Лаврик А.Н. Топливо для ДВС

Подождите немного. Документ загружается.

нии числа атомов углерода в молекуле цетановые числа уменьшаются,

особенно это характерна для числа атомов углерода, меныпьм 14.

По количеству углерода в сложной углеводородной молекуле про-

дукты переработки нефти" разбиваются на бензины о количеством атомов

углерода в молекуле от 5 до 14 (C

...0j

), дизельные топлива

(C-j-Q... C2g), смазочные масла (С

о-

•

• Э™

можно объяснить уве-

личение цетановых чисел топлив при добавке к ним смазочных масел.

Влияние ЦЧ автотракторных топлив на рабочий цикл дизеля главным

образом проявляется через период задержки воспламенения. При

уменьшении ЦЧ происходит увеличение периода задержки воспламенения.

На рис. 32 приведены индикаторные диаграммы, характеристики вы-

горания и окорости сгорания дизельного топлива и бензина А-72. Ин-

дикаторные диаграммы сняты на дизеле ЧТЗ Д-108 при одинаковых часо-

вых расходах топлива 4,76 кг/ч на один цилиндр, на.номинальной

частоте вращения коленчатого вела 1070 об/мин и при угле опережения

начала подачи тошшва 28 град п.к.в. При этом часовом расходе при

работе на дизельном топливе обеспечивается номинальная мощность дви-

гателя.

Период задержки воспламенения на дизельном топливе (ЦЧ = 45) ра-

вен 10,5 град п.к.в., а на бензине А-72 (ЦЧ = 24) - 17 град п.к.в.,

т.е. период задержки воспламенения на бензине А-72 в 1,67 раза боль-

ше, чем на дизельном топливе.

К моменту достижения давлением максимальной величины °выгорает

разное количество топлива: дизельного - 46$, бензина А-72 - 65$.

Максимальное давление газов в цилиндре на бензине равно 7,2 МПа,'

на дизельном топливе - 6,8 МПа, максимальная быстрота нарастания

давлений отличается на 0,15 МПа. Относительно небольшое ухудшение

динамических показателей цикла при значительно возросшем периоде

задержки воспламенения объясняется тем, что в случае работы дизеля на

бензине уменьшается угол опережения воспламенения и процесс сгорания

идет при увеличивающемся объеме, а также эффектом самоторможения

сгорания.

Перемещение момента воспламенения к ВМТ при переходе о дизельно-

го топлива на бензин происходит о одновременным увеличением скорости

и сокращением продолжительности сгорания соответственно в 1,4 и

1,5 раза.

На характеристике выгорания можно выделить два участка, которые'

особенно проявляются в случае сгорания низкоцетэнового топлива.

Первому участку соответствуют высокие скорости сгорания топлива. На

ч>

s №

№

| 0,06

-Ю О Ю 20 3d W SO 60 70 JO 00 >&0

Угол ffoStpa/rtcr Зала, град

Рис,32. Индикаторные диаграммы (I), характеристики выгорания (2)

и скоростей сгорания (3) на дизельном топливе и бензине

А-72

втом участке сгорает топливо, поступившее в цилиндр двигателя за

период задержки воспламенения, и часть топлива, Поступившего в ци-

линдр после воспламенения. По характеру сгорание на первом участке

близко к диффузионно-кинетическому, взрывному, т.е. когда окорости

смешения (диффузии) и реакции (кинетики) приблизительно одинаковы.'

Основным фактором, определяющим количество топлива, огоревшего в

диффузионно-кинетической области, является период задержки воспла-

менения. Чем больше период задержки воспламенения, тем большая до-

ля топлива участвует во взрывном сгорании, что и порождает жесткую

работу дизеля.

На первом участке вследствие температурной и концентрационной

неоднородности смеси часть топлива, поступившего в цилиндр после

воспламенения, превращается в продукты распада и процесс сгорания

сопровождается выделением трудноогораемого свободного углерода. Это

приводит к возникновению эффекта самоторможения окислительных про-

цессов и предотвращения тем самым детонационного сгорания. Эффект

самоторможения, который явно выражен на характеристике выгорания

бензина, является важным фактором в формировании показателей динами-

ки процесса огорания.

