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

К моменту окончания периода задержки значительная часть впрыс­ нутого топлива успевает испариться и начавшийся процесс сгорания охватывает все новые и новые порции смеси. Продолжающее поступать топливо быстро сгорает по мере его испарения и смешения паров с воз­ духом, причем воспламенение в этот период происходит главным об­ разом за счет смешения с горячими продуктами сгорания ранее подан­ ного топлива. Этот период, называемый периодом быстрого сгорания, характеризуется быстрым нарастанием давления и температуры в ка­ мере сгорания.

За момент окончания первой фазы процесса сгорания условно при­ нимают точку максимума давления на индикаторной диаграмме (точка 3).

После фазы быстрого сгорания наступает фаза замедленного го­ рения, в течение которой давление меняется незначительно. В этот период времени прекращается подача топлива, однако процесс сгора­ ния продолжается и температура газов растет. Некоторое снижение давления в течение второй фазы объясняется увеличением объема ка­ меры сгорания вследствие движения поршня. Момент окончания второй фазы принято определять по точке максимума температуры цикла (точка 4).

Процесс сгорания не заканчивается в точке 4. Уже на линии рас­ ширения происходит догорание остатков несгоревшего топлива и про­ дуктов его неполного сгорания, образовавшихся в зонах местного переобогащения смеси. Скорость догорания определяется скоростью диф­ фузии и турбулентного смешения остатков топлива с воздухом. Фаза догорания захватывает значительную часть такта расширения ( до 70— 80° угла поворота коленчатого вала после в. м. т.). Характер проте­ кания фазы догорания в значительной мере определяет дымность и ток­ сичность отработавших газов двигателя.

Свойства применяемого топлива оказывают влияние практически на все фазы сгорания. Но в наибольшей мере свойства топлива опре­ деляют подготовительную фазу — период задержки воспламенения. Влияние свойств топлива на одну из составляющих общего периода задержки тфия мы рассмотрели выше. Здесь рассматривается влияние свойств топлива на вторую составляющую тхпм.

Длительность периода задержки воспламенения в значительной мере определяет последующее течение всего процесса сгорания. При большой длительности периода задержки возрастает количество введен­ ного топлива к моменту его воспламенения, увеличивается количество испарившегося топлива, улучшается однородность топливо-воздушной смеси и степень ее химической подготовки. Поэтому начавшийся про­ цесс сгорания в этом случае идет весьма интенсивно с участием боль­ шого объема хорошо подготовленной смеси. В этом случае в первой фа­ зе сгорания резко возрастает скорость нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала двигателя — появляются характер­ ные стуки. Такую работу двигателя называют жесткой. Если давление в камере сгорания увеличивается при повороте коленчатого вала на один градус не более чем на 4—6 кгс/см2 (для различных двигателей

120

эта величина не одинакова), то двигатель работает мягко. Большие величины приращения давления соответствуют жесткой работе.

При жесткой работе возникают ударные нагрузки на поршень, увеличивается максимальное давление на подшипники, вызывая их ускоренный износ, а иногда и механическое разрушение. Жесткая ра­ бота дизельного двигателя может сопровождаться деформацией порш­ невых колец (вплоть до их поломки) и прорывом в картер значительного количества газов.

При прочих равных условиях уменьшение длительности задержки воспламенения обусловливает более плавное изменение давления, т. е. более мягкую работу двигателя. Однако чрезмерное сокращение периода задержки воспламенения ведет к уменьшению полноты сгора­ ния. При коротких задержках воспламенения процесс сгорания начи­ нается сразу же после начала подачи и большая часть топлива впрыски­ вается не в воздух, а в продукты сгорания. Капли топлива при этом бы­ стро испаряются, не успевая достигнуть тех зон камеры сгорания, в ко­ торых кислород воздуха еще не израсходован. Процесс смесеобразо­ вания резко ухудшается, падает мощность и экономичность двига­ теля.

