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

нения и по совпадению вспышек; у нас в Союзе распро­ странен метод совпадения вспышек.

При эксплуатации дизельных двигателей большое зна­ чение имееет установление оптимального угла опережения впрыска топлива. При большом угле топливо подается в недостаточно нагретый воздух, что увеличивает период за­ держки воспламенения и повышает жесткость работы. Топливо при этом может сгорать до подхода поршня в ВМТ, что ведет к снижению мощности, так как продукты сгорания топлива создают в двигателе противодавление. При запаздывании впрыска значительная часть топлива сгорает на линии расширения, что ведет к снижению Рг, падению мощности, неполному сгоранию топлива, сниже­ нию к.п.д. двигателя. Угол опережения впрыска топлива должен быть оптимальным, т. е. таким, чтобы вторая фаза горения (максимального нарастания давления) закап­ чивалась около ВМТ. Для каждого сорта дизельного топ­ лива подбирается свой (оптимальный) угол опережения впрыска.

В зависимости от группового состава дизельные топ­ лива даже одной марки могут по-разному сгорать в дви­ гателе. Цетановые числа некоторых углеводородов различ-. ного химического состава приведены в таблице 12.

Цетановое число оказывает большое влияние на пуско­ вые свойства топлива: если оно ниже 40 единиц, пустить холодный двигатель не только в зимнее, но даже и в лет­ нее время очень трудно. Нормальный пуск и плавная ра­ бота двигателя в летний период осуществляются на топ­ ливах с цетановыми числами 40—45, а в зимний — лучше

130

топлива с цетановым числом 45—50 единиц. Дальнейшее повышение цетановых чисел (больше 55—60 единиц) для дизелей существующих конструкций уже не оказывает заметного влияния на процесс сгорания.

Если известен групповой химический состав топлива, то цетановое число можно подсчитать по формуле

где П, Н, А — содержание в топливе парафиновых, наф­ теновых и ароматических углеводородов, % по весу.

§6. Влияние свойств топлива на нагарообразование

вдизельных двигателях

Способность обеспечивать чистоту деталей двигателя и топливоподающей системы — очень важный эксплуата­ ционный показатель топлива для быстроходных двигате­ лей. Особенно большие неприятности создает закоксовывание отверстий распылителей форсунок. Кроме этого, нагар и другие углеродистые отложения образуются в каме­ ре сгорания, на клапанах, глушителях, в продувочных окнах (двухтактные двигатели) и др. Закоксовывание форсунок ухудшает распыл топлива, снижает его цикло­ вую подачу, а иногда и прекращает подачу топлива. Нагароотложения ведут к перегреву двигателя, а следова­ тельно, к снижению его мощности и экономичности.

Повышенному накоплению нагара способствуют непол­ нота сгорания топлива, которая может быть из-за повышен­ ной вязкости и тяжелого фракционного состава, снижения давления впрыска, износов деталей форсунки, а главное, наличия в топливе высокомолекулярных смолистых ве­ ществ, лакообразующих соединений, повышенной золь­

стабильность, т. е. способность сохранения физико-хи­ мического состава и свойств топлива при хранении. Наи­ худшей стабильностью обладают непредельные углеводо­ роды, которые под действием времени, температуры, кис­ лорода воздуха образуют смолы и органические кислоты, поэтому содержание непредельных углеводородов в дизель­ ных топливах не допускается.

Показатели качества дизельного топлива, влияющие на образование нагара и нормируемые ГОСТом, следую­ щие: коксовое число, или коксуемость, содержание фак­

тических смол, золы, механических примесей, часто также определяется содержание лака. Но полностью ии один из этих параметров не характеризует эксплуатационных свойств топлива.

Коксовое число — способность топлива давать углис­ тый остаток после его испарения и разложения без доступа воздуха при температуре 800°. Количество остатка зави­ сит от вязкости, фракционного состава топлива и глубины его очистки от смолисто-асфальтовых соединений. До­ пускается коксовое число не более 0,05%. Поскольку эта величина очень невелика, часто определяют коксуемость 10% остатка топлива после его разгонки. В этом случае допустимая величина кокса для топлив, используемых

вбыстроходных дизелях, будет в 10 раз больше, т. е. 0,5%.

