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

коэффициенту вязкости, температурам помутнения и застывания, а также по содержанию в топливе воды и механических примесей.

В я зк о с т ь . Производительность насоса, действительный угол опе­ режения впрыска, качество распиливания и износ топливной аппа­ ратуры зависят от уровня вязкости. При небольшой величине вяз­ кости повышается износ плунжеров топливного насоса, игл распы­ лителей форсунок, увеличивается утечка и уменьшается подача.

Уменьшение или увеличение вязкости свыше определенного зна­ чения вызывает ухудшение подачи и распылквания. С повыше­ нием вязкости увеличиваются гидравлические сопротивления в топ­ ливной системе. Для большинства современных быстроходных ди­ зелей оптимальное значение вязкости составляет 3—8 сст при 20° С. Эта величина в пределах обычных эксплуатационных темпе­ ратур изменяется незначительно и мало сказывается на величине подачи. Верхний предел вязкости определяется качеством распыливания, а нижний — надежностью смазки прецезионных пар топ­ ливной аппаратуры.

сокоплавких углеводородов и воды начинает выпадать в виде мик­ рокристаллов, в силу чего топливо теряет прозрачность и мутнеет.

190

Помутневшее топливо сохраняет подвижность, может перека­ чиваться по трубопроводам и наполнять тару. Но при подаче по системам топливопитания двигателя микрокристаллы льда или углеводородов задерживаются фильтром тонкой очистки, оседают на его поверхности в виде парафиновой или ледяной корки, вслед­ ствие чего прекращается подача топлива в двигатель. Нарушение подачи топлива по этой причине особенно часто наблюдается при пуске и прогреве двигателя, когда воздух в моторном отделении не прогрелся.

По мере прогрева двигателя опасность перебоев в подаче топ­ лива из-за забивки фильтра тонкой очистки микрокристаллами па­ рафина уменьшается и при работе прогретого двигателя случается лишь при очень низких температурах, когда сильно охлажденное в топливном баке дизельное топливо не успевает нагреться в тру­ бопроводах. Для обеспечения бесперебойной подачи необходимо, чтобы температура помутнения дизельного топлива была на 3— 5еС ниже температуры окружающей среды.

При дальнейшем понижении температуры помутневшего топли­ ва микрокристаллы углеводородов срастаются и образуют про­ странственную структуру, связывающую жидкую фазу и придаю­ щую топливу студенеобразный вид.

Застывшее топливо не только не может быть подано из топлив­ ного бака в двигатель, им нельзя заправить машину или слить из железнодорожной цистерны.

При энергичном перемешивании происходит разрушение кри­ сталлической структуры. Поэтому подвижность топлива при пере­ качке сохраняется при более низкой температуре, чем темература их застывания. Чем выше гидродинамический напор при прокачивании дизельных топлив, гем легче идет разрушение струк­ туры и тем больше эта разница.

Температура застывания дизельного топлива обычно на 10— 15° С ниже температуры его помутнения.

Отсюда следует, что для обеспечения бесперебойной работы дизельного двигателя при зимней эксплуатации температура за­ стывания топлива должна быть ниже температуры окружающей среды не менее 15—20° С.

Температура помутнения и застывания дизельных топлив зави­ сит от группового углеводородного состава: чем больше содержит­ ся высокомолекулярных алканов, тем выше температура помутне­ ния и застывания.

При зимней эксплуатации автомобилей, танков, тракторов и другой техники необходимо принимать меры для предупреждения помутнения и застывания дизельного топлива.

Для понижения температуры помутнения и застывания в экс­ плуатационных условиях прибегают к разбавлению дизельного топ­ лива тракторным или авиационным керосином. Правда, при этом ухудшается его воспламеняемость.

191

Низкотемпературные свойства дизельных топлив могут быть улучшены присадками. Многие из них значительно понижают тем­ пературу застывания, но очень мало изменяют температуру помут­ нения. Поэтому процессы топливоподачи в двигатель и фильтра­ ции топлива заметно не улучшаются. Существующие присадки — депресаторы—повышают нагарообразующую способность и золь­ ность топлив. Все это привело к тому, что эти присадки пока не нашли применения.

В эксплуатационных условиях для предотвращения выпадения высокоплавких углеводородов рекомендуется обогревать топлив­ ные баки — насосы, фильтры и топливопроводы.