Топлива в зависимости от их состава, могут существенно различать­ ся по длительности периода задержки воспламенения. Для обеспечения нормального течения процесса сгорания необходимо применять топ­ лива, имеющие оптимальную длительность периода задержки воспла­ менения.

Для стандартной характеристики топлив по длительности периода задержки воспламенения пользуются специальной установкой с одно­ цилиндровым двигателем—ИТ 9-3. Двигатель установки с переменной степенью сжатия работает с постоянной частотой вращения коленча­ того вала (900 об/мин) при впрыске топлива под давлением 106 кгс/см2 за 13° поворота коленчатого вала до в. м. т.

Сущность определения воспламеняемости дизельных топлив на установках ИТ 9-3 по методу совпадения вспышек заключается в сравнении испытываемого образца топлива с эталонными топливами, воспламеняемость которых известна. В качестве эталонных топлив применяют два индивидуальных углеводорода: цетан (н-гексадекан Q«H 34) и а-метилнафталин (СПН40), которые резко отличаются по вос­ пламеняемости. Цетан имеет малый период задержки самовоспламе­ нения, и его воспламеняемость принята за 100 единиц, а а-метилнаф- талин имеет большой период задержки, и его воспламеняемость при­ нята за 0. Смеси цетана с а-метилнафталином в различных соотноше­ ниях обладают разной воспламеняемостью.

Оценка воспламеняемости топлива проводится следующим образом. При работе на испытуемом топливе изменением степени сжатия дви­ гателя добиваются такого положения, чтобы при начале впрыска за 13° поворота коленчатого вала (ПКБ) до в. м. т. сгорание смеси на­ чиналось ровно в в. м. т., т. е. период задержки воспламенения рав­ нялся 13°. Затем подбирают такую смесь цетана и а-метилнафталина, которая при этой же степени сжатия обладала таким же периодом задержки воспламенения (13°). Процентное (по объему) содержание це­

121

тана в такой смеси принимают за цетановое число испытуемого топ­

лива.

Например, если испытуемое топливо в камере сгорания одно­ цилиндрового двигателя воспламеняется так же, как смесь 45% це­ тана и 55% а-метилнафталина, то данное дизельное топливо имеет цетановое число 45.

Величина цетанового числа топлива определяет скорость химиче­ ских процессов подготовки смеси к воспламенению и поэтому харак­

122

лив легла в основу создания эмпи­ рической формулы для оценки воспламеняемости топлив расчетным пу­

тем. Введено понятие «дизельный индекс», который рассчитывается по известной плотности топлива при 15° (р*6) и анилиновой точке в сС(А).

(Л-1,8 + 32) (141,5-131,5pj6)

Д и з . ИНД. =

100 р16

Анилиновой точкой называют ту наименьшую температуру, при которой определенное количество анилина полностью растворяется в определенном количестве топлива. Чем ниже содержание аромати­ ческих углеводородов в топливе, тем выше его анилиновая точка. Например, анилиновая точка цетана равна плюс 94,4° С, а-метил- нафталина минус 17,8° С. Плотность топлива в этой формуле характе­ ризует его фракционный состав, а также содержание ароматических углеводородов, плотность которых выше, чем плотность парафиновых

123

ЦЧ = 6 0 - — .

2

Чем выше октановое число топлива, тем ниже его цетановое число и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций всегда ведет к снижению цетанового числа.

Для повышения цетанового числа дизельных топлив могут исполь­

перекисные соединения и алкилнитраты (соединения, отвечающие общей формуле R — 0N 02, где R — радикал, например этил, изо­ пропил, амил и т. д.).

Перекисные соединения обычно при хранении топлив подвер­ гаются дальнейшему окислению, и их эффективность падает, поэтому практического применения они не получили. В качестве присадки к дизельным топливам в небольших количествах применяют изопропилнитрат.

