Эксплуатация бронетанкового вооружения и техники

Коэффициент подачи насоса

Кп 1 V ,

Vн

где V – утечка через зазоры в плунжерной паре топливного насоса высокого давления, см3;

Vн – объем нагнетательной полости насоса, см3.

Кроме того, с понижением вязкости топлива повышается неравномерность его подачи топливным насосом высокого давления и повышается износ топливной аппаратуры, в результате чего подача топлива снижается после длительной работы насоса.

При изменении вязкости бензина изменяются коэффициенты гидравлических сопротивлений жиклеров и, соответственно, расход бензина через них. В результате в карбюраторных двигателях нарушается работа топливодозирующих элементов. Поэтому изменение вязкости топлив в процессе эксплуатации должно быть ограничено. Если бензины имеют удовлетворительную вязкостно-температурную характеристику и не требуют регламентации, то вязкость дизельных топлив при 20 °С должна быть в диапазоне:

при летней эксплуатации – 3,0–8,0 мм2/с;

зимой – 2,2–6,0 мм2/с;

в арктических условиях – 1,5–4,0 мм2/с.

Под низкотемпературными свойствами понимается способность бензинов обеспечивать работоспособность топливной системы при отрицательных температурах. При наличии в дизельном и реактивном топливах углеводородов с высокой температурой плавления они могут выпадать при охлаждении в твердую фазу в виде кристаллов, которые забивают фильтры

идругие элементы системы топливоподачи, снижая прокачиваемость топлива. Оценка склонности топлив к образованию кристаллов и потере подвижности осуществляется по температурам помутнения, кристаллизации

изастывания.

Температура, при которой из топлива выпадают твердые углеводороды (парафины), называют температурой помутнения (для дизельных топлив), а температуру, при которой топливо теряет подвижность при малых усилиях сдвига, – температурой застывания. При помутнении топливо не теряет текучести. Микрокристаллы твердых углеводородов через фильтр грубой очистки проходят, а через фильтр тонкой очистки не проходят из-за образования непроницаемой для топлива тонкой парафиновой пленки, нарушающей подачу топлива к насосу высокого давления и к форсункам. За нижний температурный предел применения любого дизельного топлива принимают температуру, которая на 3–5 °С выше температуры помутнения.

При понижении температуры ниже температуры помутнения кристаллики парафина сращиваются друг с другом и образуют каркас. Когда каркас из кристалликов парафина образуется по всей массе топлива, то топливо

300

полностью теряет свою подвижность и застывает. Топливо теряет текучесть, а поэтому пуск и нормальная работа двигателя окажутся невозможными.

Для обеспечения нормальной работы двигателя температура застывания топлива должна быть на 10–15 °С ниже температуры окружающего воздуха. Таким образом, температура помутнения топлив характеризует их фильтруемость при низких температурах, а температура застывания – прокачиваемость. Автомобильные бензины имеют низкие температуры начала кристаллизации.

В целях улучшения низкотемпературных свойств топлив разработан ряд способов, основанных на удалении нормальных парафиновых углеводородов (депарафинизация), превращении их в углеводороды других классов, снижении содержания наиболее высокоплавких углеводородов путем облегчения фракционного состава топлив и общего содержания парафиновых углеводородов смешиванием высокозастывающих топлив с низкозастывающими и на введении в топлива присадок, способных снижать температуру помутнения, пределы фильтруемости и застывания (депрессоры). В эксплуатационных условиях температуру застывания дизельного топлива можно понизить добавлением реактивного топлива (керосина).

Подача бензина из топливного бака в двигатель может быть нарушена при образовании паровых пробок в топливной системе. Склонность бензина к образованию паровых пробок зависит от содержания в нем легкоиспаряющихся фракций и оценивается в основном величиной давления насыщенных паров. Слишком большое содержание легких фракций приводит к увеличению потерь от испарения и повышает склонность бензина к образованию паровых пробок. Перебои в работе двигателя из-за образования паровых пробок обычно наблюдаются в жаркое лето или при работе техники в высокогорных условиях, атакжепри повторных пускахперегретогодвигателя.

Чтобы не допустить образования паровых пробок, следует в жаркое лето использовать летние бензины с показателем давления насыщенных паров не более 500 мм рт. ст., а зимой – зимние, у которых давление насыщенных паров находится в пределах 500–700 мм рт. ст. При работе техники в высокогорных условиях целесообразно использовать бензин с давлением насыщенных паров не выше 300–360 мм рт. ст. (бензины с пониженным давлением насыщенныхпаровобладаютухудшенными пусковыми свойствами).