Второй участок характеризуется относительно невысокими скоростя-

ми сгорания продуктов реакций неполного окисления свободного углеро-

да и вновь поступившего топлива. По характеру сгорание на этом уча-

стке близко к диффузионному, при котором процесс огорайш лимити-

руется скоростью смешения воздуха и горючего вещества. Основным

средством интенсификации огорания в этой области являются воздуш-

ные вихри, обеспечивающие хорошее перемешивание заряда в цилиндре

двигателя. Это требование хорошо обеспечивается в полуразделенных

и разделенных камерах огорания, поэтому двигатели *с такими камера-

ми менее чувствительны к топливам различного фракционного состава.

При уменьшении

•

цетановых чисел увеличиваются количество топли-

ва, сгорающего в диффузионно-кинетической области, и максимальные

окорости огорания (рис. 33). При уменьшении количества тошшва, ого-

ращего в диффузионно-кинетичеокой области, происходит сглаживание

второго максимума сгорания, и процесс сгорания приобретает большую

степень "управляемости", двигатель работает мягко, однако при неко-

тором ухудшении экономичности.

При работе двигателя на режимах малых нагрузок, холостого хода

особенно при пуске в условиях низкой температуры окружающего воз-

духа условия для воспламенения топлив в камере огорания ухудшаются,

№

поэтому наибольшее влияние цетановые числа оказывают на эксплуата-

цию двигателей на этих режимах работы (рио, 34, 35),

а/ч

||"

I I

Ч О,Об

20 25 SO 35

Цетано&ое

чисио

40 #5

0,7 |

® 4

Рио.

33. Зависимость максимальной скорости

сгорания (I) и количества топлива,

сгорающего в диффузионно-канетиче-

скоЦ области (2) от цетанового чиолз

Выпускаемые в настоящее

время дизельные топлива име-

ют цетановые числа от 40 до

50 единиц. Чрезмерное повы-

шение ЦЧ приводит к некото-

рому ухудшению процеоса сго-

рания. Воспламенение с очень

малым периодом задержки вос-

пламенения приводит к умень-

шению скорости и полноты сго-

рания топлива за счет умень-

шения турбулчзирующего фак-

тора, а следовательно, к

дымному выхлопу и снижению

экономичности двигателя.

Фракционный состав и дру-

гие физические свойства топлива

ния через смесеобразование

фракционного состава.

3.Г 40 SO &

Цвтаноёое число

Рис.34. Влияние цэтановсго числа топ-

лива .на продолжительность пу-

ска при разных температурах

оказывают влияние на процесс сгора-

Предпочтит'ельнее топлива более легкого

№

5.5. Коррозионные

и нагарообразующие овойства

дизельных топлив

При наличии в топливе водо-

растворимых кислот и щелочей,

органических кислот, серы я сер-

нистых соединений, смол, кокса и

других неуглеводородных соеди-

нений происходит коррозионный

и абразивный износ двигателя,

увеличивается количество нагаро-

и лакоотложений, Общее содержа-

ние неуглеводородных примесей

в дизельных тошшвах в 3-5 раз

больше, чем в автомобильных бен-

зинах.

личных нагрузочных режимах

•

Водораотворимые кислоты и

работы дизеля Д-108 щелочи в дизельных топливах не

допускаются, и их наличие оце-

нивается качественно по реакции водной вытякки индикаторами.

Содержание органических кислот в топливах характеризуется кислот-

ностью в мг КОН на ТОО мя топлива. В автотракторных дизельных

топливах допуокается кислотность до 5 мг КОН. При повышенной кислот-

ности происходит коррозия топливных баков и топливной аппаратура,

наблюдается повышенный износ плунжеров и зэкоксовывание распылите-

лей форсунок, усиливается чагарсотложение в двигателе, а следова-

тельно, повышается абразивный износ цилиндро-поршневой группы.

Наибольшее влияние на коррозионную агрессивность дизельных топ-

лив оказывают сернистые соединения (рис. 36).

Дггя ограничения активных сернистых соединений дам дизельных топ-

лив предусмотрены коррозионные испытания - проба на медную' пластин-

ку. Топлива должны иметь отрицательную пробу на медну® пластинку.

