11

Лекция 3. Дизельные топлива

Дизели в сравнении с карбюраторными двигателями обладают такими преимуществами, как высокая экономичность, применение в качестве топлива более широких фракций нефти, меньшая пожароопасность, лучшая приемистость и возможность перехода на режим с нагрузкой без полного прогрева, надежность и долговечность в эксплуатации и т. п. Дизели установлены на всех современных тракторах, на зерноуборочных комбайнах, а также на мощных грузовых автомобилях.

Рабочие процессы дизеля карбюраторного двигателя различаются приготовлением и воспламенением топливовоздушной смеси. В дизеле топливо непосредственно впрыскивается в среду сжатого и высоко нагретого воздуха камеры сгорания, где одновременно происходят образование топливовоздушной смеси и самовоспламенение топлива.

Высокие технико-экономические показатели работы двигателя в значительной мере зависят от качества применяемого дизельного топлива, которое обладает определенными эксплуатационными свойствами и характеризуется физико-химическими показателями.

К дизельному топливу предъявляют следующие требования:

• оптимальное цетановое число, характеризующее воспламеняемость;

• необходимый фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов;

• допустимые вязкость и плотность, обеспечивающие хорошую прокачиваемость, испарение и смесеобразование;

• достаточные низкотемпературные свойства, определяющие работоспособность системы питания при отрицательных температурах окружающей среды;

• низкое содержание серы, непредельных углеводородов и металлов, характеризующих нагарообразование, коррозию и износы;

• высокая химическая стабильность, влияющая на сроки использования, транспортирования и хранения;

• отсутствие вредного воздействия на человека и окружающую среду.

Cамовоспламеняемость топлива и цетановое число

Свойство дизельного топлива, характеризующее мягкую или жесткую работу дизеля, оценивают по его самовоспламеняемости. Эту характеристику определяют путем сравнения работы стандартного дизеля на испытуемом и на эталонном топливе. Оценочным показателем при этом служит цетановое число.

Цетановое число (ЦЧ), определяет способность топлива к самовоспламенению, что является необходимым условием работы двигателя с воспламенением от сжатия. Цетановое число (ЦЧ) дизельного топлива численно равно содержанию цетана (ЦЧ= 100) в смеси с -метилнафталином (ЦЧ=0), которая по температуре воспламеняемости эквивалентна испытуемому дизельному топливу.

Оптимальным цетановым числом является величина 40 - 50. Применение топлива с цетановым числом меньше 40 приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения и повышенной жесткости работы двигателя. При цетановом числе более 50- увеличивается удельный расход топлива за счет уменьшения полноты сгорания топлива и повышается дымность отработавших газов.

Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цетанового числа - 48 единиц.

Для повышения цетанового числа дизельного топлива к нему добавляют специальные высокоцетановые компоненты и присадки.

Для характеристики воспламенения дизельного топлива наряду с цетановым числом используют дизельный индекс (ДИ). Этот показатель нормируется за рубежом и в отечественной технической документации на дизельное топливо, поставляемое на экспорт.

Между дизельным индексом и цетановым числом топлива существует зависимость:

ЦЧ…………..30…………35……..40……..45……..55……….60……..80

ДИ………….20…………30……..40………50……62………..70…….80

Цетановое число определяется разными методами: по совпадению вспышек, по запаздыванию самовоспламенения и по критической степени сжатия. В нашей стране цетановое число определяют по методу совпадения вспышек на установке ИТ9-3М.

Испытания проводят следующим образом. Запускают двигатель установки и задают ему стандартный режим работы. Потом переводят двигатель на испытуемое топливо. Угол определения впрыска устанавливают равным 13⁰ до прихода поршня в ВМТ. Затем изменением степени сжатия добиваются начала самовоспламенения топлива строго в ВМТ. После этого в тех же условиях переводят двигатель на смесь цетана с -метилнафталином, подбирая такой состав, чтобы она при найденной степени сжатия также воспламенялась в ВМТ. Тогда процентное содержание цетана в этой смеси и даст цетановое число испытуемого топлива.

