Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.





, (2.27)

где V, р – изменение, соответственно объема и давления.

Как и плотность, коэффициент сжимаемости зависит от дав-

ления. При увеличении давления, например, от 0 до 50 МПа ко-

эффициент сжимаемости дизельного топлива (

= 0,85 кг/дм

)

уменьшается от 9310

–5

до 6610

–5

МПа

–1

Вязкость топлива обусловлена силами молекулярного взаи-

модействия. При перемещении одного слоя жидкости относи-

тельно другого возникает сопротивление, значение которого про-

порционально градиенту скорости и площади поверхности кон-

такта (закон Ньютона):

Р  , (2.28)

где Р – сила трения между слоями жидкости;  – коэффициент

динамической вязкости, Нс/м

;

– градиент скорости, м/(см);

S – площадь поверхности контакта слоев, м

Отношение коэффициента динамической вязкости к плот-

ности среды называется кинематической вязкостью, м

/с:





 . (2.29)

Единица кинематической вязкости – 1 мм

/с = 10

–6

/с. Вяз-

кость топлива зависит от плотности и температуры топлива [11]:

т0

1306,1







 ; (2.30)









tlg3,13,01,1

т0т0т

 , (2.31)

где 

т0

, 

т0

– плотность и кинематическая вязкость топлива при

20 С; t – температура топлива.

Вязкость бензинов при нормальной температуре (20 С)

изменяется в пределах 0,5–1,0 мм

/с, дизельных топлив –

1,5–6,0 мм

/с.

При увеличении вязкости топлива возрастает неоднород-

ность размера капель в топливном факеле, ухудшаются процессы

смесеобразования и сгорания. Особенно большое значение вяз-

кость топлива имеет для двигателей с внутренним смесеобразо-

ванием и воспламенением топлива от сжатия вследствие ограни-

ченного времени на процессы смесеобразования, протекающие в

основном в течение периода задержки воспламенения. Снижение

вязкости топлива может быть достигнуто повышением темпера-

туры топлива, использованием специальных присадок.

Поверхностное натяжение характеризуется работой, ко-

торую необходимо затратить при образовании единицы поверх-

ности жидкости для преодоления сил притяжения между час-

тицами. С увеличением поверхностного натяжения, как и вязкос-

ти, ухудшается распыл топлива.

Испаряемость топлива. Испаряемость топлива зависит от

его фракционного состава и определяется путем нагрева и после-

довательного отбора фракций, выкипающих при определенных

температурах. Температура кипения углеводородов, входящих в

состав жидкого топлива, при постоянном давлении постоянна и

зависит от количества атомов углерода в молекуле углеводорода.

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода

температура кипения возрастает. При нормальном давлении

(760 мм рт.ст.) температура кипения t

метана (СН

) составляет

164С, этана (С

) − 93С, пропана (С

) − 44,5С, бутана

(С

) − +1С и т.д.

Испаряемость топлива характеризуется:

 температурой начала перегонки топлива t

н.п.

;

 температурой, при которой перегоняется соответственно

10, 50 и 90 % топлива: t

10%

, t

50%

, t

90%

;

 температурой конца перегонки t

к.п.

(для бензина) и тем-

пературой, при которой перегоняется 98 % топлива (для легроина

и керосина).

На рис. 2.2 показаны кривые перегонки различных топлив.

С увеличением молярной массы углеводородов топлива темпера-

тура начала и конца перегонки смещается в область более высо-

ких температур. Температура выкипания бензина – (40–180) С,

керосина – (140–280) С, дизельного топлива – (180–360) С.

Характеристики

испаряемости топлива

имеют большое значение

для работы двигателя. С

уменьшением темпера-

туры, при которой испа-

ряется 10 и 50 % топли-

ва, улучшаются пуско-

вые качества двигателя с

внешним смесеобразо-

ванием. С повышением

температуры, при кото-

рой выкипает 90 % топ-

лива, возрастают износы

сопряжений гильза–поршень (из-за разжижения масляной плен-

ки), снижается экономичность (из-за ухудшения процессов сме-

сеобразования и сгорания).

Испаряемость топлива может характеризоваться также пар-

циальным давлением насыщенных паров топлива. В табл. 2.6 и

на рис. 2.3 приведены значения парциального давления насы-

щенных паров различных топлив в зависимости от температуры

[12].

