книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

Нагар в камере сгорания двигателя состоит из углистых ве­ ществ, соединений металла и элементов выносителя. Например, в присутствии этиловой жидкости в состав отложений входят различ­ ные соединения свинца, брома и хлора. На деталях двигателя мо­ гут отлагаться окись свинца, галоидный свинец и комплексные оксигалоидные соединения свинца. В присутствии окислов серы об­ разуются сульфат свинца и его комплексные соли с окисью свинца. На более горячих деталях (выпускные клапаны, свечи) нагар вклю­ чает до 81—86% высокоплавких соединений свинца, на более хо­ лодных деталях (поршень, головка цилиндра) количество соедине­ ний свинца в нагаре достигает 60—70%.

Присутствие ТЭС в бензинах особенно сильно увеличивает его склонность к отложениям в двигателях с высокой степенью сжа­ тия (г = 9 —10). Вследствие образования нагара с низкой темпе­ ратурой воспламенения, включающего соединения свинца и гало­ идных соединений, в камере сгорания появляются тлеющие части­ цы, которые вызывают преждевременное воспламенение рабочей смеси. Нагар с соединениями металлов на электродах свечей при­ водит к их замыканию. Устранить указанные явления можно до­ бавкой к этилированному бензину фосфор- и борсодержащих при­ садок, например, трикрезилфосфата. Эти присадки повышают тем­ пературу тлеющего нагара в присутствии .соединений свинца и бро­ ма. В присутствии присадок, содержащих фосфор, нагар имеет бо­ лее рыхлую структуру и в меньшей степени снижает электросопро­ тивление свечей, что повышает надежность двигателя.

СТАБИЛЬНОСТЬ

Ф и зи ч е с к а я с т а б и л ь н о с т ь б ен зи н о в . При хранении, транспорти­

ровке и применении бензинов в результате испарения низкокипящих фракций снижаются пусковые качества и детонационная стой­ кость, возрастают потери горючего. При хранении этилированных бензинов может испариться низкокипящий выноситель, это вызовет увеличение отложений в двигателе. Величина потерь от испарения зависит от условий применения, хранения и транспортировки бен­ зина. Потери от испарения бензинов с давлением насыщенных па­ ров при 38° С 260—390 мм рт. ст. за один месяц хранения в назем­ ных полевых резервуарах без дыхательных клапанов в среднем составляют 1—2%. Очень большие потери от испарения горючего возможны из баков самолетов через дренажную систему. Напри­ мер, для бензинов с давлением насыщенных паров при 38° С 300—350 мм рт. ст. за один час полета на высоте 10 км потери от испарения через дренажную систему могут составить 10—12%.

Х и м и ч ес к а я с т а б и л ь н о с т ь . Химическая стабильность бензинов резко снижается при наличии в них непредельных соединений. Для повышения устойчивости к окислению к бензинам добавляют анти­ окислители. В качестве антиокислителей для бензинов, содержа­

л о

щих продукты каталитического и, особенно, термического крекинга, применяются фенолы, алкилфенолы, гидрооксинафталины, амины, аминофенолы и некоторые другие соединения. Наиболее эффектив­ ными антиокислителями среди алкилфенолов являются экраниро­ ванные тризамещенные фенолы. Эффективность таких антиокисли­ телей объясняется тем, что в экранированных фенолах группа ОН защищена разветвленными радикалами, которые затрудняют уча­ стие ингибитора в побочных реакциях окисления. Высокими антиокислительными свойствами обладают аминофенолы, у которых аминогруппа находится в параположении к гидроксильной, а во­ дород аминогруппы частично или полностью замещены бутильным, пзобутильным, фенильным, бензильным радикалами. Аминные и аминофенольные антиокислители имеют склонность к образованию отложений во впускной системе двигателя.

Наиболее распространенные отечественные антиокислители для автомобильных бензинов — это пара-оксидифениламин, древесно­ смольный, фенолы, выделенные из вод полукоксования каменного угля. Недостатком пара-оксидифениламина является его плохая растворимость в бензинах, вследствие чего он вводится в виде ра­ створа в ароматических углеводородах. Фенольные антиокислители из древесной и угольной смол пригодны только для стабилизации горючего, содержащего непредельные углеводороды.

Стабильность бензинов снижается в присутствии сернистых сое­ динений несмотря на то, что некоторые из них задерживают про­ цессы окисления непредельных углеводородов.