Это гарантирует содержание в топливе такого количества активных сер-

нистых соединений, которое мало влияет на его коррозионную агрессив-

ность Наибольшей коррозионностью обладают меркаптаны ЕСН. Например,

износ плунжерных пар при работе на топливе о содержанием 0,25 $

меркаптановой серы увеличивается вдвое по сравнению о износом на

топливе 6es меркаптанов. Удаление меркаптанов из тошшва приводит к

—

о.гт<з

20 26 30 33 w *s

Ue/naf/oSoe wcao

Рио.35. Влияние цетаяозого числа

топлива на период задерж-

ки воспламенения при рэз-

№

0,4 A3 i2 16

Содержание серь/ Swvfe. 'Л

Рис.36. Изноо втулки цилиндра да-

зеля Д-54 в зависимости о^»

содержания сери в топливе и

температуры охлаждающей во-

да: I - 35...55°С; 2 -

- 75...95°С

уменьшению толщины лаковых пле-

нок на иглах распылителей в 2-

5 раз и повышает температуру

начала образования лака на них

и" 25...30°С. В товарных топли-

вах содержание меркапт<мовой

серы не превышает 0,01$.

Сернистые соединения вызы-

вают интенсивное отаревие сма-

зочных масел и повышают склон-

ность топлива к нагарсобразо-

ванив. Нагар, содержащий серу,

более твердый.и трудноудгпяе-

мый, что отрицательно влияет

на нбразивный ианоо деталей

двигателя.

Для борьбы с коррозионным

действием продуктов сгорания

сернистых топлив к маслам до-i

бавляют щелочные присадки, которые нейтрализуют коррозионное дейст-

вие кислотных соединений. Также применяют пористое хромирование вту-

лок цилиндров' и колец, повышают тепловой режим двигателя увеличени-

ем температуры охлаждающей воды, воздушным охлаждением и переходом к

системам высокотемпературного охлаждения.

Нагар и лакообразование в двигателе могут вызвать закоксовывание

отверстий распылителя, отложение нагара в выхлопной оистеме, приго-

рание поршневых колец, задиры поверхности поршня, старение масла и

другие неисправности. В большой степени нагарообразование зависит

от содержания в топливе непредельных углеводородов, высокомолекуляр-

ных смолистых соединений, сернистых соединений и органических мо-

лот. Склонность топлив к нагарообразованию ориентировочно оценивает-

ся коксуемостью топлива (коксовым числом). Коксуемостью называется

свойство топлива давать углеродистый остаток при нагревании без дос-

тупа воздуха.

Коксуемость определяют нагревом навески топлива в. тигле без досту-

па воздуха. Пары топлива, образующиеся горючие газы отводятся и под-

жигаются. Интенсивное нагревание тигля продолжают до полного прекра-

щения выделения горючих газов. После Ькончания опыта тигель о угли-

стым остатком охлаждают и взвешивают. Коксуемость вычисляют в про-

центах от взятой навески топлива.

Коксуемооть дизельных тошшв возрастает о утяжелением фракци-

онного состава. Так как коксуемость днотюшятных дизельных топлив

относительно мала, то при определении их коксуемости берут 1С$-ный

остаток от перегонки, считая, что хвостовые фракции главным обра-

зом влияют на коксуемость топлив. Например, облегченные дизельные

топлива, выкипающие в пределах от 130 до 280°С в определенных ус-

ловиях дают 100...140 мг нагара на I кг юшагоа, дизельные топлива

о температурами выкипания 160...360°С образуют нагара 245...265 мг/кг,

а топлива, выкипающие до 400...420°С - до 360 мг/кг. В технических

требованиях на автомобильные дизельные топлива температура перегон-

ки 95$ тошшва должна быть не выше 360°С.

На ресурс работы двигателя оказывает влияние ж зольность топлива,

так как остающаяся после сгорания топлива зола увеличивает износ

гильз цилиндров и колец. Зола представляет собой окислы металлов и

щдр. Это негорючие компонента топлива.

Зольность определяют медленным выпариванием, а затем прокалива-

нием навески тошшва, и после взвешивания массу золы выражают в про-

центах к взятой навеске. Стандарты допускают зольность дизельных топ-

лив не более 0,01$.

увеличением фракционного соотава зольность по-

вышается. Например, зольность мазута достигает деоятых долей про-

цента.