По техническим условиям топливо не должно содержать механических примесей, воды и других посторонних веществ, попадающих в топливо при его перевозке, хранении, заправке и эксплуатации техники. Наличие значительного количества влаги в топливе недопустимо, так как при понижении температуры она кристаллизуется, засоряет топливоподающую систему и нарушает подачу топлива. Кроме того, вода способствует коррозии двигателя, ускоряет смолообразование, растворяет антиокислитель и способствует разложению тетраэтилсвинца в этилированных бензинах.

Механические примеси ухудшают прокачиваемость топлива по топливной системе, служат основой для образования смолистых отложений

301

инагара, ведущих к нарушению нормальной работы двигателя, интенсифицируют механический износ и коррозию конструкционных материалов. Особенно большой вред механические примеси наносят системам топливоподачи дизелей, вызывая повышенный износ прецизионных пар топливного насоса и форсунок, потерю герметичности форсунок, подтекание топлива в цилиндр двигателя, засорение отверстий распылителей и нарушение распыла топлива.

Основным источником механических примесей в топливе является атмосферная (почвенная) пыль. Поэтому нельзя допускать загрязнения

иобводнения топлива при его перевозке, хранении (особенно при заправке). Заправлять машины необходимо только через фильтры и закрытой струей. Особенно тщательно следует предохранять топливо от обводнения при заправке машин во время дождя или снегопада. Топливные баки необходимо плотно закрывать пробками с прокладками.

Испарение топлива в двигателях в процессе образования горючей смеси зависит от состава и свойств топлива, степени его распыливания и других условий. С повышением степени распыливания топлива процесс испарения ускоряется, образование смеси улучшается. Горючая смесь образуется быстреепри повышениитемпературы воздуха и стеноквпускного трубопровода.

Испарение топлива и образование горючей смеси зависят главным образом от фракционного состава, давления насыщенного пара, теплоты испарения, вязкости и др. Количественно испаряемость топлив оценивают по кривой перегонки с характерными температурными точками (рис. 19.1). Фракционный состав характеризует температурные пределы выкипания отдельных фракций топлива, его определяют путем разгонки топлива на специальном приборе.

Характерные температурные точки для бензина:

температура начала перегонки tн.п температуры перегонки 10, 50 и 90 % бензина (t10, t50, t90) и температура конца перегонки tк.п. Чем однороднее углеводородный состав топлива, тем более круто поднимается кривая разгонки в своей средней части.

Температуры tн.п и t10 характеризуют пусковые качества бензина. Чем ниже tн.п бензина, тем лучше его пусковые свойства, но больше вероятность появления паровых пробок в топливной системе прогретого двигателя.

Температура t50 характеризует среднюю испаряемость бензина, влияющую на приемистость, прогрев и устойчивость работы двигателя. Чем

ниже t50, тем выше испаряемость бензина, лучше приемистость и устойчивость работы двигателя на данном бензине.

Температуры t90 и tк.п характеризуют наличие в бензине тяжелых трудноиспаряющихся фракций. С повышением этих температур увеличивается расход бензина, так как тяжелые фракции не успевают испариться

исгореть, больше бензина проникает в картер, смывая масло со стенок цилиндра и разжижая масло в картере, что ведет к износу деталей и повышенному расходу масла.

302

Рис. 19.1. Кривая перегонки топлива нефтяного происхождения

Характерные температурные точки для дизельного топлива: температуры перегонки 10, 50 и 96 % топлива (t10, t50, t96).

Температура t10 указывает на наличие в дизельном топливе низкокипящих фракций, которые довольно легко испаряются, но плохо воспламеняются. Поэтому содержание низкокипящих фракций в дизельном топливе ограничивают. Температура t50 в некоторой степени характеризует пусковые качества дизельных топлив, снижение до известного предела улучшает пусковые свойства топлива. Температура t96 (конец перегонки) показывает содержание в дизельном топливе трудноиспаряющихся фракций, ухудшающих смесеобразование и влекущих неполное сгорание. Дизельные топлива с сильно облегченным фракционным составом способны быстро и полно испаряться в камере сгорания, но имеют плохую самовоспламеняемость. В результате возникают трудности с пуском двигателя, а после прогрева работа его становится жесткой.

