книги из ГПНТБ / Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник

2. Топливо должно хорошо воспламеняться, обеспечивать мягкую работу двигателя и сгорать с возможно большей полнотой. Для того чтобы выполнить эти требования, топливо должно:

иметь наиболее высокую теплоту сгорания; иметь оптимальный период задержки самовоспламенения;

полностью сгорать без образования сажи, токсичных и канцеро­ генных продуктов в отработавших газах;

иметь минимальную склонность к образованию нагаров и отложений на форсунках;

не образовывать коррозионно-агрессивных продуктов сгорания.

3. Топливо не должно вызывать затруднений при транспортировке, хранении и подаче в двигатель по системе питания при любых клима­ тических условиях. Для того чтобы выполнить эти требования, топ­ ливо должно:

не ухудшать своих эксплуатационных свойств со временем; иметь низкие температуры застывания и помутнения, пологую вяз­

костно-температурную кривую и хорошую прокачиваемость при низ­ ких температурах;

не содержать коррозионно-агрессивных соединений и не образовы­ вать их со временем;

не содержать механических примесей; содержать в растворенном состоянии минимальное количество воды;

не образовывать отложений на деталях системы питания; обладать возможно меньшей пожарной опасностью.

4.Топливо должно быть недорогим, по возможности нетоксичным

ипроизводство его должно быть обеспечено широкими сырьевыми ре­ сурсами.

Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удовлет­ воряет смесь углеводородов, выкипающих в пределах от 150 до 360° С, получившая название топливо для быстроходных дизельных двига­ телей.

§ 2. СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ

Под процессом смесеобразования в дизельных двигателях пони­ мается весь комплекс физических и химических явлений, протекающих от момента ввода топлива в камеру сгорания до воспламенения послед­ ней порции топлива, подаваемой за цикл. Качество и своевременность образования горючей смеси в значительной степени предопределяют протекание рабочего процесса в целом, его эффективность и экономич­ ность.

В дизельном двигателе в такте впуска в цилиндры поступает воздух при атмосферном или избыточном давлении (с наддувом или без надду­ ва). В такте сжатия температура воздуха возрастает до 500—600° С, давление достигает 25—30 кгс/см2. При этом плотность воздуха в ка­ мере сгорания в 12—14 раз превышает плотность окружающего воз­ духа. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивают топливо. Обра­ зование горючей смеси происходит непосредственно в цилиндре двига­ теля. При этом следует отметить, что поскольку воспламенение и сго-

110

нении смеси в отдельных зонах сгорания за счет неравномерности со­ става создается смесь, содержащая достаточное для воспламенения количество паров топлива. Это одна из причин высокой экономич­ ности дизельных двигателей.

С другой стороны, наличие неоднородной смеси является причиной существенного недостатка дизельных двигателей — невозможность получения достаточно полного и бездымного сгорания при относительно небольшом общем коэффициенте избытка воздуха (а < 1,35). При ра­ боте дизельного двигателя со снятием мощности, близкой к максималь­ ной, в отработавших газах появляются частички сажи, двигатель на­ чинает «дымить».

На процесс смесеобразования в дизельных двигателях влияют его конструктивные особенности и свойства применяемого топлива.

Современные дизельные двигатели имеют одну неразделенную ка­ меру сгорания или несколько камер, соединенных каналами.

Форсунки по конструкции делятся на открытые и закрытые. В от­ крытых форсунках между нагнетательным трубопроводом и сопловыми отверстиями запорного устройства не имеется. В закрытых форсунках перед сопловыми отверстиями устанавливают иглу или клапан с пру­ жиной. Запорное устройство открывается под действием давления топ­ лива только на период впрыска.

Форсунка может быть выполнена отдельно от насоса высокого дав­ ления (двигатель ЯМЗ-236 и др.) или вместе (насос-форсунка двигателя ЯАЗ-204). Форсунки могут иметь различное количество сопловых от­ верстий, отличающихся по форме, размерам, направлению впрыска и т. д.

При впрыске топлива в середину неразделенной камеры сгорания происходит объемное смесеобразование, при впрыске топлива на стен­ ки камеры сгорания — пленочное. Существенное влияние на процесс смесеобразования оказывает организация воздушных потоков в каме­ ре сгорания, обусловливающая завихрение воздуха и перемешивание смеси. На процесс смесеобразования влияют такие свойства топлива, как вязкость, плотность, фракционный состав, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, способность паров топлива диффун­ дировать в окружающую среду, скрытая теплота испарения, тепло­ емкость.

Увеличение вязкости топлива ведет к укрупнению капель в факеле, ухудшению распыливания и испарения топлива. Топлива с большой вязкостью догорают на такте расширения, ухудшая экономичность двигателя и повышая дымность отработавших газов (табл. 31).

При использовании топлив с высокой вязкостью крупные капли за счет большой кинетической энергии, приобретаемой при впрыске, увеличивают длину факела, повышая его дальнобойность. При этом часть топлива попадает на стенки камеры сгорания, ухудшая процесс смесеобразования.

