять у своєму складі метали) за певних умов ви­кликають негативні явища в роботі дизеля внаслідок утворення при згорянні зольних присадок твердих частинок (сульфатів, карбонатів, оксидів металів), які частково відкладаються в камері згоряння, на розпилювачах форсунок. У продуктах згоряння можуть бути токсичні металеві сполуки, які викидаються з відпрацьованими газами в ат­мосферу.

Беззольні присадки мають в своєму складі кисень або азот.

Створюючи "пакет" присадок до дизельного палива, обов'язко­во вивчають сумісність цих присадок між собою, ефективність дії з урахуванням наявності декількох присадок та хімічного складу па­лива, для якого призначений "пакет" присадок, вплив на каталітич­ний нейтралізатор.

З метою економії нафтових дизельних палив до них можна до­давати рослинні олії чи тваринні жири, використання яких відомо давно. Як добавку до дизельного палива можна використовувати такі рослинні олії, як соєву, ріпакову, соняшникову, кукурудзяну та ін., а також до 20% баранячого чи іншого тваринного жиру.

Особливістю рослинних та тваринних жирів є наявність в них від 9,4 до 12,5% кисню. Природні рослинні олії та тваринні жири складаються з гліцеридів, тобто із складних ефірів трьохатомного спирту - гліцерину і різних органічних кислот. При зберіганні олії та жири стають згірклими під дією світла та повітря, набувають неприє­много запаху та смаку. При одержанні "сирої" олії з рослин вона має у своєму складі різні домішки, "липкі" компоненти, від яких треба позбутися очистками. Як добавку до дизельного палива використо­вують оброблену спеціальними речовинами олію. Для запобігання псуванню рослинних олій та тваринних жирів у складі палива суміші готують перед використанням без тривалого зберігання. Такі суміші використовують переважно влітку.

Найбільшого використання набула рапсова (ріпакова) олія як добавка до дизельного палива. Ріпакова олія (як і інші рослинні олії і тваринні жири) має відновлювальну сировинну базу. Для сучасних дизелів ріпакова олія не може використовуватися в чистому виді, бо поступається дизельному паливу з деяких показників якості. Так, вона має:

• меншу теплоту згоряння (33,7 МДж/м³ порівняно з 35,2 МДж/м⁴);

вугілля - близько 55% бензину і 30% газоподібних вуглеводнів, решта: вода + залишок + втрати. Октанове число бензину при гідро­генізації вугілля, сланців можна отримати зі значенням 80...86 за моторним методом. їх виробництво пов'язане із складною техноло-

• вугілля - близько 55% бензину і 30% газоподібних вуглеводнів, решта: вода + залишок + втрати. Октанове число бензину при гідро­генізації вугілля, сланців можна отримати зі значенням 80...86 за моторним методом. їх виробництво пов'язане із складною техноло- нижче значення цетанового числа (до 40);

• більш високу температуру випаровування: температура почат­ку кипіння становить 376 °С; температура википання 70 %-574 °С;

• більш велику густину (900 кг/м⁵);

• органічні домішки, що значно погіршують коефіцієнт фільтрованості.

Контрольні запитання

1. Яка основна відмінність у роботі бензинового двигуна та дизе­ля і які вимоги залежно від цього ставляться до дизельного палива?

2. Від яких показників якості дизельного палива і як залежить його прокачування?

3. Як покращити низькотемпературні властивості дизельного палива?

4. Що називається цетановим числом дизельного палива і як воно впливає на роботу двигуна, витрати ПММ, склад відпрацьованих газів?

1. Від чого залежить утворення різних відкладень в дизелі?

5. Які нетрадиційні добавки до дизельного палива можна вживати?