Таблица 2.6 – Парциальное давление насыщенных паров

топлива, гПа

Топливо

Температура, С

Кажущаяся

молярная

масса, г/моль

–20

0 20 40 60 80

Авиационный

бензин

80 133

174

498

890

– 90–105

Автомобиль-

ный бензин

36 53 94 187

321

535 95–115

Керосин – – 27 33 40 53 160–190

Спирт (этило-

вый)

3 16 59 179

472

1085

Рисунок 2.2 – Кривые фракционной

разгонки топлива:

1 – бензин А-76 (зимний); 2 – керосин;

3 – дизельное топливо

Количество испарившегося

топлива, %

150

100

200

250

300



100

С уменьшением

молярной массы возрас-

тает парциальное дав-

ление насыщенных па-

ров при одной и той же

температуре. С повы-

шением температуры

возрастает парциальное

давление насыщения.

Теплота парообра-

зования топлив зависит

от молярной массы. С

уменьшением молярной

массы теплота парооб-

разования возрастает.

Например, теплота парообразования бензина – 320 кДж/кг, эти-

лового спирта – 905 кДж/кг.

Самовоспламеняемость топлива. Самовоспламеняемость

топлива оказывает значительное влияние на процессы смесеобра-

зования и сгорания в двигателях с внутренним смесеобразовани-

ем и воспламенением топлива от сжатия, а также на значения

максимальных давлений цикла и скорости нарастания давления.

Самовоспламеняемость (воспламенение топлива без посторон-

него источника) оценивается по температуре самовоспламене-

ния, периоду задержки воспламенения, цетановому числу.

Температура самовоспламенения – температура, при ко-

торой пары топлива воспламеняются без внешнего источника

зажигания. Ароматические углеводороды имеют более высокую

температуру самовоспламенения, чем парафиновые или нафтено-

вые. Поэтому температура самовоспламенения бензинов значи-

тельно выше, чем дизельных топлив: бензинов – (330–470)С, ди-

зельного топлива зимнего – 240С, дизельного летнего – 310С.

Самовоспламеняемость топлива может быть оценена и по

периоду задержки воспламенения. Чем ниже температура само-

воспламенения топлива, тем меньше период задержки воспламе-

нения. Период задержки воспламенения изменяется в пределах

0,0005–0,002 с и зависит от конструкции двигателя, степени сжа-

Рисунок 2.3 – Изменение парциального

давления насыщенных паров топлива

1 – авиационный бензин;

2 – автомобильный бензин;

3 – керосин

0,3

0,2

0,1

–20



,10

5н



Па

тия, различных качеств топлива и других факторов. Исключить

эти факторы при оценке самовоспламеняемости можно при ис-

пользовании эталонного топлива.

Более общий показатель самовоспламеняемости – цетано-

вое число топлива (ЦЧ), которое определяется по периоду за-

держки воспламенения или критической степени сжатия (наи-

меньшей степени сжатия, при которой возможно еще самовос-

пламенение). При определении цетанового числа используют од-

ноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия, а в ка-

честве эталонного топлива – смесь цетана С

и -метил-

нафталина С

, отличающегося от нафталина метиловой груп-

пой СН

. Цетановое число цетана принимают равным 100, а

-метилнаф-талина – 0.

При работе двигателя на испытуемом топливе снимают ин-

дикаторную диаграмму с регистрацией момента впрыска топли-

ва. По индикаторной диаграмме определяют период задержки

воспламенения. Затем двигатель переводят работать на смесь це-

тана и -метилнафталина и подбирают состав смеси таким обра-

зом, чтобы период задержки воспламенения был тем же, что и

при работе на испытуемом топливе. Объемная доля цетана в

смеси с -метилнафталином при условии равенства периодов

задержки воспламенения при работе двигателя на испытуемом

топливе и на смеси называется цетановым числом.

По ГОСТ 3122-67 цетановое число топлива определяют на

специальной одноцилиндровой установке ИТ9-3М или ИДТ-69

по равенству степеней сжатия, соответствующих моменту вос-

пламенения топлива в ВМТ при угле опережения впрыска топли-

ва 13 град. ПКВ до ВМТ и при работе двигателя на испытуемом

топливе и на смеси цетана с -метилнафталином. Моменты

впрыска и воспламенения регистрируют с помощью безинер-

ционных ламп-вспышек, подсоединенных к датчикам впрыска и

воспламенения. Изменение степени сжатия на установке осу-

ществляется без остановки двигателя.

Способ определения цетанового числа топлива по периоду

задержки воспламенения трудоемок. Значительно проще опреде-

ление цетанового числа топлива по критической степени сжатия.