Для подавления каталитического действия металлов, особенно таких активных, как медь, могут использоваться деактиваторы ме­ таллов. Сами по себе деактиваторы не обладают значительным антиокислительным действием и должны применяться вместе с ан­ тиокислителями. В качестве деактиваторов металлов для бензинов разработаны 20—50%-ные растворы салицилидена в толуоле или ксилоле. Деактиваторы могут предотвращать распад ТЭС и стаби­ лизировать этилированные бензины в отсутствие антиокислителя.

Присутствие антидетонаторов в бензине снижает химическую стабильность. Под действием кислорода воздуха и солнечного све­ та свинцовые и марганцевые антидетонаторы окисляются и способ­ ствуют окислению углеводородов, которые в отсутствие антидето­ натора достаточно стабильны. Стабильность антидетонатора зави­ сит от состава бензина. Стабильность ТЭС в изоалканах значитель­ но выше, чем в ароматических углеводородах и цикланах.

Каталитическое действие ТЭС на окисление углеводородов можно объяснить возникновением радикалов при диссоциации ТЭС РЬ(С2Н5 ) 4 -*■ (С2Нб)зРЬ--- I-C2H5—. Радикалы при взаимодейст­ вии с исходными углеводородами вызывают продолжение цепи и вырожденное разветвление через гидроперекиси, образующиеся при превращениях перекисных радикалов С2Н5ОО— и ROO—•.

При взаимодействии радикалов (С2Н5)3РЬ— с перекисями воз­ никают соединения свинца и радикалы, которые диссоциируют и

181

Г л а в а 12. Д И З Е Л Ь Н О Е Т О П Л И В О

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ, ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ

Область применения и сорта. Двигатели с воспламенением от сжатия, называемые еще дизелями, получили широкое распростра­ нение в народном хозяйстве и Вооруженных Силах нашей страны. Они являются основными силовыми агрегатами танков, тягачей, большегрузных автомобилей и других видов военной техники. На надводных и подводных кораблях дизели служат основными или вспомогательными силовыми установками.

Горючим для этих двигателей является дизельное топливо. В те­ чение нескольких последних лет в нашей стране среди всех видов горючего для двигателей внутреннего сгорания дизельное топливо занимает первое место по производству. Широкое применение ди­ зельного топлива обусловлено рядом преимуществ:

—высокой эффективностью использования запаса химической энергии топлива, поскольку экономичность цикла дизелей выше, чем других типов двигателей внутреннего сгорания;

—более низкой стоимостью;

■— меньшей пожарной опасностью.

В зависимости от типа двигателя и условий его работы приме­ няются два вида топлив:

—дистиллятное, в состав которого входят керосино-газойле-со- ляровые фракции преимущественно прямой перегонки или с содер­ жанием не более 20% продуктов каталитического крекинга;

—смеси дистиллятов с остаточными продуктами и остаточные продукты переработки нефти.

Дистиллятные топлива применяются на быстроходных дизелях со скоростью вращения коленчатого вала более 1000 об/мин и сред­ ней быстроходности (п —500—1000 об/мин). Для тихоходных ди­ зелей (п <500 об/мин) используются смеси дистиллятов и оста­ точных продуктов или остаточные продукты прямой перегонки, кре­

кинга и их смеси. В связи с разнообразием условий применения и необходимостью расширения ресурсов производства топлива для быстроходных двигателей выпускаются сезонные виды: летнее, зимнее, арктическое, дизельное топливо, а также некото­ рые виды специального горючего, например, для дизелей, кораблей н судов морского флота (ДС и С) и тепловозов (ТЛ и ТЗ).

Указанные виды топлив выпускают двух сортов: малосернистые (ДА, ДЗ, ДЛ, ДС) и сернистые (А, 3, Л, С) дизельные топлива. Сернистое горючее характеризуется повышенным содержанием се­ ры, ароматических алкановых (в том числе высокоплавких) угле­ водородов, смолистых веществ. Циклановые углеводороды и наф­ теновые кислоты в нем содержатся в небольшом количестве.

Дизельное топливо из восточных нефтей преимущественно ал­ кано-ароматического основания, а кавказских — циклано-аромати- ческого.

