Масленников Ростислав Ростиславович, Ермак Владимир 8 страница

Дизельное топливо состоит из углеводородов с эквивалентной мо-

лекулярной массой от С5 до С15, температурой кипения от 200 до 350°С,

основу его составляют керосиновые, газойлевые и соляровые фракции

прямой перегонки нефти, к которым иногда добавляют продукты ката-

литического крекинга. Дизельное топливо содержит парафиновые, наф-

теновые и незначительное количество ароматических углеводородов.

Технико-экономические показатели двигателя Дизеля существенно от-

личаются от аналогичных показателей карбюраторного двигателя.

Двигатели Дизеля обладают лучшей топливной экономично-

стью, удельный расход топлива (г/(кВт⋅ч)) у них на 26–33 % ниже,

чем у карбюраторных; по сравнению с ними эти двигатели имеют

лучшую динамику, т.е. приемистость вследствие подачи топлива не-

посредственно в камеру сгорания насосом высокого давления. Ток-

сичность отработавших газов двигателей Дизеля ниже за счет мень-

шего содержания окиси углерода и несгоревших углеводородов.

В сравнении с карбюраторными двигателями эти двигатели

имеют и недостатки. Удельная мощность двигателей Дизеля [кВт/л

(на 1 литр рабочего объема)] примерно на 35 % ниже, чем у карбюра-

торных; примерно на 40 % больше масса, приходящаяся на единицу

развиваемой мощности (кг/кВт). Следует сказать, что эти недостатки

меньше сказываются на грузовых автомобилях. Двигатели Дизеля

более дорогие в производстве, ремонте и техническом обслуживании.

Отработавшие газы этих двигателей содержат повышенное количест-

во сажи, имеют неприятный запах, содержат раздражающие и канце-

рогенные компоненты.

4.1. Основные эксплуатационные требования

к качеству автомобильного дизельного топлива

Основные эксплуатационные требования таковы, что дизельное

топливо должно:

– бесперебойно поступать в цилиндры двигателя при любых

температурах;

– обеспечивать хорошее смесеобразование в цилиндрах двигателя;

– обеспечивать надежный пуск и мягкую работу двигателя;

– обеспечивать бездымную работу двигателя, образовывать ми-

нимальное количество нагара и отложений, не должно быть опасным

для окружающей среды;

– обеспечивать минимальный износ двигателя и не являться ис-

точником износа двигателя и топливной аппаратуры;

– быть стабильным и длительное время сохранять первоначаль-

ные качества.

4.2. Физико-химические свойства дизельного топлива,

характеризующие его эксплуатационные качества

Суммарная мощность автомобильных двигателей Дизеля значи-

тельно выше суммарной мощности карбюраторных двигателей, и, не-

смотря на их экономичность, дизельное топливо является самым мас-

совым видом моторного топлива.

От качества дизельного топлива зависят надежность работы и

долговечность автомобильного двигателя, и, следовательно, расходы

на его техническое обслуживание и ремонт.

4.2.1. Свойства дизельного топлива, влияющие на

бесперебойное поступление его в цилиндры двигателя

При понижении температуры наружного воздуха может быть

нарушена нормальная подача дизельного топлива по системе питания

двигателя вследствие кристаллизации высокоплавких углеводородов,

и, в первую очередь, нормальных парафинов.

Внешним признаком появления в топливе отдельных кристал-

ликов замерзших углеводородов является его помутнение.

Температурой помутнения называется температура, при кото-

рой в обезвоженном прозрачном топливе в процессе охлаждения по-

являются первые признаки помутнения, видимые невооруженным

глазом. Причиной помутнения в этом случае могут быть только кри-

сталлы углеводородов, которые будут оседать на фильтрах и со вре-

менем прекратят поступление топлива в цилиндры двигателя.

При дальнейшем понижении температуры отдельные кристал-

лики, срастаясь, образуют ажурный кристаллический каркас, прони-

зывающий весь объем топлива, который сковывает подвижность уг-

леводородов, находящихся в жидком состоянии. Потерю подвижно-

сти нефтепродуктов принято называть застыванием.

Температурой застывания называется наивысшая температу-

ра, при которой дизельное топливо застывает настолько, что при на-

клоне стандартной пробирки на угол в 45° в течение одной минуты

поверхность топлива остается неподвижной.