При работе двигателя на испытуемом топливе определяют мини-

мальную степень сжатия (критическую степень сжатия), при ко-

торой еще происходит самовоспламенение топлива. Затем двига-

тель переводят работать на цетан, к которому постепенно увели-

чивают добавку -метилнафталина вплоть до момента прекраще-

ния самовоспламенения топлива. В этом случае цетановое число

топлива, как и ранее, представляет собой процентное содержа-

ние цетана в смеси с -метилнафталином при условии равенст-

ва критических степеней сжатия при работе двигателя на ис-

пытуемом топливе и на смеси.

Рассмотренные способы определения цетанового числа топ-

лива по точности практически равноценны.

Кроме моторных способов оценки самовоспламеняемости

топлив, известны лабораторные, из которых обычно используется

оценка самовоспламеняемости топлива по дизельному индексу

(ДИ) [13]:

ДИ = 0,01(1,8А + 32)(141,5 – 131,5

), (2.32)

где 

– плотность топлива при 15 С, кг/дм

; А – анилиновая

точка (температура в С, при которой происходит помутнение

смеси топлива и анилина в пропорции 1:1).

Температура, при которой происходит помутнение смеси

топлива и анилина, зависит от содержания в топливе ароматичес-

ких углеводородов.

Соотношения между анилиновым числом, дизельным ин-

дексом и цетановым числом топлива примерно следующее [14]:

Анилиновое число

55,7 63,7 70,6 83,3

Дизельный индекс

36,1 43,8 52,1 61,4

Цетановое число 40,0 43,5 50,0 60,0

Цетановое число дизельных топлив находится в пределах

40–55, бензинов – 10–30. Повышение цетанового числа дизель-

ных топлив может быть достигнуто путем присадки высокомо-

лярных предельных углеводородов, но при этом из-за снижения

термической стойкости высокомолярных углеводородов образу-

ется свободный углерод и ухудшается полнота сгорания.

Детонационная стойкость топлива. Детонация – процесс

сгорания, протекающий с высокой скоростью распространения

фронта пламени (до 2500 м/с). Возникающая при этом ударная

волна воспринимается на слух как резкий металлический стук в

цилиндре двигателя. Возникновение детонации в двигателях

внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием зависит от

детонационной стойкости топлива, состава топливовоздушной

смеси, степени сжатия и ряда других факторов.

Экспериментальными исследованиями установлено, что де-

тонация возникает при сгорании последних порций топливовоз-

душного заряда. Причина возникновения детонации – повышен-

ное содержание в смеси пероксидов, образующихся в результате

прямого присоединения молекулы кислорода к молекуле углево-

дорода. Детонационное сгорание имеет двухстадийный характер.

На первой стадии (холоднопламенный процесс) происходит обра-

зование и накопление в смеси пероксидов. После воспламенения

топливовоздушной смеси возрастает скорость образования пе-

роксидов, которые накапливаются в несгоревшей части рабочей

смеси. При достижении критической концентрации пероксидов

происходит их взрыв.

Пероксиды образуются по цепной реакции с образованием

нестойких промежуточных соединений, являющихся очагами но-

вых реакций окисления. При низкой детонационной стойкости

топлива к концу процесса сгорания на периферии камеры сгора-

ния накапливается большое количество пероксидов, находящихся

под воздействием высокого давления и температуры, что и обус-

ловливает возникновение детонации.

Детонационная стойкость топлива определяется сравнением

его с эталонным топливом, представляющим смесь гептана

(С

) с изооктаном (С

). Гептан принадлежит к предельным

углеводородам с неразветвленной цепью атомов углерода в мо-

лекуле. Молекулярная масса его близка к молекулярной массе

бензина ( = 100). Детонационная стойкость гептана принята

равной 0. Изооктан принадлежит к предельным углеводородам,

но с разветвленной цепью атомов углерода в молекуле; его моле-

кулярная масса 114. Изооктан обладает высокой детонационной

стойкостью, принимаемой равной 100 единицам.

Детонационная стойкость топлив определяется по крити-

ческой степени сжатия, соответствующей моменту начала

детонации. Для этих испытаний также используют стандарт-

ные двигатели (ИТ9-2, УИТ-65, S/D = 115/85) с переменной сте-

пенью сжатия. При работе двигателя (n = 900 об/мин, температу-

ра топливовоздушной смеси t

см

= 149С – моторный метод) на

испытуемом топливе определяют степень сжатия, при которой

прослушивается металлический стук, свидетельствующий о воз-

никновении детонации. Затем двигатель переводят работать на

изооктан, к которому постепенно увеличивают добавку гептана

до величины, когда снова появляется четко прослушиваемый ме-

таллический стук. Объемная доля изооктана в смеси с гептаном

при условии, что детонация при работе на испытуемом топливе

и на смеси изооктана и гептана начинается при одной и той же

степени сжатия, называется октановым числом топлива (ОЧ).

