Вся электронная библиотека >>>

 Топливо, смазки и охлаждающие жидкости >>>

     

 

 

Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости


Раздел: Техника

   

Испаряемость дизельных топлив

  

Процесс испарения дизельных топлив происходит в условиях высоких температуры и давления, а также интенсивных вихревых движений воздуха, характерных для внутренней полости камеры сгорания дизеля в конце такта сжатия.

Время, отводимое на нагревание, зависит от частоты вращения вала двигателя и составляет: от 50 мс для тихоходных двигателей до 0,5 мс для быстроходных (с частотой вращения 6000 мин-1). На испарение дизельного топлива влияют те же физико-химические свойства его, что и на испарение бензинов в двигателях с искровым зажиганием, но количественно условия испарения в бензиновом двигателе и дизеле различны. Поэтому, несмотря на то, что такие физические параметры, как давление насыщенных паров, коэффициент диффузии, поверхностное натяжение, фракционный состав топлива, значительно отличаются от аналогичных показателей бензина, поданное в камеру сгорания дизельное топливо успевает испариться.

Процессы внутреннего смесеобразования, характерные для дизелей, нельзя рассматривать отдельно от процессов воспламенения и сгорания топлива.

Рассмотрим количественные значения основных физико-химических свойств топлива, оказывающих влияние на процесс смесеобразования.

Все топлива, применяемые для дизелей, имеют более тяжелый фракционный состав, чем бензины. Начало их кипения находится в интервале температур, в котором кончают выкипать бензины, или несколько ниже. Диапазон кипения дизельных топлив обычно 150— 360 СС: для тихоходных, стационарных и судовых дизелей используют более тяжелое топливо, выкипающее при температуре 230— 360 °С (газойль), или соляровые фракции с температурой перегонки 300—400 °С (для судовых тихоходных дизелей, имеющих систему подготовки топлива, можно использовать и более тяжелые топлива, например топливо ДМ — мазут).

Особый класс представляют собой топлива широкого фракционного состава (ТШФС), применение которых с каждым годом будет увеличиваться. Температура кипения их 60—350 °С. Все температуры кипения указаны при атмосферном давлении.

При оценке испаряемости топлив в реальных условиях процесса

в дизелях необходимо учитывать значительное увеличение этих температур з связи с высоким давлением среды, где происходит испарение, К моменту подачи топлива в камеру сгорания давление воздуха в ней составляет: в двигателях без наддува 5—6 МПа, а при наддуве 7—10 МПа.

На процесс испарения дизельных топлив большое влияние оказывает поверхностное натяжение: чем меньше поверхностное натяжение, тем тоньше и однороднее распыливание топлива форсунками, способствующее ускорению процессов испарения и смесеобразования.

Поверхностное натяжение дизельного топлива при одинаковой температуре на 30—40 % больше, чем у бензина, но так как его распыливание происходит при более высокой температуре, то практически такой разницы не ощушается. Например, уже при температуре 100 °С поверхностное натяжение дизельного топлива становится практически равным поверхностному натяжению автомобильного бензина при температуре 30 °С. Зависимость поверхностного натяжения дизельных топлив от температуры показана на  10.

Давление насыщенных паров дизельного топлива меньше влияет на процесс его испарения, чем давление паров бензина в двигателе с искровым зажиганием, поскольку это давление при характерных для дизеля соотношениях жидкой и паровой фаз очень нестабильно и процесс испарения происходит при высоком давлении среды.

 

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 о^метилнафталином при условии, что эта смесь на стандартной установке и стандартном режиме имеет такую же задержку воспламененияу как и исследуемое топливо.

Определение ЦЧ производится на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69, основным агрегатом которых является одноцилиндровый предкамерный дизель рабочим объемом 652 см3 и переменной степенью сжатия ( 11).

В качестве эталонных топлив используют два индивидуальных углеводорода — цетан (нормальный гексадекан С1вН34) и а-метил- нафталин (ароматический углеводород CnH1(J). Цетан обладает высокой склонностью к самовоспламенению (имеет малую задержку самовоспламенения), и его воспламеняемость условно принята за 100 ед. а-метил нафталин, наоборот, имеет большую задержку самовоспламенения, и его воспламеняемость принята за 0.

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

К маховику двигателя установки крепят специальный обод, на котором монтируют две неоновые лампы, расположенные на ободе маховика таким образом, что центральный угол между ними состав

ляет 13°. В ободе маховика напротив ламп выполнены прорези, которые можно наблюдать через специальную визирную трубку, Первая лампа вспыхивает в момент начала подачи топлива: контакт- ное 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 со/сатия на одном из эталонных и исследуемом топливах. С этой целью открывают крап на выпускной трубе и, отпустив контрящую рукоятку, вращают штурвал, уменьшая степень сжатия до появления пропусков воспламенения. Появление пропусков сопровождаегся 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 союатия, 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 ие 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»

ЦЧ современных топлив для быстроходных дизелей должно быть не менее для топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей ЦЧ не нормируется. Значение ЦЧ топлив для быстроходных двигателей важно знать потому, что этот показателль 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 ap/dq> не должна превышать 0,5—0,7 АШа на 1° поворота коленчатого вала двигателя. При больших значениях dp/dip работа двигателя становится недопустимо жесткой. Внешне это проявляется стукями, 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, моно- цикланьт, ароматические углеводороды.

