4. Склонность топлива к самовоспламенению. Цетановое число

Воспламенение топлива в дизеле - сложный и многостадийный процесс. Поскольку посторонних источников воспламенения топлива дизель не имеет, то важнейшим показателем дизельного топлива является склонность его к самовоспламенению. Топливо при впрыскивании в камеру сгорания воспламеняется не сразу. Всегда происходит определенная задержка воспламенения. Чем она меньше, тем более плавно идет процесс сгорания, а следовательно, двигатель испытывает меньшие динамические нагрузки, работает мягко, без стуков.

Для четкой и однозначной оценки склонности топлива к самовоспламенению стандартизован, специальный показатель - цетановое число.

Цетановым числом (ЦЧ) называют процентное (по объему) содержание цетана в смеси его с альфаметилнафталином при условии, что эта смесь на стандартной установке и стандартном режиме имеет такую же задержку воспламенения, как и исследуемое топливо.

Определение ЦЧ производится на установках ИТ9-3, ИТ9-3М или ИТД-69, основным агрегатом которых является одноцилиндровый предкамерный дизель рабочим объемом 652 см³ и переменной степенью сжатия (рис. 1).

В качестве эталонных топлив используют два индивидуальных углеводорода - цетан (нормальный гексадекан С₁₆Н₃₄) и альфаметилнафталин (ароматический углеводород С₁₁Н₁₀). Цетан обладает высокой склонностью к самовоспламенению (имеет малую задержку самовоспламенения), и его воспламеняемость условно принята за 100 ед., альфаметилнафталин, наоборот, имеет большую задержку самовоспламенения, и его воспламеняемость принята за 0.

Составляя смеси цетана и альфаметилнафталина в объемных процентах, можно получить топливо с ЦЧ от 0 до 100. ЦЧ определяют методом совпадения вспышек. Сущность этого метода заключается в следующем.

Рис. 1. Установка ИТ9-3М для определения ЦЧ топлив

по методу совпадения вспышек:

1 — пульт управления; 2 — бачки для исследуемого и эталонных топлив; 3 — система впуска и подогрева воздуха; 4 — зеркало для наблюдения через визирную трубку расположения вспышек неоновых ламп; 5 — маховички для управления механизмом изменения степени сжатия; 6 — картер двигателя; 7 — рукоятка (маховичок) для фиксации поршня; 8 — рукоятка (маховичок) для перемещения поршня; 9 — направляющая поршня; 10 — замок (пружинящая звездочка), фиксирующий поршень; 11 — поршень, изменяющий объем предкамеры

К маховику двигателя установки крепят специальный обод, на котором монтируют две неоновые лампы, расположенные на ободе маховика таким образом, что центральный угол между ними составляет 13°. В ободе маховика напротив ламп выполнены прорези, которые можно наблюдать через специальную визирную трубку. Первая лампа вспыхивает в момент начала подачи топлива: контактное устройство, включающее ее (индикатор впрыскивания), смонтировано на форсунке. Вторая лампа вспыхивает в момент начала воспламенения топлива; индикатор воспламенения, управляющий ею, замыкает цепь при резком изменении давления в цилиндре.

Во время работы двигателя обе лампы периодически вспыхивают, и наблюдатель четко видит две светящиеся полоски. Полоска от неоновой лампы, фиксирующая момент впрыскивания, независимо от режима работы вспыхивает под визирной нитью смотровой трубки, так как угол опережения впрыскивания по условию постоянен и равен 13° до ВМТ, а полоска от лампы, фиксирующей момент воспламенения топлива, оказывается под визирной нитью только в том случае, если задержка воспламенения соответствует углу опережения, т. е. 13°. Если задержка воспламенения больше 13°, то вторая полоска видна за визирной нитью по направлению вращения вала двигателя, а если меньше 13°, то до визирной нити.

В процессе испытаний добиваются, чтобы задержка воспламенения при работе на испытуемом и эталонном топливах была одинаковой (равной 13°). Тогда острые концы световых полосок совпадают и оказываются под визирной нитью смотровой трубки. Отсюда и название метода «совпадение вспышек» (СВ).

Ниже приведен порядок определения ЦЧ.

1. Двигатель пускают, прогревают и выводят на стандартный режим.

2. Устанавливают расход топлива 13 мл/мин, подбирая подачу топливного насоса.

3. Устанавливают угол опережения впрыскивания 13° до ВМТ. Для этого включают неоновую лампу индикатора впрыскивания и регулируют зазор между контактами индикатора, пока в смотровой трубе не появится светящаяся черта. После этого, вращая микрометрический винт, связанный с механизмом изменения угла опережения впрыскивания, добиваются такого положения, при котором конец светящейся полоски совпадает с визирной нитью смотровой трубы. При достижении этого совпадения угол опережения впрыскивания точно равен требуемому.

4. Определяют критическую степень сжатия на одном из эталонных и исследуемом топливах. С этой целью открывают кран на выпускной трубе и, отпустив, контрящую рукоятку, вращают штурвал, уменьшая степень сжатия до появления пропусков воспламенения. Появление пропусков сопровождается белым дымом на выпуске. После появления пропусков степень сжатия постепенно увеличивают до исчезновения белого дыма на выпуске, затем кран на выпускной трубе закрывают. Законтрив штурвал, записывают показания на шкале микрометра и по номограмме определяют критическую степень сжатия.

5. Определяют степень сжатия, при которой наблюдается совпадение вспышек неоновых ламп на маховике. При этом необходимо, чтобы степень сжатия, соответствующая совпадению вспышек, была на 2 ед. больше критической. При несовпадении вспышек степень сжатия изменяют до тех пор, пока не наступит необходимое совпадение светящихся полос в смотровой трубе.