Цетановое число можно приблизительно рассчитать по некоторым формулам.

Исходя из углеводородного состава цетановое число определяется по выражению

где П,Н и А – содержание в дизельном топливе соответственно парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, % по массе.

В данной лабораторной работе цетановое число определяется по выражению

где - относительная плотность дизельного топлива при 20⁰ С, определяемая экспериментально.

- кинематическая вязкость дизельного топлива при 20⁰ С, определяемая экспериментально при помощи вискозиметра.

Кинематическая вязкость характеризует сопротивление жидкости течению под влиянием гравитационных сил.

Метод определения кинематической вязкости заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести.

Смесеобразующие свойства

Под процессом смесеобразования в дизеле понимают весь комплекс сложных физических и химических явлений, протекающих от момента впрыскивания топлива в камеру сгорания до воспламенения последней его порции.

В дизеле топливо впрыскивается непосредственно в среду сжатого воздуха камеры. Особенности дизелей позволяют применять для них топливо с меньшим давлением насыщенных паров и содержащее более тяжелые фракции по сравнению с бензинами. Образование рабочей смеси в дизеле зависит от множества факторов, к основным из которых относятся: температура и давление в камере сгорания; надежность подачи и степень распыливания топлива при впрыскивании; физико-химические свойства топлива.

Температура и давление в камере сгорания определяются степенью сжатия, охлаждением двигателя, частотой вращения коленчатого вала, наличием наддува и т. п.

Современные дизели — высокооборотные, что обусловливает их хорошие тепловые характеристики, смесеобразование и сгорание.

Надежность подачи топлива — необходимое предварительное условие правильного смесеобразования и сгорания. Здесь важную роль играет чистота дизельного топлива. Находящиеся в топливе механические примеси забивают фильтрующие элементы, вызывают форсированное изнашивание плунжерных пар, корпуса и иглы распылителя форсунок, изготовленных с высокой точностью. Износ прецизионных деталей приводит к снижению давления и цикловой массовой подачи топлива, уменьшению давления впрыскивания, подтеканию топлива из-под иглы распылителя форсунки, что практически полностью нарушает работу дизеля.

Распыливание топлива — это процесс разделения топлива на мельчайшие частицы, в результате чего создаются наилучшие условия для смесеобразования и испарения. Степень распыливания оценивают диаметром капель топлива и однородностью топливовоздушной смеси.

Размер образующихся капель зависит от давления впрыскивания топлива: с его увеличением возрастает скорость струи и диаметр капель. Уменьшается. Чем больше длина струи, тем лучше распространяются и перемешиваются с воздухом капли топлива по всему объему. Кроме давления и скорости впрыскивания топлива, на тонкость и однородность распыливания влияют: противодавление в цилиндре, диаметр сопла форсунки, вязкость, плотность и поверхностное натяжение топлива.

Физико-химические свойства топлива также влияют на процесс смесеобразования. Очень важно, чтобы топливо легко прокачивалось при различных температурах окружающей среды. Это качество определяется вязкостью и температурой застывания топлива.

При большой вязкости дизельное топливо медленнее проходит через, топливные фильтры, что способствует снижению подачи топлива и падению мощности двигателя; распыливание ухудшается за счет образования крупных капель, но при этом увеличивается глубина их проникновения в среду сжатого воздуха.

При малой вязкости смесеобразование проходит хуже из-за снижения скорости проникновения капель топлива в камеру сгорания, в результате чего топливовоздушная смесь оказывается неоднородной.

Оптимальная вязкость дизельного топлива 3...8 мм²/с при 20 °С.

Температура помутнения, при которой входящие в состав топлива парафиновые углеводороды переходят в твердое состояние, имеет большое значение при использовании топлива. При этой температуре прозрачность теряется, нарушается фазовая однородность топлива. Появившиеся кристаллы забивают топливные фильтры, что ведет к уменьшению или прекращению подачи топлива. Температуру помутнения определяют по ГОСТ 5066—56.

Температура застывания, при которой топливо теряет подвижность, характеризует низкотемпературные свойства топлива. Эту температуру определяют по ГОСТ 20287—74.