Оценка дизельного топлива по температурам помутнения и за-

стывания сводится к определению предельно низкой температуры,

при которой обеспечивается бесперебойная работа двигателя. Такой

температурой для каждого вида топлива является его температура

помутнения. Но, учитывая погрешность в ее определении и ошибку в

определении температуры наружного воздуха, за нижний предел

применения любого дизельного топлива принимают температуру,

которая на 3–5 ° С выше температуры помутнения.

Учитывая субъективную оценку температуры помутнения, а

также значительные трудности в оценке этой температуры у малопа-

рафинистых топлив, для надежности решения принято эксплуатаци-

онную оценку производить и по температуре застывания. Самая низ-

кая температура, при которой может применяться дизельное топ-

ливо, должна быть выше температуры застывания на 10–15 ° С.

Кроме того, температуры помутнения и застывания обеспечи-

вают выполнение требования к дизельным топливам и в отношении

их физической стабильности.

На бесперебойное поступление топлива в цилиндры двигателя

влияют содержащиеся в нем механические примеси и вода. Поэтому

одним из требований, предъявляемых к дизельным топливам и бен-

зинам, является отсутствие в них механических примесей и воды.

Обоснование этого требования и возможные последствия были рассмот-

рены в разделе "Свойства бензина, влияющие на пуск и безотказную ра-

боту двигателя" и полностью применимы к дизельным топливам.

Вода в дизельном топливе может послужить причиной наруше-

ния подачи этого топлива в цилиндры двигателя, как при отрицатель-

ной, так и при плюсовой температуре. При плюсовой температуре

вода с топливом образует эмульсию, способную разрушить фильтры

тонкой очистки, а при отрицательных температурах она превращает-

ся в кристаллы льда, которые закупоривают топливные фильтры.

Механические примеси попадают в дизельное топливо при его

небрежном хранении, транспортировании и заправке автомобилей. В

дизельном топливе они более опасны, чем в бензинах. Наибольшую

опасность представляют примеси в виде песка и глинозема, так как

вызывают износ и на трущихся деталях образуют риски – царапины.

Самым уязвимым местом является плунжерная пара насоса высокого

давления, у которой зазор между плунжером и гильзой находится в

диапазоне 0,002–0,003 мм. Большой вред механические примеси на-

носят и форсункам, вызывая засорение их сопел. Кроме того, они за-

соряют и топливные фильтры.

Применение дизельного топлива, загрязненного механическими

примесями, вызывает частое обслуживание, ремонт и замену агрега-

тов топливной аппаратуры. Чтобы избежать вредных последствий во

время эксплуатации автомобиля, необходимо исключить возмож-

ность загрязнения дизельного топлива механическими примесями.

Для снижения загрязнения и обводнения дизельного топлива необхо-

димо длительное отстаивание его в складской таре (более 10 дней),

при этом забор топлива следует производить из верхних слоев. При

ежедневном обслуживании автомобиля необходимо сливать отстой

из топливных баков и фильтров.

4.2.2. Свойства дизельного топлива, влияющие

на смесеобразование в цилиндрах двигателя

В двигателях Дизеля смесеобразование происходит за 20–40°

поворота коленчатого вала и составляет 0,001–0,004 с, что в 10–15 раз

меньше, чем у карбюраторного двигателя. Качество смесеобразова-

ния зависит от многих физико-химических свойств дизельного топ-

лива, основные из которых вязкость 1 и фракционный состав.

При анализе влияния многих переменных факторов на один по-

казатель пользуются приемом, когда последовательно один из многих

факторов принимают за переменную величину, а другие при этом

считают неизменными постоянными величинами и независимыми

друг от друга и находящихся в оптимальном состоянии. В этом слу-

чае можно установить влияние этого (переменного) фактора на инте-

ресующий нас показатель. Такой прием анализа влияния переменных

факторов принято называть "системный подход".

В нашем случае кроме физико-химических свойств топлива на

смесеобразование влияют и конструктивные особенности камеры

сгорания, форсунки, вихревое движение рабочей смеси. Рассматривая

только дизельное топливо, условимся влиянием конструктивных фак-

торов в работе пренебречь и воспользуемся стилизованным изобра-

жением камеры сгорания, форсунки и их взаимного положения.

Вязкость дизельного топлива существенно влияет на качество

распыления топлива в цилиндрах двигателя (рис. 4.1).