Фа к т и ч е с к и е с м о л ы — высокомолекуляр­ ные продукты, содержащиеся в топливе в момент опреде­ ления в виде твердых или полужидких веществ, остающих­ ся после испарения топлива. Количество фактических смол

определяется при температуре 250° на той же установке, как и для карбюраторных топлив (см. главу II, § 9).

З о л а —минеральный остаток после сжигания топ­ лива в атмосфере воздуха при температуре 800—850°. Зола, остающаяся после сгорания топлива, участвует в образовании нагара и, кроме этого, увеличивает износ деталей, поэтому ее содержание строго ограничено и не может превышать 0,02%.

а) Определение склонности топлива к лакообразовашпо. Хорошим показателем, оценивающим склонность топлива к образованию высокотемпературных отложений, на наш взгляд, является содержание в нем лакообразующих ве­ ществ. Прибор показан на рисунке 35.

Металлическую чашечку 1 взвешивают на аналитичес­ ких весах с точностью до 0,0002 г. В чашечку отмеривают пипеткой 1 мл топлива, не содержащего воды и механи­ ческих примесей. На предварительно нагретый до 250° стальной диск 4, помещенный в лакообразователь 3, ста­ вят чашечку с испытуемым топливом.

Во время опыта температуру в лакообразователе под­ держивают постоянной (250+2°). Когда полностью закон­ чится разложение топлива, прекратится выделение паров, а на дне чашечки останется темная лаковая пленка, опыт заканчивают.

Чашечку помещают на фарфоровую или металличес­ кую пластинку, дают ей охладиться до комнатной темпе-

132

Испытание на медную пластинку. В фарфоровую ча­ шечку помещают полированную пластинку из чистой электролитической меди размером 10x25 мм. Полностью покрывают пластинку испытуемым топливом и помещают чашечку в сушильный шкаф, где поддерживается темпера­ тура 50°. В шкафу выдерживают пластинку 2 ч (по ГОСТу требуется 3 ч). После испытания поверхность пластинки сравнивают с цветом пластинки, не подвергавшейся нагре­ ванию. Появление на металле темно-коричневых, серых, а иногда и черных налетов или пятен указывает на при­ сутствие в топливе активных сернистых соединений; та­ кое топливо к эксплуатации непригодно. Цвет пластинки

меняться не должен.

Во многих топливах для быстроходных дизелей, кроме испытания на медную пластинку, которое обязательно должны выдерживать все топлива, проверяют наличие сероводорода. Для этого в делительную воронку наливают 10 мл топлива и такое же количество 2%-ного раствора

ремешивании нагревают до 70—80°. К краю пробирки подносят свинцовую индикаторную бумажку. Если в топ­ ливе присутствует сероводород, то бумажка окрашивает­ ся в коричневый цвет, топливо к применению непригодно.

Органические кислоты, хотя и обладают меньшей кор­ розийной агрессивностью, все же вызывают коррозию емкостей, топливных баков, деталей двигателя. В дизель­ ных топливах их количество допускается до 5 мг/100 мл. Определение проводится так же, как и для бензинов

(глава II, § 10, а).

б) Сернистая коррозия. Основную коррозию деталей двигателя вызывают сернистые соединения, содержащиеся в топливе. Нужно отметить, что чувствительность дви­ гателей разной конструкции к сернистой коррозии раз­ лична в зависимости от теплонанряженности и литровой мощности двигателя. Форсированные, быстроходные ди­ зельные двигатели сильнее подвергаются сернистой кор­ розии, чем тихоходные.

При сгорании серы, содержащейся в топливе, обра­ зуется сернист],ш ангидрид (S02) и небольшое количество более коррозийно-агрессивного серного ангидрида (S03). При избытке кислорода и высокой температуре S 02 в больших количествах переходит в S03, поэтому при повы­

134

шении теплонапряженности двигателя наблюдается более интенсивная газовая коррозия верхней части цилиндра, первого компрессионного кольца и выхлопной системы. При снижении температуры этот износ уменьшается. Од­ нако при значительном снижении температуры деталей двигателя наблюдается сильная жидкостная коррозия, которую вызывают окислы серы при их растворении в воде. При растворении S02 и S03 в воде образуются сер­ нистая и серная кислоты, которые вызывают электрохи­ мическую коррозию металла.