Топлива, состоящие из высококипящих углеводородов, медленно и неполно испаряются в условиях камеры сгорания, вызывают затруднения при пуске двигателя. Невоспламенившиеся тяжелые фракции дизельного топлива, стекая по стенкам цилиндра и смывая масло, способствуют увеличению износа деталей цилиндропоршневой группы и разжижению масла в картере двигателя.

Имея данные разгонки, можно сделать эксплуатационную оценку бензина и определить его соответствие стандарту по фракционному составу.

303

Для обеспечения нормальной испаряемости бензина во время пуска двигателя и во избежание образования паровых пробок в период его работы предусмотрен выпуск двух сезонных видов бензина – летнего и зимнего.

Дизельные топлива по сравнению с бензином обладают более низкой испаряемостью. Поэтому для успешного смесеобразования необходима большая поверхность испарения топлива, что достигается тщательным его распыливанием. На распыливание решающее влияние оказывает вязкость дизельного топлива.

Сповышением вязкости дизельного топлива его распыливание ухудшается, капли высоковязкого топлива получаются крупными, с излишне большой дальнобойностью образующегося из них факела, что ведет к их замедленному испарению и частичному оседанию на днище поршня, а также на стенки камеры сгорания. В результате процесс горения нарушается

исопровождается рядом отрицательных явлений (понижение КПД двигателя, увеличение количества нагара на деталях камеры сгорания, дымный выпуск отработавших газов и т. д.).

Спонижением вязкости распыливание улучшается, но чрезмерно низкая вязкость приводит к тому, что капли получаются очень мелкими. Дальность их полета настолько уменьшается, что они концентрируются

исгорают в основном в непосредственной близости от форсунок. В этом случае возможны перегрев и деформация форсунок и неполное использование воздуха, находящегося в наибольшем удалении от них.

Из сказанного следует, что топливо для дизелей должно обладать определенной (оптимальной) вязкостью. В стандарте на отечественные дизельные топлива вязкость дается при 20 °С в единицах кинематической

вязкости, причем значения ее устанавливаются, как уже говорилось, от 1,5 до 6,0 мм2/с в зависимости от марки.

Самовоспламеняемость топлива характеризует его способность к самовоспламенению в дизеле и количественно оценивается его цетановым числом.

Цетановое число – это условный показатель самовоспламеняемости дизельного топлива, численно равный процентному содержанию цетана

втакой его смеси с альфа-метилнафталином, которая имеет такой же период задержки самовоспламенения, как и данное топливо. Цетановое число

характеризует скорость процессов окисления топливовоздушной смеси в период ее подготовки к воспламенению. От него зависят основные параметры, характеризующие рабочий цикл дизеля: длительность периодов задержки воспламенения и нарастания давления, а также максимальное давление в камере сгорания (рис. 19.2).

При низких цетановых числах в дизелях возникает большая задержка воспламенения, в результате чего к моменту воспламенения большое количество топлива находится в состоянии готовности к сгоранию, сокращается время, отводимое на собственно сгорание топлива. Следствием этого является высокая жесткость работы двигателя, а также неполное сгорание топлива,

304

в результате чего снижается мощность двигателя, увеличиваются удельный расходтоплива, износ, шумностьи токсичность отработавшихгазов.

Рис. 19.2. Влияние цетанового числа горючего на характеристику его сгорания и экономичность двигателя:

1 – удельный расход горючего; 2 – период задержки воспламенения; 3 – скорость нарастания давления

При значительном повышении цетанового числа наблюдаются потеря мощности и дымление двигателя. Это объясняется тем, что у таких топлив задержка воспламенения настолько мала, что очаг горения после впрыска образуется уже вблизи головки форсунки и воздух, находящийся дальше от места впрыска, почти не участвует в процессе горения, остальное впрыскиваемое топливо попадает не в воздух, а в высокотемпературные продукты сгорания. В результате топливо сгорает не полностью, отработавшие газы содержат углерод (черный дым). Кроме того, увеличение цетанового числа повышает стоимость дизельного топлива.

Для нормальной работы двигателя необходимы топлива с оптимальным цетановым числом, которое для быстроходных двигателей принимают равным 45–50. Для улучшения воспламеняемости в дизельные топлива вводят присадки, ускоряющие процессы холодно-пламенного окисления и снижающие температуру воспламенения, что сокращает период задержки воспламенения.