Сравнение испытуемого образца с эталонами заключается в подборе двух смесей эталонных топлив, причем одна из смесей должна давать совпадение вспышки при большей степени сжатия, чем на испытуемом топливе, а другая — при меньшей (следует помнить, что при изменении степени сжатия нужна специальная регулировка контактов индикатора воспламенения).

Каждая из определяемых степеней сжатия требует трехкратного проведения испытаний, после чего подсчитывают ее среднее арифметическое значение (для испытуемого топлива и для каждой из двух эталонных смесей).

На основании полученных данных подсчитывают процент содержания цетана в эталонной смеси X, равноценной по воспламеняемости испытуемому топливу.

Расчет выполняют по формуле

Х = А₁ + (А₂ – А₁)(а₁-а)/(а₁-а₂)

где А₁ — содержание цетана в эталонной смеси, которая дает совпадение вспышек при большей степени сжатия, чем на испытуемом топливе; А₂ — то же, при меньшей степени сжатия, чем было на испытуемом топливе; а, а₁,а₂ — среднее арифметическое степеней сжатия, при которых наблюдалось совпадение вспышек на испытуемом топливе и эталонных смесях.

ЦЧ современных топлив для быстроходных дизелей должно быть не менее 45, для топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей ЦЧ не нормируется. Значение ЦЧ топлив для быстроходных двигателей важно знать потому, что этот показатель достаточно полно характеризует период задержки воспламенения, от которого зависит скорость нарастания давления в цилиндре, а, следовательно, и жесткость работы дизеля.

Экспериментально установлено, что для нормальной мягкой работы дизеля скорость нарастания давления не должна превышать 0,5—0,7 МПа на 1⁰ поворота коленчатого вала двигателя. При больших значениях работа двигателя становится недопустимо жесткой. Внешне это проявляется стуками, повышенной вибрацией, ухудшением топливной экономичности и дымным выпуском.

При малой задержке воспламенения основная масса впрыскиваемого топлива сгорает по мере его поступления в камеру сгорания. В этих условиях процесс сгорания топлива зависит от закона его подачи и, следовательно, может быть управляемым. При большой задержке первые порции поданного топлива не воспламеняются, топливо накапливается в камере сгорания, а потом сразу сгорает в очень короткий промежуток времени, вызывая быстрое повышение давления, которое резко воздействует на поршень. Максимальное тепловыделение при этом начинается в период расширения, в результате чего топливная экономичность ухудшается, происходит неполное сгорание топлива, в отработавших газах появляется дым.

Задержка воспламенения зависит не только от свойств топлива, но и от ряда других факторов. Она сокращается при:

- повышении степени сжатия;

- росте температуры и давления воздуха на впуске;

- уменьшении угла опережения впрыскивания;

- интенсификации распыливания топлива;

- оптимальном законе подачи.

При прочих равных условиях решающим фактором, определяющим склонность топлива к самовоспламенению, является его групповой и индивидуальный химические составы. Наибольшей склонностью к самовоспламенению обладают нормальные алканы, причем, чем больше молекулярная масса такого алкана, тем лучшей самовоспламеняемостью он обладает и, следовательно, более высоким ЦЧ. При одинаковом числе атомов углерода в порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются в следующем порядке: алканы, моноцикланы, ароматические углеводороды.

От ЦЧ зависят и пусковые свойства топлива. Чем оно меньше, тем хуже пусковые свойства. Чрезмерное увеличение ЦЧ, несогласованное с его испаряемостью, также нецелесообразно, так как при этом очаги рано воспламенившегося топлива встречаются с еще неиспарившимся, неподготовленным к сгоранию топливом, что приводит к вялому, неполному сгоранию и, следовательно, к ухудшению топливной экономичности двигателя при одновременном увеличении дымности отработавших газов. В меньшей степени это проявляется при пленочном и объемно-пленочном смесеобразовании.

Для современных дизелей вполне достаточно ЦЧ топлива, равное 45; для быстроходных дизелей (с частотой вращения 5000— 6000 об/мин) нужны топлива с более высокими ЦЧ.

Цетановые числа дизельных топлив, используемых в ряде стран: Португалия –50,0; Финляндия – 47,8; Италия – 50,8; Швеция – 48,5; Бенилюкс – 50,1; Испания – 51,0; Турция – 55,0; Франция – 51,8; Великобритания – 52,0.

Дизельное топливо с низким цетановым числом – это источник загрязнения окружающей среды и самого двигателя. При снижении цетанового числа от 55 единиц до 40 единиц повышается выброс вредных и опасных веществ (СО в 2 раза, СН – 1,5 раза, окись азота – в 1,5 раза, сажи на 50 %) и увеличивается удельный расход топлива (г/кВт.ч).

Цетановое число дизельного топлива приближенно может быть подсчитано при температуре +20 ⁰С по формуле (отличается от действительного на 2-3 ед.):

,

где - вязкость топлива при 20⁰С;

- плотность топлива при 20 ⁰С.

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

ЦЧ = 0,85П + 0,1Н – 0,2А,

Где П, Н, А – содержание в топливе парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, % по весу.

По ГОСТ 305-82 цетановое число дизельного топлива должно быть не менее 45.

Величина поверхностного натяжения (эрг/см²) характеризует испаряемость и распыливаемость топлива и влияет на параметры факела. Её можно определить по формуле:

.

Для лучших сортов дизельных топлив поверхностное натяжение лежит в пределах 27-28 эрг/см². Для тяжелых сортов топлив и топлив, хранящихся длительное время, эта величина достигает 29-30 эрг/см².