Особенно сильно жидкостная коррозия проявляется в холодное время года при пусковых режимах, когда уси­ ливается возможность конденсации паров воды. В продук­ тах сгорания топлива содеряштся окислы серы и пары воды (от сгорания водорода топлива), при температурах ниже 100° вода конденсируется и растворяет кислотные окислы. Чем больше прорыв газов в картер двигателя и выше со­ держание серы в топливе, тем сильнее износ от жидкост­ ной коррозии. На возникновение жидкостной коррозии влияет режим работы двигателя. В малонагруженных дви­ гателях при низкой температуре охлаждающей воды про­ является жидкостная коррозия, вызывающая главным образом износ подшипников. Это имеет место при движе­ нии автомобиля в крупном, многонаселенном городе (дви­ жение с небольшими скоростями, частые остановки ав­ томобиля). Тракторные двигатели, обычно работающие с нагрузкой, близкой к номинальной, более подвержены га­ зовой коррозии. Следовательно, детали двигателя, сопри­ касающиеся с продуктами сгорания топлива в зоне дей­ ствия высоких температур (где невозможна конденсация топлива), подвергаются газовой коррозии. В местах с низ­ кими рабочими температурами, где возможна конденса­ ция воды, проявляется жидкостная (кислотная) коррозия.

Износ деталей двигателя тесно связан с содержанием серы в дизельном топливе. Так, обобщая наши и другие исследования, можно сказать, что увеличение серы в топ­ ливе с 0,15—0,2% до 0,5% повышает износ на 25—30%, при увеличении серы до 1,0% износ возрастает вдвое. Сера в топливе не только повышает коррозийное изнаши­ вание, но и способствует более быстрому накоплению на­ гаров, повышению их плотности и твердости, увеличивая механический (абразивный) износ деталей. Существует мнение, что сера оказывает каталитическое действие на процессы окисления масла, так как обычно при работе

135

Электроды соединяют с проводами. Затем включают гок, проволочка перегорает внутри топлива, от образую­ щейся искры (в атмосфере кислорода) загорается топливо. На весь процесс сгорания и охлаждения бомбы достаточно 10 мин. Бомбу вынимают, вытирают насухо, выпускают продукты сгорания и избыточный кислород, а затем от­ винчивают кольцо и вынимают крышку.

При сгорании серы, содержащейся в топливе, обра­ зуется S02, который в избытке кислорода окисляется до

S03, a S03 растворяется в воде: S03+ H 20->-H2S04. Угле­ род топлива при сгорании образует С()2, который вместе с избыточным кислородом выпускается в окружающую ат­ мосферу, а водород образует И 20; вода вначале испаряет­ ся, а затем конденсируется па внутренней части крышки бомбы. После опыта в тигле па стенках и крышке бомбы не должно быть сажистых налетов.

Если сгорание прошло успешно, содержимое бомбы пе­ реливают в стакан емкостью 300—350 мл. Внутреннюю часть бомбы, крышку, электроды тщательно промывают дистиллированной водой. Общий объем жидкости в ста­ кане должен быть не более 130—150 мл. В стакан добав­ ляют две капли метилоранжа, раствор окрашивается в красный или розовый цвет (среда кислая), добавляют 2— 3 мл крепкой соляной кислоты, чтобы полное осаждение BaS04 проходило в кислой среде. Раствор доводят до ки­ пения, выпаривают до 60—80 мл и добавляют 10 мл го­ рячего 10%-ного раствора хлористого бария. Раствор в стакане мутнеет, выпадает осадок сернокислого бария

H2S04+BaCl2-B a S 0 4+2HCl.

Образовавшиеся кристаллы BaS04 очень мелкие, они свободно проходят сквозь поры фильтров, поэтому для ро­ ста кристаллов раствор приходится выдерживать на плит­ ке 1,5—2,0 ч или в теплом месте не менее 12 ч.