183

В последнее время в связи с необходимостью расширения ре­ сурсов производства горючего для дизелей проходят испытания топлива широкого фракционного и группового углеводородного со­ става. Эти топлива включают облегченные фракции типа бензина и утяжеленные типа вакуумного газойля.

У сл о ви я п р и м ен ен и я . Рабочий процесс двигателя с самовоспла­ менением имеет следующие особенности:

— смесеобразование происходит непосредственно в камере сго­ рания в весьма короткие промежутки времени, процессы подачи и смешения, как правило, не заканчиваются к началу воспламене­ ния, а продолжают развиваться одновременно с основными стадия­ ми горения;

— топливо воспламеняется без внешнего источника зажигания за счет тепла сильно сжатого воздуха в цилиндре двигателя.

В дизелях система топливопитания значительно сложнее, чем в карбюраторных двигателях. Для обеспечения хорошего смесе­ образования топливо впрыскивается под большим давлением. Для этого используются насосы высокого давления и форсунки или на- сос-форсунки.

В зависимости от типа смесеобразования давление впрыска из­ меняется в довольно широких пределах. Так, давление, при кото­ ром открывается игла форсунки, может быть от 100 до 1500 кг/см2, а средний диаметр капель составляет 10—100 мкм. Давление возду­ ха в конце сжатия достигает 30—40 кг/см2, а в двигателях с надду­ вом и выше. Температура воздуха в конце сжатия обычно превы­ шает 500° С.

В о сп л а м ен е н и е и горен и е. Воспламенение и горение топлива в дизелях осуществляются в гетерогенной горючей смеси, когда часть топлива находится в паровой, а часть в жидкой фазе. Скорость сме­ шения паров топлива с кислородом воздуха является одним из основных факторов регулирования скорости горения в дизеле.

Процесс смесеобразования включает: распыливание топлива, распределение элементарных объемов горючего в камере сгорания, испарение и диффузию паров в окружающую среду воздуха. В бы­ строходных дизелях смесеобразование происходит в течение

0,003—0,006 с.

С началом воспламенения процессы смесеобразования не успе­ вают завершаться во всем объеме камеры и протекают одновре­ менно с процессом горения основной части топливо-воздушного заряда.

Физико-химические преобразования, которым подвергается ра­ бочая смесь в двигателе от начала поступления топлива до выпу­ ска продуктов сгорания, представляют единый непрерывный про­ цесс. В этом процессе можно выделить три стадии, характеризую­

чала впрыска топлива до образования очагов пламени и начала резкого нарастания давления газов на .индикаторной диаграмме.

184

Период времени, занимаемый этими процессами, называется пе­ риодом задержки воспламенения и измеряется в градусах поворота коленчатого вала или в секундах.

Рис. 47. Развернутая индикаторная диаграмма:

/ —линия сжатия воздуха; 2 —линия сгорания; 3—атмосфер­ ная линия; 4 —линия отметки начала и конца подачи топлива; 5—линия отметки в. м. т; / —период задержки самовоспла­ менения; I I —стадия быстрого нарастания давления и регу­ лируемого горения; / // —стадия догорания.

Увеличение давления и температуры в цилиндре в течение этого периода практически целиком определяется ходом сжатия, а изме­ нение давления и температуры вследствие начавшихся физико-хи­ мических процессов подготовки к воспламенению очень мало. Топ­ ливо, поступающее за этот период в цилиндр двигателя, проходит стадию физико-химической подготовки к воспламенению. Сущность этой подготовки заключается в том, что топливо распыливаегся, ис­ паряется, смешивается с воздухом и под действием температуры окисляется. Предпламенные химические превращения в той части горючей смеси, где имеются наиболее благоприятные условия, за­ вершаются цепочно-тепловым воспламенением. Длительность пе­ риода задержки воспламенения оказывает большое влияние на ха­ рактер развития второй стадии процесса горения. Если бы топливо воспламенялось и сгорало немедленно по поступлении в цилиндр, то интенсивность тепловыделения соответствовала бы интенсив­ ности впрыска и скорость процесса горения можно было бы регу­ лировать, изменяя топливоподачу. Чем больше длительность пер­ вой фазы, тем труднее поддается регулированию процесс горения.

В т о р а я с т а д и я занимает время от начала воспламенения до момента достижения максимального давления сгорания. В этой стадии осуществляется как турбулентное гетерогенное горение, так

185

и самовоспламенение подготовленной горючей смеси. Начальная стадия процесса характеризуется большой скоростью нарастания давления и температуры в камере сгорания.