Динамическая вязкость ç (Н⋅с/м2) измеряется величиной силы внутреннего

трения. За единицу динамической вязкости принята вязкость такой жидкости, у

которой между двумя бесконечно тонкими слоями площадью 1 м2, находящи-

мися друг от друга на расстоянии 1 м и перемещающимися с относительной

скоростью 1 м/с, возникает сила в 1 Н.

Кинематическая вязкость í (мм2/с) является удельным коэффициентом внут-

реннего трения и представляет собой отношение динамической вязкости жид-

кости к ее плотности при температуре определения. í = ç/ñ, где ñ – плотность

жидкости при той же температуре, кг/м3.

В СГС за единицу кинематической вязкости принят стокс (Ст). Сотая часть

стокса – сантистокс (сСт). Вязкость дистиллированной воды при 20,2°С равна

1сСт.

камеры сгорания топлива мало, а

ная вязкость; в) нормальная вязкость: кислорода много.

ва имеет недостаточную дально-

При повышенной вязкости

топливо распыляется плохо, ка-

пли получаются крупные, факел

распыляемого топлива имеет из-

лишнюю дальнобойность и не-

достаточный угол распыления.

Крупные частицы топлива не ус-

певают испариться, поэтому сго-

рают плохо с образованием

большого количества нагара и

дымного выхлопа. Излишняя

дальнобойность факела приво-

дит к тому, что частицы топлива

оседают на днище поршня, стен-

ках камеры сгорания и цилиндре

двигателя. Недостаточный угол

распыления приводит к тому,

что топливо по камере сгорания

распределяется неравномерно; в

центральной части камеры

сгорания топлива много, а ки-

Рис. 4.1. Влияние вязкости на рас- слорода воздуха мало; по краям

пыление топлива:

а) повышенная вязкость; б) недостаточ-

1 – поршень; 2 – камера сгорания; При недостаточной вязко-

3 – форсунка; 4 – факел распыления; сти топливо чрезмерно распы-

5 – частица распыленного топлива; ляется, капли получаются мел-

6 – граница возможного распростране- кие, факел распыляемого топли-

ния топлива

бойность и излишне большой угол распыления. Мелкие частицы ис-

паряются быстро, имеют малую дальнобойность и концентрируются

около форсунки; из-за недостатка кислорода часть топлива не сгора-

ет, появляется дымный выхлоп. В удаленных частях камеры сгорания,

наоборот, топлива мало, а кислорода много. Недостаточная вязкость

приводит к неоднородности рабочей смеси, ухудшению процесса

сгорания, перегреву форсунок. Кроме того, нарушается дозировка то-

плива вследствие просачивания его между плунжером и цилиндром

насоса высокого давления; ухудшается смазка его деталей, увеличи-

вается износ насоса высокого давления. Происходит подтекание топ-

лива через распылитель форсунки из-за просачивания его между за-

порной иглой и седлом клапана форсунки, закоксовываются отвер-

стия форсунок.

Для равномерного распределения рабочей смеси по всей камере

сгорания вязкость дизельного топлива регламентируется как макси-

мальная, так и минимальная. Чем ниже температура, при которой

предполагается использовать дизельное топливо, тем меньше должна

быть его вязкость.

Высокая вязкость вследствие затруднения прокачиваемости ди-

зельного топлива по системе питания и затруднения фильтрации мо-

жет нарушить требование бесперебойного поступления топлива в ци-

линдры двигателя.

Фракционный состав определяет испаряемость дизельного то-

плива. Процесс испарения топлива происходит непосредственно в

камере сгорания в условиях высокого давления (3,0–5,0 МПа), отно-

сительно высокой температуры 600–800°С и за очень короткий про-

межуток времени.

При утяжеленном фракционном составе вследствие плохой ис-

паряемости рабочая смесь готовится с запаздыванием, не все топливо

успевает испариться и сгореть, увеличи-

вается дальнобойность струи, воспламе-

нение происходит несвоевременно – все

это приводит к дымному выпуску, смы-

ванию масла со стенок цилиндра, повы-

шенному износу, увеличению отложе-

ний и нагара, снижению топливной эко-

Рис. 4.2. Влияние испаряемо-

сти на смесеобразование:

1 – зона избыточного количе-

ства топлива; 2 – зона избы-

точного количества воздуха

номичности.

При облегченном фракционном со-

ставе топливо способно быстро и полно

испариться недалеко от форсунки, в камере

сгорания образуется неоднородная рабочая

смесь (рис. 4.2).