5.6. Присадкя к допельным топливам

Присадки предназначаются идя улучшения одного или нескольких эксп-

луатационных свойств тошшв. К топливным присадкам предъявляют ряд

требований. Они должны быть доступными и недорогими, сгорать в топ-

ливе без отложений, растворяться в топливах, улучшая одни и не ухуд-

шая другие свойства, быть устойчивыми в щццеосе хранения и эксплу-

атации тошгавэ. Спецификациями на некоторые топлива допускается до-

бавление к кшд присадок различного назначения.

Существует несколько групп присадок:

- улучшающие процесс сгорания топлив: противодымнае, противопо-

жарные, активаторы горения, приезда для уменьшения периода задержки

воспламенения;

- способствующие сохранению свойств топлив при их хранении и эк~

сотуатацшг: антвокислительные, деактиваторы металлов, диспергирующие;

- предотвращавшие вредное воздействие топлив на топливную аппара-

туру: протавойзноонне, противокоррозионные;

- улучшающие низкотемпературные свойства соплив - депреосаторы;

№

- различного назначения: антистатические, для повышения элект-

ропроводности топлив, дяя улучшения приработки деталей и др.

Для автотракторных дизельных топлив применение получила присад-

ки для уменьшения периода задержки воспламенения (увеличение цета-

нового числа) и депресоаторы. При помощи присадок можно увеличить

цетановое число газоконденсатных топлив широкого фракционного сос-

тава и бензинов при необходимости иопальэсваяия их в дизелях.

Механизм действия присадок, повышающих цетановое число топлив,

объясняют на основании теории цепных реакций. Бри относительно

низких температурах и давлениях в условиях двигателя присадки рас-

падаются на активные радикалы, которые являются начальными центра-

ми цепных реакций. Присадки ускоряют начальные предаламенные реак-

ции, что уменьшает период задержки воспламенения.

В нашей стране допущен к применению изояропилнитрат в качестве

присадки к дизельному топливу. Для повышения цетанового числа в

топливо обычно добавляют не более 1% присадок.

Для облегчения пуска дизельных двигателей в зимнее время в кус-

ковое топливо добавляют до 5С$ этилового эфира. Эффект наблюдается

при добавлении не менее 10$ этилового эфира.

Первая эффективная депреооорная присадка под названием Паро-

флоу разработана в 1931 г., предназначалась для масел. Эта присадка

является продуктом взаимодействия нафталина с хлорированным пара-

фином. Присадка Парафдоу применяется и в настоящее время.

Для топлив предлагалось большое количество различных депрессор-

ных присадок, однако они не находили долгое время практического при-

менения из-за того, что, снижая температуру застывания топлива, при-

садки мало повышали "температуру его помутнения. В шестидесятых

годах было, показано, что многие топлива можно использовать в двига-

телях я при температурах ниже их температур помутйения. Это явилось

новым толчком для начала работ по созданию присадок к тоюхивам.

• Наибольшее распространение за рубежом получили сополимеры этилена

с вишшацетэтом, например Парадин-20. Присадки выпускаются в раство-

ре толуола. При добавке в топливо 0,02,..о,и? приоадки температура

застывания топлив снижается на 20. ..30$. Наша промышленность внпус-

кает депресоаторы АаНИЩШШ-1,. полиметакрилат-Д. Добавление этих

присадок к дизельному летнему топливу Новокуйбышевского НПЗ в коли-

честве 0,5$ привело к снижению температуры застывания соответствен-

но на II и 21°С.

№

Чувствительность топлив к депрессорннм присадкам зависит от их

химического состава. Увеличение содержания в топливах парафиновых

углеводородов, особенно высокомолекулярных, повышает чувствитель-

ность топлив. Смолистее вещества и ароматические углеводороды рез-

ко снижают чувствительность топлив к депресоорным присадкам.

Имеется ряд теорий, объясняющих механизм действия депреооаторов.

По одной из них, депреосатор, адсорбируясь на образующихся кристал-

лах парафиновых углеводородов, "закрывает" их и тем самым препятст-

вует образованию жесткого каркаоа. Разработка и применение депрес-

сорных присадок являетоя эффективным направлением для создания топ-

лив с хорошими низкотемпературными свойствами.