Большое влияние на процесс горения в этой стадии оказывают скорость смешения и подвода кислорода в зону реакции, а также степень предпламенной подготовки горючей смеси, по которой рас­ пространяется пламя.

Когда задерживается возникновение начальных очагов воспла­ менения и предпламенная физико-химическая подготовка развива­ ется медленно, возможно появление практически одновременно большого количества начальных очагов воспламенения. Если ог этих очагов распространяется турбулентная зона горения с нор­ мальной скоростью горения, то работа двигателя протекает с до­ пустимыми величинами нарастания давления по углу поворота ко­ ленчатого вала. В условиях, когда образуются многочисленные очаги начального воспламенения, а зона реакции распространяет­ ся как последовательное самовоспламенение предварительно под­ готовленной горючей смеси, процесс горения носит взрывной ха­ рактер и обычно приводит к высокой скорости нарастания давле­ ния и «жесткой» работе двигателя.

В конце второй стадии впрыскиваемое топливо попадает в среду пламени, быстро воспламеняется и сгорает но мере поступления.

жительного впрыска — горение в известной степени регулируется характеристиками подачи. Однако несмотря на высокие темпера­ туру и давление в камере сгорания и небольшую задержку воспла­ менения скорость нарастания давления начинает заметно умень­ шаться вследствие расширения газов и увеличения объема камеры сгорания при движении поршня к нижней мертвой точке. В фазе догорания существенно сказывается повышение концентрации про­ дуктов сгорания и уменьшение концентрации кислорода.

Догорание гетерогенной смеси осуществляется в диффузионной области и, следовательно, определяется скоростью смешения и под­ вода кислорода в зону реакции.

Плавная и жесткая работа двигателя. Нормальной считается работа дизеля, когда высокие мощностные и экономические пока­ затели получают при достаточно плавном нарастании давления. Нормальная работа большинства дизелей наблюдается при скоро­ сти нарастания давления 2—7 кг/юм2 град и. к. в. При большей ско­ рости повышения давления двигатель работает жестко, со стуком, а силовые нагрузки на основные детали поршневой и шатунно-кри­ вошипной групп резко возрастают. Это снижает срок службы дви­ гателя, а нередко вызывает выкрашивание подшипников, разру­ шение поршневых колец и быстрый износ поршневых пальцев. По­ вышение жесткости до определенных пределов улучшает мощносгные и экономические показатели работы дизеля. Это объясняется тем, что с повышением скорости горения термодинамические усло­

186

вия осуществления процесса улучшаются, горение развивается,

одновременном обеспечении высокой надежности его работы свя­ зано с преодолением противоречивых требований.

Для быстрого завершения первой’ стадии желательно иметь вы­ сокую воспламеняемость топлива. Чем меньше длительность за­ держки воспламенения, тем меньше жесткость работы и легче под­ дается регулированию интенсивность тепловыделения в процессе горения путем изменения характеристик впрыска и других факто­ ров, от которых зависят скорости испарения и смешения. Однако быстрое завершение стадии начального воспламенения ухудшает условия развития следующих стадий горения. Благодаря малой за­ держке воспламенения в начальных стадиях горения участвует не­ большое количество горючей смеси, а включающаяся постепенно в горение топливо-воздушная смесь не имеет достаточной физико­ химической подготовки, несмотря на низкую окислительную ста­ бильность топлива. Поэтому процесс горения развивается плавно и из-за медленного изменения давления с недостаточно высокими экономическими показателями. Кроме того, топливо высокой вос­ пламеняемости имеет низкие нормальные скорости распростране­ ния пламени, что также снижает скорость горения. С ухудшением воспламеняемости задерживается развитие первой стадии горения, благодаря чему увеличивается количество горючего, участвующего в начальном воспламенении. Это ведет к резкому увеличению ско­ рости горения во второй фазе и возникновению «жесткой» работы.

Факторы, влияющие на горение. На характер работы дизель­ ного двигателя влияет продолжительность периода задержки вос­ пламенения, скорость нарастания давления в начальной стадии го­ рения, давление сгорания и продолжительность второй стадии го­ рения. Эти параметры зависят от конструктивных, эксплуатацион­

пламенения оказывает температура. С повышением температуры в камере сгорания ускоряется испарение распыленного топлива'и ин­ тенсифицируются реакции окисления углеводородов.