Легкие фракции топлива плохо самовоспламеняются, в резуль-

тате возникают трудности с пуском двигателя. После прогрева двига-

теля неоднородность рабочей смеси увеличивается, работа двигателя

становится жесткой, появляется дым в отработавших газах.

Дизельное топливо должно обладать оптимальной испаряемо-

стью. В ГОСТах фракционный состав нормируется температурой вы-

кипания 50 и 96 % топлива. Температура выкипания 50 % топлива

характеризует его пусковые свойства, а температура выкипания 96 %

свидетельствует о наличии в нем тяжелых фракций, ухудшающих

смесеобразование, экономичность и повышающих дымность и нага-

рообразование.

4.2.3. Свойства дизельного топлива, влияющие

на надежный пуск и мягкую работу двигателя

Надежный пуск и мягкая работа двигателя Дизеля зависят от

склонности дизельного топлива к самовоспламенению.

Самовоспламеняемостью называется способность смеси паров ди-

зельного топлива с воздухом воспламеняться без источника зажигания.

Первые порции топлива, попав в камеру сгорания, воспламеня-

ются не сразу. Процессу самовоспламенения всегда предшествует пе-

риод задержки воспламенения, то есть время с момента начала пода-

чи топлива до появления открытого пламени. В это время в камере

сгорания происходят не только физическое распыление топлива, на-

гревание, испарение, смешивание его с воздухом, но и сложные хи-

мические процессы, связанные с беспламенным окислением топлива.

Главную роль в этих процессах играют химический состав, мо-

лекулярная масса и структура углеводородов, из которых состоит ди-

зельное топливо. Парафиновые углеводороды нормального строения,

нежелательные в бензинах, так как вызывают детонацию, нужны в

топливе для двигателя Дизеля. Трудноокисляемые парафиновые уг-

леводороды изомерного строения и ароматические, желательные в

бензинах, вредны в дизельных топливах, так как увеличивают за-

держку воспламенения и вызывают жесткую работу двигателя.

В результате предпламенных реакций окисления выделяется 10–

15 % энергии, заключенной в топливе. В камере сгорания двигателя

Дизеля одновременно по всей внешней границе впрыскиваемого топ-

лива появляются объемные очаги самовоспламенения. Объемное вос-

пламенение дизельного топлива аналогично детонационному взрыву

в карбюраторном двигателе. Внутри объема самовоспламенения пла-

мя распространяется с детонационной скоростью, то есть со скоро-

стью более 2 тысяч метров в секунду. От очага самовоспламенения

пламя распространяется с нормальной скоростью, то есть со скоро-

стью нескольких десятков метров в секунду.

Оценить склонность дизельного топлива к самовоспламенению,

то есть замерить время задержки самовоспламенения в реальных

единицах измерения времени очень сложно, поэтому для количест-

венной оценки задержки самовоспламенения был предложен метод

цетанового числа.

Цетановое число дизельного топлива определяют методом сравни-

тельных испытаний работы стандартного, эталонного одноцилиндрового

двигателя работающего по циклу Дизеля с переменной степенью сжатия

поочередно работающего на испытуемом и эталонных топливах.

Эталонную смесь составляют из двух углеводородов, один из

которых легко воспламеняется, а второй с трудом. В качестве легко-

воспламеняющегося компонента берут нормальный парафиновый уг-

леводород цетан С16Н34, склонность которого к самовоспламенению

принимают за 100 условных единиц. В качестве трудновоспламе-

няющегося компонента берут ароматический углеводород

á-метилнафталин С10Н7СН3, склонность которого к самовоспламене-

нию принимают за 0 условных единиц.

Цетановым числом называется условный показатель самовос-

пламеняемости дизельных топлив, равный процентному по объему

содержанию цетана в такой смеси его с á-метилнафталином, которая

равноценна испытуемому топливу по самовоспламеняемости.

На практике готовят два эталонных топлива с разницей в две це-

тановые единицы, одно из которых должно быть с большим цетано-

вым числом, а другое с меньшим по отношению к предполагаемому

цетановому числу испытуемого топлива.

При работе эталонного двигателя на испытуемом топливе с углом

опережения впрыска 13° после выведения двигателя на испытуемый

режим работы (температура, нагрузка, обороты) подбирается такая сте-

пень сжатия, при которой топливо воспламеняется в тот момент, когда

поршень двигателя находится в верхней мертвой точке. Затем, не оста-

навливая двигатель и не меняя режим его работы, поочередно перево-

дят работу двигателя на одну, а затем на другую эталонные смеси, при

этом момент воспламенения топлива на одной из них должен наступить

раньше, а на другой – позже верхней мертвой точки.