С другой стороны, топлива с малой вязкостью также ухудшают процесс смесеобразования. При их распиливании образуются мелкие капли, скорость которых в плотном воздухе быстро падает. При уко­ роченном факеле не используется весь объем камеры сгорания для

117

Т а б л и ц а 31

приготовления однородной топливо-воздушной смеси. Часть воздуха не участвует в процессе смесеобразования, что вызывает избыток топ­ лива и неполное сгорание в той части камеры сгорания, которая рас­ положена вблизи форсунки.

При впрыскивании топлива в плотную воздушную струю вязкость его будет отличаться от вязкости, определяемой в лабораторных усло­ виях при атмосферном давлении. С повышением давления вязкость дизельного топлива увеличивается (рис. 43). Это обстоятельство имеет

и плунжер являются прецизионной парой с диаметральным зазором не больше 0,002—0,003 мм. Для нормальной работы трущихся пар со столь малым зазором необходимо применять топливо с определен­ ной вязкостью. Требования к вязкости топлива обусловливаются дву­ мя причинами.

Во-первых, вязкость топлива должна быть такой, чтобы обеспечить минимальное подтекание его через зазоры в плунжерных парах. Работа топливного насоса харак­ теризуется так называемым коэф­ фициентом подачи (рис. 44):

113

предел вязкости дизельных топлив был уменьшен до 2 сСт при 20°С. Исследование топлив широкого фракционного состава и выявление особенностей работы мкоготопливных дизельных двигателей показали, что и эта величина может быть уменьшена. Очевидно, единой нормы на минимальную вязкость дизельного топлива вообще не следует искать, так как для каждого двигателя этот предел может быть свой в зависи­

топлива может увеличиваться в 6—10 раз (см. рис. 43). Известно, что с увеличением молекулярного веса топлива, т. е. с утяжелением его фракционного состава, степень повышения его вязкости с ростом дав­ ления возрастает. Иными словами, с увеличением давления вязкость дизельных топлив растет быстрее, чем вязкость бензинов. При этом чем выше давление, тем сильнее увеличивается вязкость топлив.

Повышение вязкости дизельных топлив с ростом давления учиты­ вают и при расчете гидравлических потерь в нагнетательных трубо­ проводах системы впрыска.

Таким образом, применение высоких давлений в ‘современных на­ сосах (до 1500 кгс/см2 и более) позволяет изменить требования к мини­ мально допустимому уровню исходной вязкости топлива, так как при этих давлениях плунжерные пары значительную часть времени сопри­ касаются с топливом, имеющим вязкость, во много раз превосходящую ее первоначальное значение.

На основании исследований и эксплуатационных испытаний уста­ новлено, что для летней эксплуатации дизельных двигателей вяз­ кость топлива при 20е С не должна быть менее 3,0 и более 8,0 сСт; для зимней — не менее 2,2 и не более 6,0, а для сурового климата арктиче­

114

В интервале температур, достаточно удаленном от критической точ­ ки, изменение поверхностного натяжения с температурой можно при­ нять линейным и пользоваться следующей формулой:

Поверхностное натяжение топлив зависит от их химического со­ става. Ароматические углеводороды имеют значительно большую величину поверхностного натяжения, чем парафиновые и нафтеновые. Для дизельных топлив существенную роль имеет содержание в них поверхностно-активных примесей, таких, как смолистые вещества, сернистые и другие соединения. Чем выше содержание этих веществ в топливе, тем больше его поверхностное натяжение на границе с воз­ духом. Хорошо очищенные малосернистые топлива имеют минимальные значения величины поверхностного натяжения и обеспечивают хорошее распиливание и смесеобразование.

Фракционный состав и давление насыщенных паров дизельных топлив оказывают большее влияние на процесс смесеобразования в дви­ гателях с неразделенной камерой, чем в двигателях с разделенной камерой. Топлива легкого фракционного состава испаряются быстрее (табл. 33), вследствие чего уменьшается время, необходимое для обра­ зования однородной топливо-воздушной смеси. Однако чрезмерное облегчение фракционного состава ведет к нарушениям в работе двига­ теля. Из-за повышенной испаряемости топлива к моменту самовоспла­ менения рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров, воспламенение которых приводит к резкому возра­ станию давления. Появляется так называемая жесткая работа дви­ гателя.

Кроме того, на испарение топлива затрачивается большое коли­ чество тепла, вследствие чего резко понижается температура в отдель­ ных зонах камеры сгорания, что затрудняет течение предпламенных

116

форсунок и т. д. Кроме того, часть несгоревшего топлива стекает в картер по стенкам цилиндра, смывая с них смазку. В этом случае происходит повышенный износ цилиндро-поршневой группы и уско­ ренное загрязнение смазочного масла.

Таким образом, для быстроходных автомобильных дизельных двигателей необходимо применять топлива оптимального фракцион­ ного состава.