Величина цетанового числа определяет пусковые свойства дизель­ ных топлив. С увеличением цетанового числа применяемого топлива пуск двигателя облегчается (рис. 52). Однако это положение справед­ ливо для топлив, лишь незначительно различающихся по фракцион­ ному составу. При большой разнице во фракционном составе тяжелое топливо с высоким цетановым числом часто оказывается хуже по пу­ сковым свойствам, чем легкое топливо с более низким цетановым чис­

ленчатого вала при пуске лежит в пределах 30—50 об/мин, то для дизельного двигателя она должна быть не менее 100—300 об/мин, так

124

Рис. 52. Влияние цетанового числа зим­ него дизельного топлива на продолжи­ тельность пуска двигателя ЯАЗ-204 (температура воздуха минус 15—17° С); сплошная линия — пуск двигателя;

штриховая линия — первая вспышка

Рис. 53. Влияние температуры выкипа­ ния 50% дизельного топлива на про­ должительность пуска (цифры под точ­ ками — цетановые числа)

как только при этом условии может быть достигнута температура са­ мовоспламенения топлива.

Для того чтобы обеспечить столь высокую скорость вращения ко­ ленчатого вала, дизельные двигатели, как правило, пускают с помо­ щью различных вспомогательных пусковых устройств или средств (сжатый воздух, бензиновые пусковые двигатели, пусковые жидко­ сти, подогреватели, стартеры и т. д.).

Рассмотренный материал показывает, что в высокооборотных ав­ томобильных дизельных двигателях следует применять топливо с це­ тановыми числами от 45 до 50 ед. Повышение цетанового числа топлива ведет лишь к его удорожанию, не вызывая каких-либо существенных улучшений эксплуатационных свойств.

§ 4. СКЛОННОСТЬ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ В ДВИГАТЕЛЯХ

При сгорании топлив в дизельных двигателях на стенках камеры сгорания и выпускных клапанах отлагается нагар. Нежелательные последствия отложения нагара в дизельных двигателях несколько иные, чем в карбюраторных. Теплоизолирующее действие нагара и его объемное влияние на степень сжатия для дизельного двигателя не имеют такого решающего значения, как для карбюраторного.

Отложение нагара на выпускных клапанах дизельного двигателя ведет к нарушению их посадки и потере герметичности. Обрастание нагаром продувочных окон ухудшает продувку цилиндров.

Основные же отрицательные явления в дизельных двигателях связаны с образованием отложений на форсунках. Наличие нагара на распылителях приводит к искривлению факела, ухудшению ка­ чества распыливания, появлению дымного выпуска отработавших газов, снижению экономичности двигателя. Образование отложений на иглах распылителей форсунок приводит к их зависанию, т. е. та­ кому положению, когда игла перестает плотно садиться в свое гнез­ до и не перекрывает канала распылителя форсунки. В этом случае

125

начинается подтекание топлива, падает мощность и экономичность двигателя, появляется дымный выпуск отработавших газов.

Отложения на различных деталях камер сгорания отличаются по своему характеру. На днищах поршней и стенках головки цилинд­ ров нагар более плотный, довольно твердый, темно-серого цвета, не­ растворимый в различных растворителях. На иглах форсунок нагар обычно более мягкий, смолистый, соломенного цвета. Иногда отложе­ ния на иглах форсунок носят характер лака, по внешнему виду по­ хожего на лак, отлагающийся на боковых поверхностях поршней.

Нагарообразование в дизельных двигателях протекает неравно­ мерно по времени. В первые часы работы двигателя этот процесс идет более интенсивно (рис. 54), затем несколько замедляется, достигая равновесного состояния (количество образующегося нагара пример­ но равно количеству выгорающего нагара). С увеличением степени сжатия двигателя количество образующегося нагара несколько воз­ растает (рис. 55).

