книги из ГПНТБ / Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие

дизельных топлив должна быть оптимальной. Как слиш­ ком малая вязкость, так и слишком большая нарушают работу топливоподающей аппаратуры, процессы смесеоб­ разования и сгорания топлива. В ГОСТах на топлива для быстроходных дизельных двигателей нормируются ниж­ ний и верхний пределы кинематической вязкости при 20°.

При пониженной вязкости топливо просачивается че­ рез зазоры в плунжерной паре топливного насоса, нару­ шается дозировка топлива, уменьшается цикловая пода­ ча. Топливо может подтекать через отверстия форсунок, что вызывает повышенное нагарообразование. Топливом смазываются прецизионные пары топливного насоса, при уменьшении вязкости смазочные свойства ухудшаются, что может привести к повышенному износу топливной ап­ паратуры.

При распыливании маловязкого топлива образуются более мелкие и однородные по размеру капли. Это улучша­ ет процессы испарения, смесеобразования и сгорания. При отрицательных температурах топливо с невысокой вязкостью обладает лучшей текучестью в трубопроводах, фильтрах тонкой очистки, насосах, затрачивается меньше энергии на преодоление внутреннего трения.

Если топливо обладает большой вязкостью, то при рас­ пыливании образуются крупные капли, поэтому требует­ ся больше времени на испарение, что приводит к неполно­ му сгоранию топлива и дымлению двигателя, увеличива­

ло

ется нагарообразование, повышается расход топлива. Особенно сильно влияет повышенная вязкость на пуско­ вые свойства зимой. При повышении температуры вязкость уменьшается незначительно, а при отрицательных темпе­ ратурах резко повышается (рис. 31). Чем выше началь­ ное значение вязкости (4-20°), тем сильнее изменения, происходящие при понижении температуры, что приводит к резкому возрастанию сопротивления при движении жид­ кости по топливопроводам, в результате чего может на­ рушаться нормальная подача топлива и работа насоса высокого давления. Поэтому вязкость зимних сортов ди­ зельных топлив должна быть меньше, чем летних.

Испытаниями установлено, что оптимальная вязкость топлив для быстроходных дизелей при 20° находится в пре­ делах 2,0—6,0 сСт, причем летние топлива должны иметь

вязкость ближе к верхнему пределу, а зимние — к ниж­ нему.

§ 3. Низкотемпературные свойства

Важной эксплуатационной характеристикой дизельно­ го топлива являются его низкотемпературные свойства, которые определяют подвижность топлива при отрицатель­ ных температурах. Низкотемпературные свойства оцени­ ваются температурами помутнения, начала кристаллиза­ ции и застывания.

Температурой помутнения называют температуру, при которой теряется фазовая однородность топлива. Визу­ ально топливо начинает мутнеть из-за выделения мельчай­ ших капелек воды, микроскопических кристаллов льда или твердых углеводородов. Постепенно при понижении температуры количество твердой фазы увеличивается, кристаллы растут. Температуру, при которой в топливе появляются первые кристаллы, видимые невооруженным глазом, называют температурой начала кристаллизации.

Температура полной потери подвижности носит название

температуры застывания.

Определение температур помутнения и застывания.

Общий вид прибора для оценки низкотемпературных свойств дизельных топлив показан на рисунке 32. В про­ бирку 5 наливают испытуемое топливо в таком количест­ ве, чтобы ртутный шарик термометра 2 был в середине жид­ кости. Пробирку плотно закрывают пробкой 3 с укреплен­ ным в ней термометром. Собранную пробирку 5 помещают

121

в бензин, происходит интенсивное испарение углекислого газа, что вызывает понижение температуры. Температура до минус 45—50° достигается легко, а этого вполне доста­ точно для испытания зимних топлив.

Помешивая охлаждающую смесь, понижают ее темпе­ ратуру примерно до 0°. Затем в охлаждающую смесь в вертикальном положении устанавливают собранный при­ бор и по термометру 2 следят за понижением температуры испытуемого топлива.

Начиная от +5° может нарушаться фазовая однород­ ность топлива. Для определения температуры помутнения прибор быстро вынимают из охлаждающей смеси и в про­ ходящем свете наблюдают за изменением внешнего вида топлива. Если образец остается прозрачным, прибор по­ мещают в охлаждающую смесь и понижают температуру до 0° (помешивая смесь). При проведении опыта нужно по­ степенно понижать температуру охлаждающей смеси так, чтобы разница между температурами смеси и топлива была не больше 5—7°.

Наблюдения за изменением состояния топлива повто­ ряют при понижении температуры через каждые 5°. От­ мечают первую температуру, при которой замечено из­ менение фазовой однородности (помутнение). После этого продолжают понижать температуру до тех пор, пока топли­ во не застынет (т. е. не потеряет подвижность). При темпе­ ратуре застывания уровень топлива в пробирке, находя­ щейся в охлаждающей смеси и наклоненной под углом 45°, должен оставаться неподвижным в течение 1 мин. В этом опыте температуры помутнения и застывания мож­ но определить с точностью до 5°. Для большей точности нужно очень медленно понижать температуру охлаждаю­ щей смеси и наблюдать за изменением состояния топлива через каждые 2—3°.