От ЦЧ зависят и пусковые свойства топлива. Чем оно меньше, тем хуже пусковые свойства. На  13 приведены зависимости продолжительности пуска дизеля от ЦЧ топлива при различных температурах окружающего воздуха. Чрезмерное увеличение ЦЧ, несогласованное с его испаряемостью, также неиелесообраз но. так как при этом очаги рано воспламенившеюся топлива встречаются с еще неиспарившимся, неподготовленным к сгоранию топливом, что приводит к вялому, неполному сюранию и, следовательно, к ухудшению топливной экономичности двигателя при одновременном увеличении дымности отработавших газов. В меньшей степени это проявляется при пленочном и объемно-плелочном 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.

Коррозионное воздействие топлива на двигатель и топливоподающуш аппаратуру

Основной причиной коррозионного воздействия дизельных топлив на металлы являются содержащиеся в них соединения серы. В отличие от бензинов в дизельном топливе допускается содержание небольшого количества меркаптановой серы, которая относится к ее активным соединениям.

Общее содержание серы в топливе зависит от способов его очистки и 01 того, из каких нефтей получают это топливо. В топливе из малосернистых нефтей допускаемая норма серы составляет 0,2 %. В неочищенном топливе из сернистых нефгей содержание серы может достигать 1 и даже 1,3 %, поэтому эти топлива обязательно подвергают гидроочистке. Поскольку процесс гидроочистки удорожает стоимость производства топлив, то стандарт предусматривает выпуск двух видов дизельных топлив: 1) с предельной нормой серы — 0,2 %, 2) с содержанием серы до 0,5 % (ГОСТ 305—82).

Для топлив, применяемых в средне- и малооборотных двигателях, предельная норма содержания серы повышается до 1,5, а иногда и до 3 %. Использование топлив с высоким содержанием серы допустимо только с одновременным использованием масел со специальными присадками, уменьшающими вредное воздействие серы на двигатель.

Высокую эффективность нейтрализации коррозионного воздействия соединений серы обеспечивают также специальные присадки, вводимые непосредственно в дизельное топливо. Их действие основано или на химической нейтрализации агрессивных продуктов непосредственно в цилиндре двигателя, или на образовании защитных пленок на зеркале цилиндров и поршневых кольцах.

В двигателе возможны два механизма действия соединений-серы, влияющих на интенсивность коррозии и коррозионного износа:

1)        высокотемпературный механизм, действующий в полости цилиндра, где происходит газовая коррозия, которую вызывают образующиеся при сгорании топлив сернистый и серный ангидриды (S02 и S03). Коррозионное воздействие S03 в несколько раз больше, чем S02;

2)        низкотемпературный механизм действия, обусловленный образованием сернистой и серной кислот, которые накапливаются в картерном масле и в низкотемпературных отложениях (шламе).

Стендовые и дорожные испытания показали, что изнашивание поршневых колец и стенок цилиндра увеличивается пропорционально возрастанию содержания серы в топливе ( 14). Действие серы по второму механизму в значительной степени зависит от температуры охлаждающей жидкости, возрастая при ее понижении. Содержание серы в топливе способствует увеличению количества углистых отложений в высокотемпературных зонах г и значительно увеличивает их твердость, вызывая интенсивное абразивное изнашивание цилиндров и поршневых колец.

Контроль общего содержания серы в топливе производится в лабораторных условиях. С этой целью в стандартной лампе сжигают определенное количество топлива ( 15). Продукты сгорания улавливаются, и из них поглощается сернистый газ. По количеству образовавшегося сернистого газа рассчитывают содержание серы в топливе; наличие актив- нон серы определяют пробой на медную пластинку.

Наряду с серой коррозионное воздействие на металлы оказывают и содержа- v щиеся в топливе водонерастворимые нафтеновые кислоты, количественно оцениваемые показателем кислотности топлива. По действующим нормам кислотность дизельных топлив не должна превышать 5 мг КОН на 100 мл топлива.

Кислотность топлива влияет не только на изнашивание деталей топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы двигателя. Установлена связь кислотности с количеством нагара и закоксован- ностью распылителей форсунок. Действие нафтеновых кислот при этом аналогично действию соединений серы.

Присутствие водорастворимых кислот и щелочей в дизельных топливах, как и в бензинах, не допускается. Контроль за этим ведут индикацией водной вытяжки топлива на нейтральность.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости

 

Смотрите также:

 

...Летнее дизельное топливо. Цетановое число...

Цетановое число — основной показатель воспламеняемости дизельного топлива.
Известны присадки для повышения цетанового числа дизельных топлив — изопропил- или циклогексилнитраты.

 

Топливо для двигателей внутреннего сгорания

Испаряемость карбюраторного топлива зависит от его фракционного состава
Для современных быстроходных дизелей цетановое число должно быть равным 40—60
Сорта дизельных топлив. Для быстроходных дизелейчислом оборотов 1000 в 1...

 

...Турбопоршневые двигатели. Дизель, дизельные двигатели

Испаряемость дизельного топлива относительно невелика и поэтому на кораблях с дизельными установками опасность возникновения пожаров меньше, чем на кораблях с бензиновыми двигателями.

 

Особенности горения жидкого топлива и основы его расчета

С уменьшением размера капель уменьшается время их испарения. Испаряемость топлива, его плотность, состав и условия теплообмена с окружающей средой также влияют на скорость горения.

 

...двигателей. Фильтр тонкой очистки топлива

Испаряемость определяет качество бензина.
Фильтр тонкой очистки топлива располагается между топливным насосом и карбюратором.
Октановые числа бензинов для автомоб