Причиной перебоев в подаче топлива являются также вода и механические примеси, которые забивают топливные фильтры си­ стемы питания дизельных двигателей. Кроме того, вода разрушает фильтрующие элементы фильтров тонкой очистки, если они изго­ товлены из минеральных волокон, склеенных крахмалом. Вода может находиться в виде эмульсии и в растворенном состоянии. Растворенная вода не изменяет внешний вид топлива, а эмульсион­ ная делает его мутным.

Растворенной воды в дизельном топливе содержится незначи­ тельно, обычно не более 0,005%, но и в таком количестве она по­ вышает температуру помутнения, хотя на процесс горения практи­ чески влияния не оказывает.

Эмульсионная вода в дизельном топливе обычно образуется в насосах при перекачке обводненных топлив, при конденсации па­ ров воды, например, при охлаждении влажного воздуха в резер­ вуаре, неполностью заполненном топливом, или при выделении растворенной воды в виде мельчайших капелек при понижении температуры.

Дизельное топливо, содержащее эмульсионную воду, перед заправкой обязательно должно быть обезвожено. Крупные капли воды сравнительно быстро оседают при отстаивании топлива, об­ разуют подтоварную воду, которую легко можно удалить.

Осаждение мелких капелек воды, особенно в холодное время года, идет очень медленно. Так, для полного осаждения эмульсионной воды из дизельного топлива, залитого в горизонталь­ ный резервуар диаметром 2 м, в летних условиях требуется не ме­ нее 3 суток, а осенью 6 —8 . В зимнее время кристаллы практиче­ ски не оседают и находятся в топливе во взвешенном состоянии.

Механические примеси. Неорганические вещества весьма неже­ лательны в дизельном топливе, так как они не только нарушают подачу, но являются причиной повышенного износа форсунок и на­ сосов высокого давления. Обычно механические примеси попадают при хранении и транспортировке. Большинство из них абразивны, поэтому они разрушают края впускных окон и торцов плунжеров. Эти износы ухудшают характеристики распыливания и подачи

192

вают частицы загрязнений, имеющих размеры, близкие к зазорам трущихся поверхностей в прецизионных парах.

Фильтры грубой очистки удаляют из топлива частицы механи­

0 . 0 0 2 мм не всегда задерживаются фильтрующими системами ди­ зельного двигателя. Во избежание этого следует тщательно конт­ ролировать работу и состояние топливных фильтров.

Для предупреждения попадания механических примесей топ­ ливо необходимо отстаивать и заправлять через фильтрующую ткань. Из дизельного топлива механические примеси удаляются очень медленно, особенно зимой при пониженной температуре.

ИСПАРЯЕМОСТЬ

Влияние характеристик топлива на смесеобразование. Обра­ зование смеси в дизелях происходит непосредственно в камере сго­ рания или предкамере. Поступившее топливо проходит через мел­ кие отверстия, распыливается. В струе горячего воздуха топливо нагревается, испаряется, смешиваясь с ним. На смесеобразование отводится чрезвычайно мало времени, примерно в 1 0 раз меньше, чем в карбюраторных двигателях. Поэтому для обеспечения под­ готовки необходимого количества смеси требуется особо тонкое распыливание топлива и достаточно хорошая его испаряемость. При плохом распыливании крупные капли топлива не успевают испариться.

Качество распыливания зависит от конструкции топливной ап­ паратуры и свойств топлива: плотности, вязкости, поверхностного натяжения. На скорость испарения капель топлива и образование однородной рабочей смеси большое влияние оказывает фракцион­ ный состав. С повышением вязкости, плотности и поверхностного натяжения топлива увеличиваются неоднородность распыливания и средний диаметр капелек. Факел распыливания приобретает большую длину при меньшем угле конуса распыливания. Дально­ бойность капелек повышается, и они достигают наиболее удален­ ных объемов камеры сгорания. При понижении вязкости дально­ бойность распыливания падает, но увеличивается рассеивание ка­ пелек и уменьшается их средний диаметр.

Таким образом, с повышением вязкости дизельного топлива ка­ чество распыливания ухудшается и соответственно этому ухудша­ ются показатели рабочего процесса двигателя (табл. 17).

Заметно ухудшаются распыливание и смесеобразование при понижении температуры. Следовательно, для зимней эксплуатации дизелей следует применять менее вязкие топлива. Но чрезмерно малая вязкость также нежелательна. Использование маловязких топлив сопровождается подтеканием через форсунки и плунжер-

ные пары. Так, снижение вязкости с 8 до 3 сст уменьшает по­ дачу топлива через форсунку на 15—16%.

Но в фэрсунках, даг ление впрыска в которых более 1000 кг/см2,.

