7. Топливная система
Дизельное топливо
Топливо, применяемое для дизельных двигателей, представляет собой тяжелые нефтяные фракции. Оно должно обеспечивать мягкую и плавную работу двигателей (без стуков и ударов), отвечать условиям надежной подачи его в цилиндры топливоподающей аппаратурой, не оставлять значительного нагара, быть свободным от механических примесей и воды, содержать наименьшее количество органических кислот и серы. Дизельное топливо должно иметь определенную вязкость и возможно более низкую температуру застывания и воспламенения. Определенная вязкость дизельного топлива необходима для обеспечения смазки топливоподающей аппаратуры, при недостаточной вязкости условия смазки трущихся деталей топливной аппаратуры ухудшаются, что вызывает их усиленный износ. Кроме того, маловязкое топливо просачивается через зазоры между плунжерами и гильзами насоса высокого давления, в результате этого подача топлива уменьшается, а мощность двигателя падает. При большой вязкости затруднена подача и впрыск топлива в цилиндры двигателя. Чем ниже температура застывания, тем надежнее работа двигателя в зимних условиях. С уменьшением температуры самовоспламенения топлива облегчается пуск холодного двигателя. Мягкая работа двигателя достигается при плавном нарастании давления в цилиндрах двигателя при сгорании, что возможно при воспламенении топлива сразу же после поступления в цилиндры первых его частиц. Запаздывание воспламенения ведет к одновременному сгоранию значительного количества топлива, что вызывает резкое нарастание давления и жесткую работу двигателя. Поэтому топливо для дизельных двигателей должно иметь небольшой период задержки самовоспламенения. Это свойство дизельного топлива характеризуется цетановым числом. Цетановое число – это условная величина, равная процентному содержанию смеси цетана и альфаметилнафталина. Цетан обладает минимальным периодом запаздывания воспламенения, обеспечивает более мягкую работу двигателя, для него цетановое число условно принимают равным 100. Альфатилнафталин обладает наибольшим периодом запаздывания воспламенения (трудно воспламеняется) и вызывает жесткую работу двигателя; его цетановое число условно принимают равным нулю. Более высокое цетановое число показывает, что топливо может обеспечить более мягкую работу двигателя.
В России, согласно ГОСТ 305 – 82, дизельное топливо выпускается трех марок: Л (летнее); З (зимнее); А (арктическое). Топливо предназначено для питания дизелей в зависимости от температуры окружающего воздуха. Топливо Л используется при температуре воздуха 0°С и выше; З - при температуре окружающего воздуха минус 20°С и выше (если температура застывания топлива не выше минус 35°С) и минус 30°С и выше (если температура застывания топлива не выше минус 45°С); А - при температуре окружающего воздуха минус 50°С и выше. Дизельные топлива Л, З и А имеют цетановые числа не менее 45. Срок хранения дизельного топлива - 5 лет со дня изготовления.
В чем разница между соляркой и дизельным топливом?
Очень часто доводится слышать, как дизельное топливо называют «соляркой» или «солярой». Являются ли слова дизтопливо и «солярка» словами синонимами? Допустимо ли использование в современных легковых и грузовых автомобилях «солярки» вместо дизельного топлива.
Чтобы дать ответ на эти, вопросы, обратимся для начала к трем различным толковым словарям. Посмотрим, как же они трактуют такие понятия, как дизтопливо и «соляра»? Все они трактуют эти понятия по-разному. Первым рассмотрим слово «соляра»:
1. «Соляровое масло» или «Соляр» - это продукт прямой перегонки нефти, который используется как топливо в некоторых типах дизельных двигателей;
2. «Соляровое масло», в простонародье «солярка» - представляет собой фракцию нефти, которая прошла обработку щелочью. Такой продукт имеет вязкость 5 - 9 мм2/с и температуру кипения около от 240 до 400°С. Используется такой вид топлива на дизельных судах, тепловозах и тракторах с низко оборотистыми дизельными двигателями;
3. «Соляр», «Соляровое масло» (разговорное «Солярка») - это продукт, который получается в результате перегонки нефти, после выделения из неё белее легких фракций бензина и керосина. Остаточным продуктом переработки нефти, после выделения из неё «солярового масла», является мазут. «Соляр» используется как топливо для тихоходных двигателей.