305

Пуск холодных быстроходных дизелей, работающих на стандартных дизельных топливах, при отрицательных температурах воздуха затруднен или вовсе невозможен. В этом случае необходимо прибегать к предварительному разогреву двигателя или использовать пусковые жидкости, которые обеспечивают пуск холодного двигателя при температурах до –40 °С. В стандарте на отечественные дизельные топлива цетановые числа установлены не менее 45.

Детонационная стойкость бензина характеризует его способность сгорать в двигателе с принудительным воспламенением без детонации. Детонация (детонационное сгорание) является одним из наиболее встречающихся видов ненормального сгорания рабочей смеси в двигателях. В нормально работающем двигателе скорость распространения пламени равна 20–25 м/с. При детонации некоторая часть смеси паров бензина с воздухом сгорает не плавно, а взрывается, при этом скорость распространения пламени достигает 1500–2500 м/с.

При детонационном сгорании наблюдается повышение давления и температуры газов в двигателе. Причина возникновения детонации заключается в том, что в горючей смеси до момента ее сгорания образуются взрывчатые вещества (перекиси).

При сильной детонации уменьшается мощность, увеличивается удельный расход бензина, перегреваются цилиндры, прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, разрушаются подшипники и другие детали. Внешним проявлением детонации является звонкий металлический стук высоких тонов, возникающий из-за отражения детонационных волн от стенок камеры сгорания.

Детонационная стойкость бензинов оценивается октановым числом. Октановое число – это условный показатель детонационной стойко-

сти бензина, численно равный процентному (по объему) содержанию изооктана в такой его смеси с нормальным гептаном, которая имеет такую же детонационную стойкость, как и данный бензин.

Октановое число определяется на специальных установках по моторному и исследовательскому методам. Условия испытания по моторному методу более жесткие, оно проводится при более напряженном режиме работы установки, чем при испытании по исследовательскому методу, поэтому октановое число по исследовательскому методу, как правило, несколько выше, чем по моторному.

Современные автомобильные двигатели характеризуются непрерывным повышением удельной мощности, частоты вращения и снижения удельного расхода топлива. Это достигается увеличением степени сжатия, литровой мощностью и применением высокооктановых бензинов. Ресурсы получения таких бензинов ограничены, а стоимость их высока, поэтому в настоящее время повышение октанового числа достигается путем добавления к базовому бензину высокооктановых компонентов в количестве 15–40 % или антидетонаторов.

306

Антидетонаторы – вещества, вводимые в бензин для повышения его детонационной стойкости. Они снижают себестоимость и расширяют ресурсы автобензинов. Одним из наиболее эффективных антидетонаторов является тетраэтилсвинец в виде этиловой жидкости. Увеличение тетраэтилсвинца в бензине вызывает повышение его октанового числа только в определенных пределах. Исходя из этого, а также учитывая ядовитость тетраэтилсвинца, в автобензины его вводят не более 0,40–0,85 г на 1 кг бензина. Автобензины основных марок вырабатываются как с тетраэтилсвинцом, так и без него. Бензины, содержащие в своем составе этиловую жидкость, называются этилированными и в отличие от неэтилированных имеют хорошо заметную окраску.

Наиболее эффективным и надежным способом предупреждения детонации является применение предназначенного для данного двигателя бензина с оптимальным значением октанового числа, обеспечивающим бездетонационную работу двигателя на всех режимах. Чем выше степень сжатия двигателя, тем выше требования к детонационной стойкости бензина, но одновременно тем выше топливная экономичность и удельная мощность двигателя (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Влияние степени сжатия двигателя на октановое число бензина, экономичность и мощность двигателя

Применение в двигателях бензина с меньшим октановым числом приводит к потере мощности двигателя, снижению экономичности и возник-

307

новению детонации, которая снижает ресурс работы двигателя и может вызвать серьезные нарушения в его работе.

Под стабильностью топлива понимается его способность сохранять свойства и состав при длительном хранении, перевозке и применении в пределах определенных допусков. Различают физическую и химическую стабильность.

Ф и з и ч е с к о й с т а б и л ь н о с т ь ю топлива называется его способность сохранять физические свойства в процессе эксплуатации. В топливе фракционный состав может измениться в результате испарения легких фракций и растворенных газов. Дизельные топлива имеют достаточно высокие температуры кипения, поэтому при хранении и перевозках они практически не испаряются, а следовательно, обладают достаточно высокой физической стабильностью. Относительно высокая испаряемость бензина обусловливает его недостаточную физическую стабильность. В результате испарения легких фракций изменяется фракционный состав, что приводит к ухудшению пусковых свойств бензина. Физическую стабильность бензина оценивают давлением насыщенных паров t10.