Температуры помутнения, кристаллизации и застыва­ ния зависят от химического состава дизельных топлив. У парафиновых углеводородов эти температуры очень высокие, часто даже положительные, поэтому нефти пара­ финового основания используют для получения летних сортов дизельных топлив. Многие нафтеновые углеводо­ роды имеют низкие температуры застывания (ниже минус 50°). Зимние сорта дизельных топлив вырабатывают из нефтей с высоким содержанием нафтеновых углеводоро­ дов. Подбирая сырье, технологию его переработки й очистки, получают зимние сорта дизельных топлив с темпе­

123

ратурами застывания минус 45 или минус 30°. Содержание ароматических и непредельных углеводородов в дизель­ ных топливах крайне нежелательно: первые имеют высо­ кие температуры застывания и ухудшают качество горе­ ния, а вторые снижают стабильность.

Нефтей, пригодных для производства зимних сортов топлив, сравнительно немного, производство их сложное, поэтому зимних топлив вырабатывается значительно мень­ ше, чем летних. Следовательно, зимние сорта нужно ис­ пользовать только в холодное время года и не допускать смешения их с летними сортами топлив.

§ 4. Сгорание топлива в быстроходных дизельных

двигателях

Сложные процессы смесеобразования и сгорания топ­ лива в быстроходных дизельных двигателях происходят за очень короткий период времени (15—20° поворота ко­ ленчатого вала). Это примерно в десять раз меньше, чем в двигателях с внешним смесеобразованием с одинаковой частотой вращения. Горение — сложный процесс быст­ рого окисления, сопровождающийся выделением тепла и света.

Окислению в форме горения с образованием конечных

цессу горения всегда предшествуют распыл топлива в сжа­ том и нагретом воздухе, его перемешивание с воздухом, испарение топлива и только после этих физических про­ цессов протекают сложные химические реакции, заканчи­ вающиеся воспламенением.

Возможность образования горючей смеси и интенсив­ ность ее сгорания зависят от многих факторов, к ним отно­ сятся давление и температура сжатого воздуха, концент­ рация паров топлива в воздухе, тонкость распыла, испа­ ряемость топлива, а главное, химический состав топлива, который определяет температуру воспламенения, период задержки воспламенения и интенсивность распростране­ ния пламени в горючей смеси. При пуске холодного дви­ гателя (особенно в холодное время года) исключительно

важными являются качество распыла топлива и его испа­ ряемость.

124

капливаются неустойчивые кислородсодержащие соеди­ нения (перекиси, гидроперекиси, альдегиды и др.), рас­ пад которых сопровождается выделением части энергии (10—15%), заключенной в топливе; может появиться сла­ бое голубое свечение. Голубое свечение наблюдается при низких температурах (200—400°), светящееся пламя — холодное. В результате предпламенных реакций накапли­ вается тепло (его выделяется больше, чем отводится к стен­ кам камеры сгорания), температура повышается, скоро­ сти химических реакций возрастают, холоднопламенный процесс переходит в горячий, начинается процесс горения (самовоспламеняются промежуточные продукты окисления углеводородов топлива).

В точке 2 начинается процесс горения. Топливо сго­ рает, резко возрастает давление (это вторая фаза горения, которую часто называют периодом резкого нарастания давления). Как видно из графика (рис. 33), этот период продолжается от точки 2 до точки 3 (10—12° поворота ко­ ленчатого вала). В это время выделяется основная масса тепловой энергии (55—70%). Период быстрого сгорания продолжается с момента воспламенения топлива (точка 2) до максимального нарастания давления pz (точка 3). Нужно так организовать процесс, чтобы pz соответство­ вало подходу поршня к ВМТ. Подача топлива еще про­ должается, поэтому во второй период не может сгореть весь цикловой заряд топлива, сгорает только его основная часть. Начинается третий период — замедленного горе­ ния, который продолжается от точки 3 до точки 4 (5—7° поворота коленчатого вала). В эту фазу горения давление в цилиндре двигателя вначале почти не меняется, а затем начинает снижаться, здесь выделяется около 20—25 % энер­

гии, но с меньшей интенсивностью, так как снижается скорость горения.

В начале третьего периода заканчивается цикловая по­ дача топлива, продукты сгорания расширяются, давят на поршень, совершая рабочий ход. Если к концу третье­ го периода сгорело все топливо, то процесс горения закон­ чен, но очень часто в дизелях наблюдается четвертая фаза

став и больше в топливе высокомолекулярных углево­

Чем больше период догорания, тем хуже качество горения—

126

большая неполнота сгорания, дымность выхлопа, выше расход топлива. Если на протекание основных первых трех периодов главное влияние оказывает химический состав топлива, то на четвертый период — физические свой­

ства.