Нагарообразование, кроме конструктивных факторов и режима работы двигателя, зависит от качества применяемых топлив. Среди прочих физико-химических свойств на образование отложений влияют: фракционный состав, общее содержание сернистых соединений, со­ держание меркаптановой серы, количество и строение непредельных и ароматических углеводородов, количество и характер смолистых, неуглеводородных примесей.

Более тяжелые дизельные топлива образуют большее количество нагара. Так, если облегченные дизельные топлива типа керосинов (выкипающие в пределах от 13 ! до 280° С) в определенных условиях дают 100—140 мг нагара на 1 кг топлива, то в этих же условиях то­ варные дизельные топлива (выкипающие в пределах от 160 до 360° С) образуют нагара 245—265 мг/кг, а топлива утяжеленного фракцион­ ного состава (выкипающие до 400—420° С) — до 360 мг/кг.

В технических требованиях на автомобильные дизельные топлива регламентируется температура перегонки 96% топлива, которая не должна быть выше 360° С.

Чем выше содержание серы в топливе, тем большее количество нагара и лака образуется при его сгорании (табл. 34). Сера, содер-

126

• Нагары сняты с верхнего пояса гильзы цилиндров.

жащаяся в топливе, влияет не только на количество образующегося нагара, но и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность.

Влияние серы на нагарообразование является одной из причин ог­ раничения ее содержания в товарных дизельных топливах. Снижение содержания серы в топливах достигается путем гидроочистки. При

Среди сернистых соединений, содержащихся в дизельных топливах, наибольшее влияние на нагарообразование оказывают меркаптаны. В присутствии меркаптанов ускоряется окисление нестабильных сое­ динений дизельного топлива и тем самым увеличивается скорость об­ разования отложений. В частности, удаление меркаптанов из серни­ стого дизельного топлива приводит к тому, что в 2—5 раз уменьшается толщина лаковых пленок на иглах, а температура начала осмоления игл распылителей форсунок повышается на 25—30° С. Это является одной из причин ограничения содержания меркаптановой серы в то­ варных дизельных топливах величиной не более 0,01%.

Среди углеводородов, содержащихся в дизельных топливах, на­ ибольшее влияние на процесс нагарообразования оказывают арома­ тические и непредельные. Влияние ароматических углеводородов на нагарообразование можно видеть на примере смесей индивидуаль­ ных углеводородов — цетана и а-метилнафталина.

127

Количество нагара, снятого с нагарника установки ИТ 9-3, мг/кг

128

примесей попадет в нагар. Увеличение количества золы в нагаре ведет

кповышению его абразивных свойств. Допустимое содержание золы

вавтомобильных дизельных топливах составляет 0,01—0,02%. Товарные автомобильные дизельные топлива, отвечающие указан­

ным выше требованиям по фракционному составу, йодному числу, со­ держанию фактических смол, общей и меркаптановой серы, зольности и коксуемости, обеспечивают работу двигателей на всех режимах

снезначительным образованием отложений.

§5. КОРРОЗИОННАЯ АГРЕССИВНОСТЬ

Коррозионные свойства дизельных топлив

Коррозионная агрессивность дизельных топлив, так же как и ав­ томобильных бензинов, зависит главным образом от количества и строе­ ния неуглеводородных примесей. Общее содержание неуглеводород­ ных примесей, влияющих на коррозионную агрессивность (кислород­ ные и серооргаиические соединения), в дизельных топливах в 3—5 раз больше, чем в автомобильных бензинах.

Среди кислородных соединений дизельных топлив преобладают нафтеновые кислоты и другие кислородсодержащие вещества, пере­ ходящие в топливо из нефти в процессе прямой перегонки. Эти соеди­ нения, как правило, имеют невысокую коррозионную агрессивность и не они определяют общую агрессивность дизельных топлив, получен­ ных прямой перегонкой нефти. При получении товарных дизельных топлив на некоторых заводах к топливу прямой перегонки добавляют до 20% каталитического газойля. В состав каталитического газойля