Октановое число по моторному методу определяется при составе

смеси, соответствующей  = 0,95–1,05.

Если детонационная стойкость топлива выше 100 единиц, то

для определения октанового числа топлива поступают следую-

щим образом. При работе двигателя на изооктане находят сте-

пень сжатия, при которой начинается детонация. Затем переводят

двигатель работать на испытуемое топливо и добавляют к топли-

ву гептан. Добавку гептана увеличивают до величины, когда сно-

ва прослушивается металлический стук. Октановое число при

этом определяют как сумму ОЧ изооктана и процента добавки

по объему гептана к испытуемому топливу.

Октановое число автомобильных бензинов в зависимости от

марки изменяется в пределах 76–98.

Наряду с моторным методом определения октанового числа

топлива во многих странах используется также исследователь-

ский метод, который отличается от моторного пониженной час-

тотой вращения коленчатого вала (n = 600 об/мин). Температура

топливовоздушной смеси при этом не контролируется. Исследо-

вательский метод определения ОЧ топлива лучше характеризу-

ет детонационную стойкость автомобильных бензинов на ав-

томобилях, работающих в городских условиях (меньшая тепловая

напряженность двигателя, ниже частота вращения коленчатого

вала).

Для повышения антидетонационной стойкости топлива

применяют различные антидетонаторы, в основном тетраэтил-

свинец Pb(C

)

. В чистом виде тетраэтилсвинец не применяют

вследствие интенсивного отложения свинца на днище поршня,

выпускных клапанах, электродах свечи зажигания. Обычно тет-

раэтилсвинец используется в виде этиловой жидкости (Р-9, 1-

ТС, П-2), в состав которой входят соединения, препятствующие

отложению свинца на поверхностях стенок камеры сгорания,

клапанов (бромистый этил BrC

, хлорнафталин С

Cl и др.)

Все этиловые жидкости ядовиты, требуют соблюдения опреде-

ленных мер предосторожности.

Наибольший эффект достигается при малых добавках эти-

ловой жидкости (до 3–4 мл/кг бензина). Например, при добавле-

нии 1 мл (1,5 г) этиловой жидкости в 1 кг бензина октановое чис-

ло возрастает на 10 единиц, при добавлении 4 мл (6 г) – на 19

единиц [15].

§4. Марки моторных топлив

Качество топлива, применяемого в двигателях внутреннего

сгорания, регламентировано соответствующими стандартами или

техническими условиями (временными нормативными докумен-

тами). В таблицах 2.7–2.9 приведены в качестве примера основ-

ные показатели различных моторных топлив.

Этилированные бензины имеют окраску и при их хранении,

перевозке необходимо соблюдать определенные правила.

При температуре воздуха выше –10 С применяют летнее

дизельное топливо, при температуре воздуха выше –25 С – зим-

нее; при температуре окружающего воздуха до –50 С – аркти-

ческое. При повышенном содержании серы в топливе для умень-

шения износов цилиндра и поршневых колец применяют масла

со специальными присадками.

Таблица 2.7 – Основные показатели автомобильных

бензинов (ДСТУ 4063-2001)

Показатель А-80 А-92 А-95

Октановое число, определенное по методу:

моторному 76 82,5 85

исследовательскому 80 92 95

Содержание свинца, г/дм

0,013 0,013 0,013

Температура начала перегонки,



С (не ниже)

30 30 30

10 % +бензина перегоняется при температу-

ре, С (не выше)

50 % бензина перегоняется при температуре,

С (не выше)

120

90 % бензина перегоняется при температуре,

С (не выше)

190

Температура конца перегонки,



С (не ниже)

215 215 215

Остаток, % (не более) 1,5 1,5 1,5

Остаток и потери, % (не более) 4 4 4

Плотность при 20



С, кг/м

(не более)

760 780 780

Таблица 2.8 – Основные показатели топлив для

быстроходных дизелей

Показатель

ДСТУ 3868-99

Л З

Цетановое число (не менее) 45 45

Фракционный состав:

50 % перегоняется при температуре,



С (не выше)

280 280

96 % перегоняется при температуре,



С (не выше)

370 370

Кинематическая вязкость при 20



С, мм

/с

3–6 1,8–6

Температура застывания для климатической зоны,

С (не выше)

–10

–25

Массовая доля серы в топливе, % (не более): вида I 0,05 0,05

вида II 0,10 0,10

вида III

0,20 0,20

вида IV

0,50 0,50

Зольность, % (не более) 0,01 0,01

Плотность при 20



С, кг/м

(не более)

860 840