Теперь посмотрим, какое же определение эти словари дают дизельному топливу:
1. «Дизельное топливо» - это топливо, получаемое путем перегонки нефти, а именно керосиновые, газойлевые и соляровые фракции, которые используются в своем большинстве для высоко оборотистых двигателей. Что касается более тяжелых фракций и продуктов переработки нефти под названием "остаточные", то их применяют для низко оборотистых двигателей;
2. Дизельное топливо - жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе. Обычно под этим термином понимают топливо, получающееся из керосиново-газойлевых фракций путем прямой перегонки нефти.
3. Дизельное топливо (соляровое масло, солярка) - это жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе, а с недавних пор - и в газодизельных двигателях. Обычно под этим термином понимают топливо, получающееся из керосиново-газойлевых фракций, путем прямой перегонки нефти. Основными потребителями дизельного топлива являются: железнодорожный транспорт, грузовой автотранспорт, водный транспорт и сельскохозяйственная техника. Кроме дизельных и газодизельных двигателей, остаточное дизельное топливо (соляровое масло) зачастую используется в качестве котельного топлива, для пропитывания кож, в смазочно-охлаждающих средствах при механической и закалочных жидкостях при термической обработке металлов.
Что мы выяснили? А то, что не один из словарей не вносит полной ясности в рассматриваемый нами вопрос. Поэтому, давайте попробуем разобраться сами. А начнем мы это с ответа на вопрос, что такое «Дизель»?
Дизельные двигатели – это, четырех или двухтактные, поршневые или роторные двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе, в котором происходит самовоспламенение топлива в результате впрыска его в сильно разогретый от сжатия воздух. Особенностью дизельных двигателей, в их первозданном виде (работающих по циклу Дизеля) было компрессорное, пневматическое распыливание топлива. Отказ от этого цикла был связан с тем, что на привод компрессора (у «настоящего» дизеля, как отмечал выше, было компрессорное впрыскивание топливо – воздушной смеси) приходилось 10-15% мощности работы двигателя. В связи с чем, расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Но в тоже время индикаторные показатели и экологические показатели были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера. Связанно это было с более качественным смесеобразованием - подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей. Повсеместный переход от пневматического на механическое распыление топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого века. Сейчас двигатели, работающие по циклу Дизеля, не производятся.
Какое же топливо необходимо для двигателей работающих по циклу Сабатэ-Тринклера? Промышленностью выпускаются две группы дизельного топлива: 1. дистиллятные маловязкие - применяемые в высоко форсированных двигателях; 2. высоковязкие остаточные - используемые в тихоходных дизелях.
Основной показатель дизельного топлива - это цетановое число. Цетановое число характеризует способность топлива к воспламенению в камере сгорания. Чем больше цетановое число, тем лучше воспламеняемость смеси при сжатии. Оптимальную работу стандартных современных двигателей обеспечивают дизельные виды топлива с цетановым числом 40-55. При цетановом числе меньше 40 резко возрастает задержка воспламенения (время между началом впрыска и воспламенением топлива), и возрастает скорость нарастания давления в камере сгорания, увеличивается износ двигателя. Стандартное дизельное топливо характеризуется цетановым числом 40-45, а дизельное топливо высшего качества (премиум) имеет цетановое число 45-50. Дизельное топливо марки «ПРЕМИУМ» более лёгкое, содержит больше легко воспламеняющихся, лёгких фракций и поэтому более пригодно для запуска двигателя в холодную погоду, кроме того, отношение водорода к углероду в лёгких фракциях выше, поэтому при сгорании такого дизельного топлива образуется меньше дыма, снижается расход топлива. При цетановом числе больше 60 снижается полнота сгорания топлива, возрастает дымность выхлопных газов, повышается расход топлива, ухудшаются