Для нормальной работы двигателя надо, чтобы топливо воспла-

менялось в строго определенный момент, что вызовет энергичное, но

плавное нарастание давления, не превышающее 0,4–0,6 МПа на один

градус поворота коленчатого вала. Открытое пламя в камере сгорания

образуют только первые порции топлива (самовоспламенение), в

дальнейшем от очагов самовоспламенения пламя будет распростра-

няться одновременно с подачей топлива навстречу его впрыску. Та-

кой режим носит название “ мягкая работа двигателя ”, в этом случае

Ät2             Ät1               а   1 б2

не будет перегрузки его деталей, будет развиваться максимальная

мощность, что обеспечит топливную экономичность.

На развернутой индикаторной диаграмме работы четырехтакт-

ного двигателя Дизеля (рис. 4.3) точкой а обозначено начало впрыска

топлива, а точкой б 1 – момент самовоспламенения, расстояние от точ-

ки а до точки б 1 характеризует время задержки воспламенения Ät1,

при этом кривая 1 представляет нормальный мягкий режим работы.

в

Рис. 4.3. Развернутая индика-

торная диаграмма работы четы-

рехтактного двигателя Дизеля:

а – начало подачи топлива;

б 1, б 2 – момент самовоспламенения;

в – конец подачи топлива;

1 – мягкая (нормальная) работа;

2 – жесткая работа

-60 -40 -20 ВМТ 20 40 60

Угол поворота коленчатого вала, град.

Точкой б 2 обозначен момент воспламенения с большей задерж-

кой Ät1 < Ät2, при этом кривая 2 представляет жесткий режим работы.

Из графика видно, что, несмотря на более высокое максимальное

давление при жесткой работе двигателя, мощность не увеличивается,

так как среднеиндикаторное давление при этом снижается по сравне-

нию с нормальной мягкой работой двигателя. Кривая 1 расположена

выше кривой 2 в первый период горения в конце такта сжатия и на

большей части такта расширения.

При большой задержке воспламенения и заниженном цетано-

вым числе воспламенение топлива происходит с запаздыванием. За

это время будет продолжаться подача топлива, а также будут увели-

чиваться давление и температура. К моменту самовоспламенения в

камере сгорания в области многочисленных будущих очагов откры-

того пламени будет накоплено много топлива и перекисей, произой-

дет близкое к детонации одновременное воспламенение всего накоп-

ленного топлива, резко повысится давление, будет слышен стук в

двигателе. Такой характер горения, напоминающий работу карбюра-

торного двигателя с детонацией, носит название “ жесткая работа

двигателя ”. При такой работе детали двигателя работают с перегруз-

кой, возникает угроза повышенного износа или поломки двигателя;

все это происходит на фоне перерасхода топлива, снижения мощно-

сти и дымного выпуска.

При малой задержке воспламенения и завышенном цетановом

числе воспламенение и горение происходят раньше времени около

форсунки, топливо не успевает распространиться по камере сгорания,

последующий впрыск топлива происходит в продукты горения пре-

дыдущей порции топлива. При этом наиболее удаленные от форсунки

порции воздуха не в полной мере участвуют в процессе горения, эко-

номичность двигателя снижается (см. рис. 4.2), происходит дымный

выпуск отработавших газов.

Влияние цетанового числа на параметры двигателя Дизеля пока-

зано на рис. 4.4.

2,0

1,6

1,2

0,8

0,4

20 30 40 50 60 70

Цетановое число, ед

Рис. 4.4. Влияние цетанового числа на показатели работы двигателя Дизеля:

1 – период задержки воспламенения; 2 – скорость нарастания давления;

3 – удельный расход топлива

От величины цетанового числа зависят пусковые свойства ди-

зельного топлива (рис. 4.5). При неизменных вязкости, фракционном

составе, температурах помутнения и замерзания у топлива с более

высоким цетановым числом лучшая самовоспламеняемость, пуско-

вые возможности двигателя увеличиваются.

Для повышения пусковых возможностей в зимнее время в воздушный

тракт двигателя Дизеля вводят несколько капель сернистого эфира (С2Н5)2О,

обладающего высокой испаряемостью и самовоспламеняемостью.

Углеводороды, удовлетворяющие по температуре помутнения, за-