Холодный раствор фильтруют через плотный беззоль­ ный фильтр «синяя лента». Стакан и осадок на фильтре промывают горячей дистиллированной водой. Затем влаж­ ный фильтр с осадком помещают в предварительно про­ каленный и взвешенный тигель. Тигель с фильтром поме­ щают в муфельную печь, осторожно нагревают (не допу­ ская пламени), обугливают бумагу и прокаливают осадок BaS04. Температура в печи 700—750 °, на все нагревание и прокаливание требуется 30—35 мин. После прокалива­ ния тигель должен быть чистым, а осадок BaS04 белым, кристаллическим. Тигель с осадком взвешивают, опреде­

137

ляют массу сернокислого бария (Ь) и подсчитывают содер­ жание серы по формуле

вании сернистых топлив наибольшему коррозийному из­ носу подвергаются стенки цилиндра и верхние компрес­ сионные кольца, поэтому эти детали изготовляют из кор­ розийно-устойчивых материалов. Особенно резко износ снижается при использовании хромированных гильз и ко­ лец, но из-за дефицитности они не имеют пока массового применения.

Хорошие результаты снижения сернистой коррозии дают присадки, добавляемые к дизельному топливу; при­ меняются в стационарных установках. Из соединений, до­ бавляемых в топливо, распространен газообразный ам­ миак, который в количестве 0,10—0,16% от массы топлива вводится вместе с поступающим для горения воздухом. Данный способ разработан проф. Б. В. Лосиковым. Аммиак реагирует с промежуточными продуктами окисления топ­ лива (перекисями, сульфосоединениями) и разрывает окислительные цепи; при высокой температуре аммиак распадается с образованием азотсодержащих радикалов, тормозящих окисление. В результате резко снижается ко­ личество S03, который наиболее агрессивен. Введение га­ зообразного аммиака не только снижает износ, но также уменьшает образование нагара на деталях двигателя.

Вкачестве присадки используется хорошо растворимый

втопливе нафтенат цинка, который добавляют в топливо

вколичестве 0,25—0,30%. Считают, что окись цинка, об­ разовавшаяся при сгорании топлива с данной присадкой, взаимодействует с окислами серы, связывая их в сульфат­ ные соединения (ZnS04). Работы по изысканию и исполь­ зованию эффективных присадок к топливу проводятся довольно широко, но в сельском хозяйстве они пока не применяются. Реальным методом борьбы с сернистой кор­ розией в условиях сельскохозяйственного производства является использование смазочных масел, содержащих антикоррозийные присадки.

138

В настоящее время во все моторные масла вводят мно­ гофункциональные присадки для улучшения их эксплуа­ тационных свойств. О присадках более подробно будет сказано в главе IX. Здесь отметим только, что присадки — очень сложные комплексные соединения. Одной из функ­ ций присадок является снижение сернистой коррозии, что осуществляется нейтрализацией образующихся при сгорании топлива кислотных окислов щелочными компо­ нентами присадки. Концентрация присадок зависит от форсировки двигателя, его теплонапряженности и содер­ жания серы в топливе. Чем выше теплопапряженность двигателя и содержание серы, тем с большим количеством присадок требуются масла.

§ 8. Другие свойства дизельных топлив

а) Механические примеси. Механические примеси в топ­ ливах для быстроходных дизелей стандартом не допускают­ ся. Топливо загрязняется механическими примесями при несоблюдении правил перевозки, хранения и заправки.

Размеры частиц, состав и количество примесей могут быть различными. Наиболее вредны кварциты и глино­ земы, так как они обладают высокой твердостью и вызы­ вают абразивный износ деталей системы питания двигате­ лей. Прецизионные пары топливных насосов имеют зазоры 1,5—3,0 мкм, поэтому даже небольшое количество приме­ сей, проходящих с топливом, вызывает повышенный износ плунжерных пар. В результате снижается цикловой заряд топлива, топливо подтекает, ухудшается качество распыла, нарушается регулировка топливного насоса, появляются перебои в работе двигателя. При использовании топлив, содержащих механические примеси, топливные фильтры тонкой очистки быстро выходят из строя, снижается про­ изводительность, что также ухудшает работу двигателей.

Основная масса механических примесей в большинстве случаев состоит из кварца (пылинки, песчинки) с размера­ ми частиц от 1 до 20 мкм. Для удаления механических примесей дизельное топливо нужно фильтровать перед заправкой его в баки машин.

О п р е д е л е н и е м е х а н и ч е с к и х п р и м е ­ с е й . ГОСТ 6370—59 предусматривает определение ме­ ханических примесей весовым способом. Среднюю пробу топлива в количестве 100 мл или 100 г (взвешенную на техноаналитических весах) разбавляют двумя частями

13U