эксплутационные характеристики. В некоторой степени цетановое число зависит от группового состава топлива (доли парафинов, олефинов, нафтенов, ароматики). Парафины, способные к самовоспламенению при низких температурах, являются полезным компонентом дизельного топлива. В последнее время, в рамках борьбы за экологию, жёстко нормировано содержание серы в дизельном топливе. Под серой здесь понимается, содержание сернистых соединений - меркаптанов (R-SH), сульфидов (R-S-R), дисульфидов (R-S-S-R), тиофенов, тиофанов и др., а не элементарная сера как таковая; R - углеводородный радикал. Содержание серы в нефти находится в пределах от 0,15 % (легкие нефти Сибири), 1,5 % (нефть Urals) до 5-7 % (тяжёлые битуминозные нефти). Допустимое содержание серы в судовом топливе - до 1 %, а по последним нормативам Европы и штата Калифорния допустимое содержание серы в дизельном топливе не более 0,001 % (10 ppm). Существуют зимнее дизельное топливо и летнее дизельное топливо. Производство зимнего дизельного топлива обходится дороже, так как в состав зимнего дизельного топлива добавляется керосин, антигеливые присадки и для связывания воды. Но в зимнее время года, при температуре ниже -15 °C, завести дизельный двигатель, без предварительного разогрева топлива, практически невозможно. Дизельное топливо застывает, а парафин, входящий в состав дизельного топлива, кристаллизируясь, забивает фильтрующие элементы топливных насосов. Ещё одной проблемой летнего дизельного топлива является конденсат воды в топливном баке. Вода отслаивается при хранении дизтоплива и собирается внизу топливного бака, т.к. плотность дизтоплива меньше 1 кг/л. Водяная пробка в магистрали полностью блокирует работу двигателя. Поэтому, с наступлением холодов, летнее дизельное топливо необходимо заменять зимним дизельным топливом.
Таким образом, мы с Вами сравнили физические и химические свойства «соляра» и «дизельного топлива» и установили, что в своем составе дизельное топливо содержит углеводороды, которые имеют температуру кипения от 180 до 350°С. После определенной очистки и добавления разного рода присадок, эти продукты перегонки нефти приобретают вязкость 2 - 4,5 мм2/с. В свою очередь, «соляровое масло», «солярка», представляет собой фракцию нефти, с вязкостью 5 - 9 мм2/с. и температурой кипения от 240 до 400°С. Подводя итоги, можем сделать вывод, что «солярка» и «дизельное топливо» – это два совершенно разных понятия. Использование «солярки» в современных автомобильных двигателях недопустимо.
Керосин - это смеси углеводородов (от C12 до C15), выкипающие в интервале температур 150-250 °С, горючая жидкость, получаемая путём перегонки или ректификации нефти. Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого, ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель (например, для нанесения пестицидов), сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Керосин также может использоваться как заменитель зимнего дизтоплива для дизельных двигателей, а также как базовый вид топлива для многотопливных дизельных двигателей. А также применяется в народной медицине при ангине. Применяется керосин так же для промывки механизмов, и удаления ржавчины.
История производства керосина Промышленное производство керосина впервые было начато в России в 1823 братьями Дубиниными в районе Моздока (300 тонн/год; прежнее торговое название "фотоген"). В XIX веке из продуктов перегонки нефти использовали только керосин (для освещения), а получавшийся бензин и другие нефтепродукты имели крайне ограниченное применение. Например, бензин применялся в аптекарских и ветеринарных целях, а также в качестве бытового растворителя, и поэтому большие его запасы нефтепромышленники попросту выжигали в ямах или сливали в водоёмы. В 1911 году керосин навсегда уступил бензину своё лидирующее положение на мировом рынке нефтепродуктов из-за распространения двигателей внутреннего сгорания и электрического освещения. Вновь значение керосина начало возрастать только с 1950-х, ввиду развития реактивной и турбовинтовой авиации (авиакеросин), для которой именно этот вид нефтепродуктов оказался практически идеальным топливом.