зависимости износов от вязкости не наблюдается. Это объясняется увеличением вязкости при повышении давления.

Таким образом, верхний предел вязкости определяется тонко­ стью и однородностью распыливания, а нижний — обеспечением надежной смазки плунжерной пары и подтеканием топлива.

Поверхностное натяжение дизельных топлив при 20° С состав­ ляет 26—27 дин/см. При повышении температуры поверхностноенатяжение уменьшается, а при понижении повышается, но в сравнительно небольших пределах.

Влияние испаряемости на работу дизеля. В дизелях испарение топлива происходит в среде нагретого воздуха, поэтому несмотря на малое время, отводимое на смесеобразование, в качестве ди­ зельных топлив могут использоваться горючие более тяжелого фракционного состава, чем бензин. Однако топлива с очень высо­ кими температурами перегонки не успевают испариться в камересгорания даже при достаточно тонком распыливании. В то же вре­ мя топлива легкого фракционного состава хотя и испаряются в двигателях быстро, но воспламеняются с трудом и поэтому неже­ лательны в качестве дизельных топлив. С облегчением до опреде­ ленного предела топлива улучшаются его пусковые качества, пол­ нота сгорания, мощность и экономичность дизеля. Следовательно, для быстроходных дизелей требуются топлива с оптимальным фракционным составом.

Фракционный состав дизельных топлив так же, как и бензинов, характеризуется температурами перегонки 10, 50, 90% и конца ки­ пения, за который принимают перегонку 96 и 98%.

Температура перегонки 10% указывает на наличие в топливе сравнительно низкокипящих углеводородов с плохой воспламеняе­ мостью, содержание которых в дизельных топливах в большом количестве недопустимо. Температура перегонки 50% характери­ зует отчасти пусковые свойства дизельных топлив, так как обра­

194

зование начальных очагов воспламенения зависит не только от ис­ паряемости, но и от воспламеняемости.

Температура перегонки 90 и 96% характеризует наличие в топ­ ливе тяжелых фракций, которые вызывают ухудшение испарения, неполное сгорание, отложение нагара и повышенную дымность от­ работавших газов. Поэтому конец кипения топлив должен быть не выше: арктического 330, зимнего 340 и летнего 360° С. Начало пе­ регонки должно быть не менее 180—200° С.

ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ

Влияние химического состава на воспламеняемость. Строение молекул углеводородов, входящих в состав топлива, является ос­

новным фактором, обусловливающим способность его к воспламе­ нению.

Лучшей воспламеняемостью обладают алкановые углеводороды нормального строения, отличающиеся низкой стабильностью к окислению в паровой фазе, легко образующие перекиси и имею­

щие самые низкие в ряду углеводородов температуры воспламене­ ния (табл. 18).

низкими свойствами по воспламеняемости обладают ароматиче­ ские углеводороды, особенно бициклические без боковых цепей или с короткими боковыми цепями, отличающиеся высокой устойчиво­ стью к окислению в паровой фазе.

После распада колец ароматических углеводородов горение протекает с большими скоростями, что способствует возникновению «жесткой» работы. Наличие боковых цепей улучшает воспламеняе­ мость, причем в тем большей степени, чем длиннее боковая цепь.

Циклановые углеводороды по воспламеняемости занимают про­ межуточное положение между алкановыми и ароматическими. Об этом можно судить по температурам воспламенения. Наиболее высокой температурой воспламенения обладают арома­ тические углеводороды. Нормальные алкановые имеют низкую температуру воспламенения. Температуры воспламенения циклановых и непредельных углеводородов имеют промежуточное зна­

чение. Изомеризация, как правило, повышает температуру воспла­ менения. В большинстве случаев углеводороды и моторные топли­ ва с высокими антидетонационными качествами имеют более вы­ сокую температуру воспламенения, чем топлива с низкой детона­ ционной стойкостью.

С повышением молекулярной массы углеводородов температура их воспламенения понижается. Наивысшей температурой воспла­ менения обладают газообразные углеводороды; несколько ниже — углеводороды, составляющие бензин. Керосин имеет более низкую температуру воспламенения, а газойль и соляровый дистиллят са­ мую низкую.

Оценка воспламеняемости дизельных топлив. Воспламеняемость дизельных топлив оценивают с помощью моторных и расчетно-ла­ бораторных методов.

Сущность моторных методов заключается в сравнении в опре­ деленных условиях воспламеняемости испытуемого топлива с эта­ лонным. В качестве эталонов для сравнения приняты цетан (н-гек-

Воспламеняемость цетана принята за 100 (соответствует цета­

тановое число численно равняется процентному по объемному со­ держанию цетана в его смеси с альфаметилнафталином, которая эквивалентна по воспламеняемости испытуемому топливу, при сравнении их в стандартных условиях испытания.