Чем легче и быстрее окисляются углеводороды, вхо­ дящие в состав дизельного топлива, тем больше образует­ ся неустойчивых кислородсодержащих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и короче период задержки воспламенения, мягче и устойчивее работа дви­ гателя. Наиболее склонны к окислению углеводороды па­ рафинового ряда нормального строения, более устойчивы нафтены и изомерные углеводороды парафинового класса, наиболее стойки к окислению ароматические углеводоро­ ды. Обычно с повышением молекулярной массы, т. е. с ростом числа углеродных атомов в молекуле, устойчивость к окислению становится меньше, следовательно, сокраща­ ется период задержки воспламенения.

На период задержки воспламенения влияет вязкость топлива, качество его распыливания, температура и дав­ ление в камере сгорания, коэффициент избытка воздуха. При высокой вязкости и плохом распыливании образу­ ются крупные капли и более короткая струя топлива. Общая поверхность испарения капель большего диаметра меньше, а время их прогрева больше, что замедляет ин­ тенсивность протекания предпламенных реакций. G уве­ личением давления и коэффициента избытка воздуха по­ вышаются температура и количество кислорода в камере сгорания, что ускоряет процесс окисления. При повыше­ нии температуры уменьшается время на нагревание и ис­

парение топлива.

Методы скоростной киносъемки позволили выяснить, что в дизельных двигателях образуются объемные очаги горячего пламени, которые возникают почти одновремен­ но в нескольких местах внешней оболочки струи топлива. Скорость распространения фронта пламени очень высока —

до 1000 м/с.

Количество очагов воспламенения зависит от характе­ ра протекания предпламенных реакций и длительности периода задержки воспламенения.

127

Рис. 34. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя при мягкой ( а ) и жесткой ( б ) работе.

л и б о быстрее воспламеняется и давление нарастает более плавно (отрезок индикаторной диаграммы а от точки 2 до точки 3). В этом случае при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 3,0 кгс/см2 — двигатель работает мягко. Продолжающее поступать топливо вос­ пламеняется за счет имеющихся очагов, и к концу второго периода сгорает основная масса циклового заряда.

Если предпламенные реакции протекают медленно, пе­ риод задержки воспламенения т" увеличивается, очаги вос­ пламенения образуются со значительным опозданием. В цилиндр двигателя продолжает поступать топливо, его накапливается больше, но воспламенение запаздывает. В этом случае воспламеняется большее количество топ­ лива, более интенсивно нарастает давление (отрезок ин­ дикаторной диаграммы б между точками 2' и 3'). При пово­ роте коленчатого вала на 1° давление возрастает на 6,5 кгс/см2 — двигатель работает жестко, слышится характер­ ный стук (ударная нагрузка на днище поршня).

По внешним признакам жесткая работа напоминает детонацию в карбюраторном двигателе, но причины воз­ никновения жесткой работы и детонации противоположны.

При жесткой работе двигателя наблюдается повышенный износ деталей, особенно вкладышей подшипников, дефор­ мация колец, увеличивается прорыв газов в картер двига­ теля, возрастает расход топлива. В зависимости от конст­ руктивных особенностей двигателя жесткая работа бы­

128

вает при разной интенсивности нарастания давления. Обычно считают, что если при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 2,5—5,0 кгс/см2, то ра­ бота мягкая, на 6,0—9,0 кгс/см2 — жесткая, а более чем на 10 кгс/см2 — очень жесткая, вызывающая быстрый выход из строя двигателя. О склонности топлива к воспла­ менению и возникновению жесткой работы судят по це­ тановому числу.

§ 5. Цетановое число

Цетановое число определяют на одноцилиндровой ус­ тановке ИТ9-3, позволяющей работать с переменной сте­ пенью сжатия (от 7 до 23), сравнением работы испытуе­ мого топлива с эталонными углеводородами. В строго стандартных условиях (ГОСТ 3122—67) проводят испытание дизельного топлива, а затем подбирают эталонную смесь, по воспламеняемости эквивалентную испытуемому топли­ ву. В качестве эталонов приняты: цетан или н-гексадекан (Ci6H34), парафиновый углеводород нормального строе­ ния, его формула СН3—СН2—СН2 СН2—СН3 или

CH3-(C H 2)i4-C H 3.

Цетан имеет очень небольшой период задержки вос­ пламенения и он обеспечивает мягкую работу двигателя; его цетановое число принято за 100 единиц. Вторым угле­ водородом принят а-метилнафталин (С10Н7СН3), углево­ дород ароматического ряда, его структурная формула

а-метилнафталин очень трудно окисляется и воспламе­ няется, имеет большой период задержки воспламенения. Условно его цетановое число принято за 0.

Численно цетановое число дизельного топлива равно процентному содержанию (по объему) цетана в смеси с а-метилнафталином, которая по характеру сгорания (са­ мовоспламенению) равноценна испытуемому топливу. Цетановое число определяют тремя методами: по крити­ ческой степени сжатия, по запаздыванию самовоспламе­