В результате этого время подготовки топлива к воспламенению сокращается. При высокой температуре даже устойчивые к окис­ лению углеводороды распадаются с образованием активных ради­ калов и молекул с ослабленными внутримолекулярными связями.

П о в ы ш е н и е д а в л е н и я в о з д у х а в камере сгорания также ускоряет химические реакции окисления топлива и приводит

187

к сокращению твс. Это объясняется большим контактом паров топ­ лива и кислорода в рабочей смеси. Следовательно, наддув воздуха, применяемый в ряде дизельных двигателей, и повышение степени сжатия сокращают период задержки воспламенения.

Увеличение степени сжатия, сопровождающееся повышением давления и температуры, ведет к сокращению длительности перио­ да задержки воспламенения (рис. 48). Чем ниже степень сжатия, тем сильнее влияние химического состава топлива на период за­ держки воспламенения.

Степень сжатия

Рис. 48. Влияние степени сжатия на длительность периода задержки вос­ пламенения и скорость нарастания давления в дизеле:

При очень больших степенях сжатия топлива различного хими­ ческого состава воспламеняются примерно с одинаковой задерж­ кой воспламенения.

С увеличением угла опережения впрыска топлива увеличивают­ ся период задержки воспламенения и «жесткость» работы двига­ теля, так как в этом случае топливо начинает подаваться тогда, когда температура воздуха еще недостаточно высока, в силу чего реакции подготовки топлива к воспламенению идут медленно. При слишком позднем впрыскивании топлива предпламенные процессы переходят в такт расширения, когда быстрое снижение давления и температура замедляет их протекание и увеличивает период за­ держки воспламенения.

С увеличенем числа оборотов увеличиваются турбулентность и тепловой режим двигателя. Это благоприятно сказывается на ходе подготовки топлива к воспламенению и продолжительность перио­

188

да задержки воспламенения сокращается, хотя по углу поворота коленчатого вала может возрасти,

С увеличенем числа оборотов уменьшается скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, а следовательно, и «жесткость» работы двигателя.

Мощность дизеля регулируется изменением подачи топлива. При этом возрастает тепловыделение в цилиндре, повышается температура деталей двигателя, поэтому период задержки воспла­ менения сокращается.

Температура охлаждающей жидкости, размеры цилиндра, фор­ ма и материал головки и поршня также оказывают влияние на твс

и, так как от этих факторов зависит тепловое состояние дви­

гателя. Понижение теплового состояния из-за чрезмерного охлаж­ дения воды в радиаторе ведет к «жесткой» работе двигателя.

Требования к качеству дизельного топлива. В соответствии с условиями применения и особенностями рабочего процесса дизелей необходимо:

—обеспечивать надежную бесперебойную подачу топлива в ка­ меру сгорания в соответствии с заданными характеристиками по­ дачи:

—топлива должны обладать воспламеняемостью, обеспечиваю­ щей легкий запуск, плавную работу двигателя на всех эксплуата­

ционных режимах и одновременно высокую скорость горения;

— высокая воспламеняемость топлива должна сочетаться с хо­ рошей испаряемостью и определенными значениями вязкости, плотности и поверхностного натяжения, поскольку эти свойства определяют качество смесеообразования, а вместе с ней полноту

искорость горения:

—топливо не должно образовывать отложения в системе пи­ тания и в цилиндре двигателя в процессе горения, содержать ком­ поненты, склонные к окислению при хранении и транспортировке, а также вещества, вызывающие коррозию деталей двигателя, средств заправки и перекачки;

—топлива не должны быть токсичными, а также не образовы­ вать коррозионно-агрессивные продукты сгорания.

ПРОКАЧИВАЕМОСТЬ

Низкотемпературные характеристики. Топливная система тан­ ков, автомобилей, тягачей и других машин состоит из топливного бака, фильтра грубой очистки, тапли1вопод!ка1чивающего насоса, фильтра тонкой очистки, насоса высокого давления (насос-форсун­ ки) и форсунки.

Необходимым условием нормальной работы двигателей явля­ ется бесперебойная подача топлива в камеру сгорания. О прокачи­ ваемое™ дизельного топлива судят по следующим показателям:

189