Известны методы определения цетановых чисел по критической степени сжатия и по периоду задержки воспламенения топлива. Определение цетановых чисел по критической степени сжатия за­ ключается в следующем. Находят ту минимальную (критическую) степень сжатия, при которой еще происходит воспламенение испы­ туемого топлива, и затем подбирают смесь эталонных топлив, имею­ щих ту же критическую степень сжатия, что и оцениваемое топ­ ливо.

Определение цетановых чисел по периоду задержки воспламе­ нения заключается в подборе такой смеси эталонных топлив, кото­ рая имеет ту же длительность периода задержки воспламенения, что и испытуемое топливо.

Применяемые в настоящее время методы оценки воспламеняе­ мости топлив по периоду задержки воспламенения делятся на две группы:

— испытание при постоянном периоде задержки воспламене­ ния и последующем сравнении степени сжатия;

— испытания при постоянной степени сжатия и измерении пе­ риода задержки воспламенения.

196

В Советском Союзе в качестве стандартного метода для опре­ деления цетановых чисел принят метод совпадения вспышек, от­ носящийся к первой группе.

Большой практический интерес представляют расчетно-лабора­ торные методы оценки воспламеняемости, которые основываются на связи, имеющейся между физико-химическими свойствами топ­ лива и периодом задержки воспламенения.

К числу таких методов относится, например, определение ди­ зельного индекса (ДИ). Для его вычисления требуется определить анилиновую точку и плотность топлива, которые с известным при­ ближением характеризуют химический состав топлива:

ЦЧ=0,85 П + 0,1 Н — ОДА,

где П, Н и А — соответственно процентное содержание алкано­ вых, циклановых и ароматических углеводородов в топливе.

Цетановое число в зависимости от фракционного состава и

Ц5р15 ’

где /ср — средняя температура кипения, °С.

197

Эти формулы нельзя применять для топлив широкого фракционного состава, содержащих большое количество бензиновых и ке­ росиновых фракций.

Связь между октановым и цетановым числом определяется вы­ ражением

зимнее время.

Цетановое число оказывает существенное влияние на характер развития процесса сгорания топлива в двигателе. Хорошая воспла­ меняемость обеспечивает плавную работу двигателя и благодаря небольшому периоду задержки воспламенения можно регулиро­ вать скорость тепловыделения путем изменения подачи топлива.

Однако эти преимущества топлива с высокой воспламеняемо­ стью не реализуются в существующих двигателях, а напротив, изза невысокой скорости горения ухудшаются характеристики Сго­ рания.

Для быстроходных форсированных дизелей оптимальное зна­ чение цетанового числа находится в пределах 45—50. При по­ вышении цетанового числа более 60 двигатель работает мягко, но экономичность его уменьшается. При высоком цетановом числе

198

згдержка воспламенения настолько мала, что топливо загорается в камере сгорания тотчас после начала впрыска и очаг горения об­ разуется вблизи головки форсунки. Поэтому воздух, находящийся дальше от места впрыска, не участвует в процессе горения. В ре­ зультате этого топливо сгорает неполностью, увеличивается дым­ ность, экономичность дизельного двигателя падает.

Методы улучшения воспламеняемости. Улучшить воспламеняе­ мость дизельного топлива можно изменением химического соста­ ва или добавлением присадок.

Химический состав изменяется подбором сырья, удалением при очистке ароматических, непредельных и сернистых соединений, а также добавкой к топливу высокоцетановых компонентов. Полу­ чение хорошо воспламеняющихся топлив указанными способами ограничивает ресурсы производства дизельных топлив и увели­ чивает производственные затраты.

Наиболее эффективен метод использования присадок. Их дей­ ствие основано на ускорении предпламенных реакций окисления углеводородов топлива. Это ведет к снижению температуры вос­ пламенения и сокращению периода задержки воспламенения. Из многих веществ, предложенных различными исследователями в ка­ честве присадок, наиболее эффективными оказались нитраты и пе­ рекиси, например,

Применение присадок позволяет использовать в качестве горю­ чего для дизелей компоненты каталитического крекинга и даже бензиновые фракции.

Таблица 19 иллюстрирует характер изменения цетанового чис­ ла дистиллятов при введении в них 2% различных присадок.

ливо с присадками имеет более высокую кислотность и меньшую химическую стабильность.

199