Фракционный состав дизельных топлив оценивается так же, как

идля бензинов, температурами выкипания 10%, 50% и 90% топлива. За конец кипения принимают температуру выкипания 96% топлива. Однако значение отдельных точек фракционного состава для оценки эксплуатационных свойств дизельных топлив и бензинов существенно различается. Пусковые свойства дизельных топлив в какой-то мере характеризует лишь температура выкипания 50% топлива. Высокая температура выкипания 90% и 96% топлива свидетельствует о нали­ чии в топливе тяжелых фракций, которые вызывают ухудшение смесе­ образования, снижение экономичности, повышенное нагарообразование

идымность отработавших газов.

Наиболее подходящими для эксплуатации двигателей в арктиче­ ских условиях являются топлива с концом кипения не выше 330, в зимних условиях — не выше 340 и в летнее время — не выше 360° С. Начало кипения всех топлив должно быть в пределах 180—200° С.

С целью увеличения ресурсов проводятся работы по расширению фракционного состава топлив для быстроходных дизельных двигателей. Эти работы ведутся в двух направлениях.

Первое направление связано с применением дизельных топлив ши­ рокого фракционного состава ( топлива ШФС). Топлива ШФС пред­ ставляют собой смесь 60—65% летнего дизельного топлива с 35—40% бензина прямой перегонки. Такая смесь имеет пределы выкипания от

117

60 до 360е С, вязкость при 20° С равную 1,7—1,8сСт и температуру вспышки ниже минус 5° С. Применение таких смесей позволит увели­ чить ресурсы дизельного топлива на 30—40%.

Второе направление связано с повышением температуры конца кипения (выкипания 96% топлива) для зимних и арктических топлив до 360° С, т. е. до температуры конца кипения летнего топлива. Это мероприятие позволит увеличить выпуск наиболее дефицитных сортов дизельного топлива на 5—10%. Оба указанных направления находятся в стадии исследований и окончательного решения по их реализации не принято.

На процесс смесеобразования влияет способность паров топлива диффундировать в окружающий воздух. Однако в дизельных двига­ телях, имеющих более высокую степень сжатия и сильную турбулизацию воздуха, этот показатель имеет меньшее значение в процессе смесеобразования, чем в карбюраторных двигателях. Дизельные топ­ лива имеют коэффициент диффузии 0,04—0,05 г/см2-с (бензины —

0,09 г/см2 • с).

Скрытая теплота испарения и теплоемкость дизельных топлив так­ же влияют на процесс смесеобразования. Однако роль этих свойств топлива в дизельных двигателях проявляется в меньшей степени, чем в карбюраторных. Это связано, в первую очередь, с большим перепадом температур при впрыскивании топлива в дизельном двигателе. Вели­ чина скрытой теплоты испарения дизельных топлив имеет значение главным образом в период пуска двигателя при относительно невысокой температуре воздуха в конце такта сжатия.

очень ограничены.

§ 3. СГОРАНИЕ

Общие вопросы сгорания топливо-воздушных смесей в двигателях рассмотрены ранее при изложении процессов сгорания бензинов. Здесь мы остановимся лишь на особенностях процесса сгорания в ди­ зельных двигателях и на свойствах топлив, определяющих течение этого процесса.

На рис. 46 показана типичная диаграмма изменения давления р

характер изменения средней температуры газов в камере сгорания t и скорости подачи топлива vT.

Подача топлива начинается за 10—20° поворота коленчатого вала до в. м. т и может заканчиваться как до в. м. т., так и после нее. Угол между началом впрыскивания топлива и в. м. т. называют углом опе­ режения впрыска фвп. В течение некоторого времени после начала впрыска топлива в камеру сгорания воспламенения топливо-воздуш­

118

кает в две стадии. Собственно воспламенению (образованию очагов горячего пламени) предшествует появление холодного пламени.

Появление очагов горячего пламени сопровождается ростом дав­ ления и температуры газов в камере сгорания. Точку 2 на рис. 46, в которой линия повышения давления отрывается от линии сжатия чистого воздуха, условно принимают за начало сгорания, а интервал времени т, (в градусах поворота коленчатого вала) между точками /

и2 — за период задержки воспламенения, или период индукции.

Вслучае двухстадийного самовоспламенения общий период задерж­ ки тг состоит из двух частей: периода задержки холодного пламени

ивторого периода задержки т2.

Топливо-воздушная смесь в камере сгорания дизельного двигателя никогда не бывает однородной по температуре, поэтому развитие предпламенных реакций всегда протекает неодинаково в отдельных ее ча­ стях. Это приводит к тому, что самовоспламенение возникает не одно­ временно во всей массе смеси, а, в первую очередь, в отдельных очагах, от которых оно затем распространяется на смежные объемы. В связи с этим время общей задержки воспламенения складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испа­ рение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая тфиз) и из времени, необходимого для завершения предпламенных ре­ акций и формирования очагов самовоспламенения (химическая со­ ставляющая тхим). Естественно, что физическая составляющая времени задержки воспламенения существенно зависит от конструкционных осо­ бенностей двигателя, поэтому одно и то же топливо в различных двига-' телях может показать разную длительность периода задержки воспла­ менения.

Период задержки воспламенения является как бы подготовитель­ ной фазой процесса сгорания. Собственно процесс сгорания начинается в точке 2. Условно его разделяют на три фазы.

119