Свойства и состав керосина Плотность - 0,78-0,85 г/см (при 20 °C), вязкость - 1,2 - 4,5 мм2/с (при 20 °C), температура вспышки - 28-72°С, теплота сгорания ~ 43 МДж/кг. В зависимости от химического состава и способа переработки нефти, из которой получен керосин, в его состав входят: 1. предельные алифатические углеводороды - 20-60 % 2. нафтеновые 20-50 % 3. бициклические ароматические 5-25 % 4. непредельные - до 2 % 5. примеси сернистых, азотистых или кислородных соединений
Керосин обладает рядом достоинств: хорошо горит (почти также как и бензин), но при этом не склонен взрываться. Из его недостатков можно отметить то, что он дает много копоти, а также то, что керосин тяжело перевозить. Свойства керосина проникать куда угодно, и вытекать из "самых закрытых" емкостей хорошо известны.
Рассмотрим путь топлива в топливной системе.
Система питания двигателя (рис. 44) разделенного типа. Она состоит из топливного насоса высокого давления с электромеханическим исполнительным механизмом (ЭМИ), топливоподкачивающим насосом, муфтой опережения впрыска или без нее, форсунок, фильтров грубой и тонкой очистки топлива, топливо проводов низкого и высокого давлений.
Рис. 44. Топливная система
А – всасывающая магистраль; В – низкое давление; С – высокое давление; D – слив излишков топлива в бак; 1 – фильтр грубой очистки; 2 – топливный насос высокого давления; 3 – фильтр тонкой очистки топлива; 4 – форсунка; 5 – распылитель форсунки; 6 – топливоподкачивающий насос; 7 – топливный бак.
Из бака 1 через фильтр грубой очистки 2 топливо засасывается топливоподкачивающим насосом 3 и подается в фильтр тонкой очистки 4 и далее к топливному насосу высокого давления 5. Независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя в топливоподкачивающий насос поддерживает постоянное давление топлива 130 - 150 кПа
Топливный насос в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя (l - 5 - 4 - 2 ,- 6 - 3 - 7 - 8), подает топливо по топливопроводам высокого давления к форсункам 6, которые распыляют его в цилиндрах двигателя. Топливо, не использованное в насосе высокого давления, а также просочившегося между распылителем форсунки и иглой по топливопроводу сливается в бак. Топливо, постоянно циркулирующее в топливной системе, охлаждает головку насоса, отводит в бак воздух, попавший в систему.
На тепловозе установлены два топливных бака с правой и левой стороны кузова. Баки сварной конструкции с выходами горловин на обе стороны тепловоза. Форма баков прямоугольная. Бак внутри разделен перегородками, что обеспечивает ему жесткость и прочность, а также препятствует волнообразованию топлива. Баки закреплены болтами на раме тепловоза под двигателем.
Заправочный объем баков по 310 л каждый, расходный объем баков – по 260 л. Баки соединены между собой трубой, подсоединенной к штуцерам. Данная конструкция работает по правилу сообщающихся сосудов.
В горловины помещен сетчатый фильтр. Горловины закрываются крышками. Заправку баков необходимо производить при открытой дополнительной крышке (для выхода воздуха из бака). В крышке установлен сапун.
Датчик уровня топлива устанавливается вверху бака ближе к торцу с топливомерной линейкой. Для визуального контроля расхода или заправки топлива установлена линейка топливомерного стекла. Стекло крепится на накладку крышкой посредством болтов с применением прокладки для герметичности. Топливо из бака попадает между накладкой и стеклом «Геллера» через отверстие диаметром 12+0,5, расположенное внизу топливомерной линейки изнутри бака. Топливомерные стекла установлены в направлении передней кабины (условно). Для слива отстоя внизу бака, в центре его установлен сливной клапан. Поступает топливо в топливную систему по трубопроводу, подключенному к штуцеру 18. Штуцера 17 служат для слива излишнего топлива с форсунок и топливного насоса. Для обеспечения безотказной работы топливной системы необходимо следить за тем, чтобы заправка топлива производилась чистым профильтрованным топливом, из бака периодически спускался отстой, своевременно и тщательно производилась очистка фильтров, не допускалась утечка топлива в соединениях трубопроводов.