Для уменьшения потерь от испарения бензин необходимо хранить в герметичных емкостях. Топливные баки следует защищать от прямых солнечных лучейэлементами конструкции машиныилиспециальными экранами.

Х и м и ч е с к о й с т а б и л ь н о с т ь ю топлива называется его способность сохранять химические свойства в процессе эксплуатации. Изменение химического состава вызывается низкотемпературным окислением кислородом воздуха химически наиболее неустойчивых соединений, входящих в состав топлива, а также окислительной полимеризацией и конденсацией высокомолекулярных соединений, содержащихся в нем.

Окисление топлива вызывает образование растворимых органических кислот и смолистых веществ. Процесс окисления является самоускоряющимся – образовавшиеся кислые соединения являются катализаторами, ускоряющими дальнейшее окисление топлива. Он идет более интенсивно

ипри повышении температуры топлива. Дизельные топлива обладают большей по сравнению с бензинами химической стабильностью. Топливо, подвергавшееся окислению, желтеет, у него появляется резкий, неприятный запах, увеличивается коррозионная агрессивность и снижается детонационная стойкость.

Применение топлива, содержащего большое количество смол, вызывает ряд неполадок в работе двигателя. Смолы, откладываясь на стенках

иднище топливных баков и в топливопроводах, способствуют интенсивному осмолению топлива, уменьшают проходное сечение топливопроводов.

Смолистые вещества, оседая на горячих стенках впускного трубопровода, уплотняются, коксуются и образуют плотный слой. Смолы, осевшие на горячих впускных и выпускных клапанах, образуя нагар, нарушают посадку клапанов и вызывают их зависание, что нарушает газораспределение, а в конечном счете приводит к остановке двигателя. Смолы вымывают

308

закоксовывание головок форсунок и продувочных окон. При закоксовывании отверстий форсунок нарушается нормальное распыливание топлива, что может привести к отрыву головок форсунок. Смолистые вещества засоряют фильтры тонкой очистки и ухудшают подачу топлива в двигатель. Образование смолистых пленок на иглах распылителей форсунок может привести к зависанию игл.

Чем ниже химическая стабильность топлива, тем более интенсивно образуется нагар. В поршневых двигателях нагар уменьшает объем камеры сгорания, повышает степень сжатия и вызывает детонационное сгорание топлива. Отложения нагара в верхнем пояске поршня повышают износ поверхности цилиндра. Нагар на клапанах вызывает их перегрев и коробление, что нарушает плотность их посадки в гнездо.

Большое влияние на стабильность топлива оказывает наличие в нем сернистых соединений, которые ускоряют смолообразование. В этилированных бензинах сернистые соединения вызывают усиленный распад ТЭС, который является неустойчивым соединением, склонным к разложению под воздействием температуры, солнечного света, воздуха и воды. Кроме того, присутствие ТЭС и продуктов его разложения повышает склонность бензина к окислению.

Наличие в топливе воды и механических примесей ухудшает его химическую стабильность. В присутствии воды быстро накапливаются вещества, каталитически воздействующие на окисление топлива. Ускорению окисления топлива способствуют неполное заполнение емкости, свет, частая перекачка и соприкосновение с различными металлами, которые каталитически влияют на окисляемость топлива.

Х и м и ч е с к а я с т а б и л ь н о с т ь оценивается индукционным периодом, йодным числом, концентрацией фактических смол, коксуемостью. Склонность топлив к окислению и смолообразованию при их длительном хранении оценивают индукционным периодом.

Индукционный период – это время (в минутах), в течение которого топливо, находясь в условиях ускоренного окисления, не окисляется. Чем длительнее индукционный период, тем выше стабильность топлива, тем дольше его можно хранить без осмоления и тем меньше будет в двигателе смолистых веществ. Для различных марок бензинов на месте их производства и до этилирования индукционный период должен быть не менее

450–900 минут.

Степень осмоления топлива оценивают концентрацией фактических смол, которая позволяет судить о склонности топлива к смолообразованию в двигателях. Чем больше фактических смол содержится в топливе, тем выше его склонность к смолообразованию.

Концентрация фактических смол ограничивается стандартами:

вбензинах – не более 7–15 мг/100 мл;

вдизельных топливах: в зимних марках – не более 30, в летних – не более 40 мг на 100 см3 топлива.

309