5.7. Пожароопасность топлив

Пожарную опасность топлив оценивают температурой вспышки, восп-

ламенения, температурой самовоспламенения при контакте топлива о,

нагретой поверхностью, температурными пределами образования взры-

воопасных смесей паров топлива с воздухом и концентрационными пре-

делами взрывоопасных смесей.

Температурой водышки топлива называют ту минимальную температу-

ру, при которой пары топлива, ..залитого в закрытый тигель, вспыхи-

вают при поднесении открытого пламени. Сжиженные газы имеют тем-

пературу вспышки ниже минус 70, бензины мкнуо 27...39, дизельные

топлива плюс ЗО...ДЮ°С. °

Установлено, что при температуре вопышки топлив, определяемой в

закрытом сосуде, давление их паров достигает 7...10 мм рт.от. Следо-

вательно, температура вопышки топлив, определяемая в закрытом тигле,

еоть та температура, при которой давление паров данного топлива дос-

тигает 7...10 мм рт.от. При облегчении фракционного состава и повы-

шении давления паров температура вопншки топлив понижается.

Минимальную температуру, при которой приближение открытого пла-

мени вызывает не только вспышку, но и горение топлива, называют

температурой воспламенения.

Пламя по поверхности жидкого тошшва распространяется со скорос-

тью 1,2...1,4 м/с. В лашнарно движущейся топливовоздушной смеси

скорость распространения пламени 0,3...0,6, а в условиях турбулент-

ного ооотояния - 10...30 и/о.

В условиях эксплуатации при попадании тошшва на нагретую поверх-

ность возможно его самовоспламенение. Температура самовоспламенения

тс маша зависит от метода ее оценки. На ее величину оказывает вяия-

76"

ние химический и фракционный состав,топлива. При увеличении молеку-

лярного веса и утяжелении фракционного оостава температура самовос-

пламенения топлив понижается.

Температура самовоспламенения сжиженных газов равна 400...470,

бензинов - 255...370, дизельных топлив - 230...ЗХ5°С. В закрытом

объеме пары Топлива о воздухом при определенных температурах обра-

зуют взрывоопасную смесь. Существует нижний и верхний температурный

предел образования взрывоопасной омёои. Нижним температурным преде-

лом называют минимальную температуру, при которой пары топлива в

закрытом пространстве образуют взрывоопасную смесь. При .дальнейшем

понижении температуры топливная смеоь обедняется наотолько, что ста-

новится трудновоопламеняюцейоя. Верхний температурный предал - мак-

симальная температура топлива, при которой смеоь паров его о возду-

хом еще сохраняет взрывные свойства. При дальнейшем повышении тем-

пературы омеоь сильно переобогащается парами

топлива ж

становится

негорючей. Например, для бензина А-72 и дизельного летнего тошшва

эти пределы ооответотвенно равны минус 39,8 и плюс 100,0°С.

Концентрационными пределами воспламенения называют предельные

концентрации паров тошшва и воздуха, яри которых возможно воспламе-

нение смеои и распространение пламени. Они завиоят от физико-хими-

ческих свойотв топлива, анергии и вида иоточника зажигания, места

его расположения, температуры змеей и т.п. Например, концентраци-

онные пределы воспламенения паров бензина по объему при 0°С -

1,4...6,2$, а при 200°С - 0,99...7,25$.

5.8. Ассортимент дизельных топлив

Автотракторные дизельные тошшва готовят на базе керосиновых,

газойлевых и соляровых дистиллятов прямой перегонки. При необходи-

мости для удаления серы используют гидроочиотку и'карбамидную депа-

рафинизацию. Поэтому групповой состав дизельных тошшв ограничивает-

ся в основном метановыми и нафтеновыми углеводородами.

Дизельные топгшва выпускаются по двум стандартам (табл. 9). По

ГОСТу 305-73 изготавливают дизельные топ~ива из сернистых нефтей,

а по ГОСТу 4749-73 - из малосерггастых нефтей.

Тошшва по ГОСТу 4749-73 содержат о еры до 0,2$. Изготавливаются,

три марки топлив: дизельное летнее ДЛ, зимнее ДЗ и арктичеокое ДА.

Это топливо лишь из продуктов прямой перегонки нефти. Добавление

каких-либо других компонентов в эти топлива не допускаотся.

Топлива по ГОСТу 305-73 в зависимости от глубина обеосеривания

№