Топлива для дизельных двигателей

Дизельные двигатели применяют во всех отраслях производства. Основное их преимущество – высокая экономичность, дизельные двигатели расходуют топлива на 25–30% меньше, чем карбюраторные. В СДМ применяются быстроходные двигатели (число оборотов более 1000 об/мин и скорость поршня равна 6,5 м/с и более).

Развитие дизельных двигателей показало, что для каждого типа дизеля требуется своё вполне определённое топливо. В настоящее время некоторые дизели работают на керосине, а некоторые даже на мазуте. Поэтому под общим названием «дизельное топливо» следует понимать керосин, солярное масло, и их смеси.

Дизельное топливо – это нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурой кипения от 200 до 350°С. Дизельное топливо – прозрачная, более вязкая, чем бензин, жидкость.

Рабочий процесс дизельных двигателей, по сравнению с карбюраторными, происходит при более интенсивных режимах. Так, давление в конце такта сжатия достигает 3–7 МПа, а температура воздуха 500–800°С. Давление впрыска топлива в тракторных дизелях 15 Мпа, а в автомобильных 0,80–1,40 Мпа. Время на смесеобразование у дизельных двигателей в 100 раз меньше, чем карбюраторных двигателей.

Надёжная и экономичная работа дизельных двигателей обеспечивается, когда правильно подобрано топливо, установлен оптимальный угол опережения впрыска и когда смесь полностью сгорает во время рабочего хода. Иначе увеличивается дымность выхлопа, падает мощность, повышается удельный расход топлива.

Для обеспечения в быстроходных дизельных двигателях полного и качественного сгорания топлива к нему предъявляются следующие эксплуатационные требования:

1) хорошая прокачиваемость как условие надёжной работы насоса высокого давления (не содержать механических примесей, воды и иметь необходимые вязкость и низкотемпературные свойства);

2) обеспечивать тонкий распыл и хорошее смесеобразование (зависит от вязкости и фракционного состава);

3) полное сгорание без образования дыма, лёгкость пуска и мягкость работы двигателя (зависит от цетанового числа, вязкости, фракционного состава);

4) не вызывать повышенного нагарообразования на клапанах, кольцах и поршнях, закоксовывания форсунок и зависания иглы распылителя (зависит от химического и фракционного состава, способов и глубины очистки);

5) не вызывать коррозии резервуаров, топливопроводов, топливоподающей системы и деталей двигателя (зависит от содержания серы и её соединений, органических и минеральных кислот, воды);

6) быть стабильным (не менять свойства при длительном хранении) и при сгорании выделять, возможно, большее количество тепла.

Как следует из перечисленных требований, вязкость является одним из основных свойства топлива, влияющих на эксплуатационные показатели двигателя, особенно в зимнее время. Вязкость дизельного топлива очень сильно зависит от температуры, поэтому с её повышением вязкость уменьшается и наоборот. Вязкость бывает абсолютной и условной. Абсолютная вязкость может быть динамической и кинематической.

Динамическая вязкость – коэффициент внутреннего трения (η). Обычно используется при расчетах насосов, трубопроводов и так далее.

При оценке свойств различных нефтепродуктов используют кинематическую вязкость – удельный коэффициент внутреннего трения (ν). Эти коэффициенты связаны между собой плотностью ρ.

.

Размерность кинематической вязкости в системе СИ это м² / с. Обычно кинематическую вязкость измеряют в сантистоксах:

Условная вязкость размерности не имеет, она показывает, во сколько раз вязкость нефтепродукта при температуре измерения больше или меньше вязкости воды при 20°С, её обозначают в условных градусах (°ВУ).

Для дизельных топлив вязкость нормируется при температуре 20°С, для различных марок топлив она находится в пределах 1,8…6,0 сСТ. Как слишком малая, так и большая вязкость нарушает работу топливоподающей аппаратуры, процессы смесеобразования и сгорания топлива.

Рекомендуется использовать дизельные топлива средней вязкости (2,5–4 сСТ), улучшается смесеобразование, испарение и сгорание, а при отрицательных температурах обладает лучшей текучестью, меньше тратится энергии на преодоление внутреннего трения и легче проходит через систему топливоподачи.

Увеличение вязкости оказывает сильное влияние на пусковые свойства топлива, особенно в холодное время года (рис.4.3).

Рис. 4.3. Зависимость дизельных топлив от температуры: 1 – летнее; 2 – смешанное; 3 – зимнее; 4 – арктическое

Из рисунка 4.3 следует:

1. С понижением температуры вязкость увеличивается.

2. Чем выше вязкость при температуре 20°С тем резче растет вязкость с понижением температуры.

3. Зимние сорта топлив имеют меньшую вязкость, которая с понижением температуры увеличивается незначительно.

При эксплуатации двигателей в холодное время года кроме вязкости большое значение имеют низкотемпературные свойства. Они оцениваются температурами помутнения и застывания.

Внешний вид топлива при охлаждении меняется (мутнеет) вследствие выделения мельчайших капелек воды, микроскопических кристаллов льда, а главное выпадения твердых парафиновых углеводородов.

Температурой помутнения называется такая температура, при которой теряется фазовая однородность топлива. При дальнейшем охлаждении количество твердой фазы увеличивается, и топливо теряет подвижность. Температуру потери подвижности называют температурой застывания.

Для летних сортов дизельных топлив температура помутнения не должна превышать –5°С, а зимних –25…–30°С. Если в топливе содержится вода, то оно помутнеет уже при 0°…–1°С. Температура застывания должна быть на 5…10°С ниже температуры помутнения. Чем меньше эта разница, тем лучше качество топлива. При выборе марки дизельного топлива нужно помнить, что температура его застывания должна быть, по крайней мере на 10°С ниже возможной температуры эксплуатации.

Процессы смесеобразования и сгорания топлива в дизеле в значительной мере зависят от конструкции камеры сгорания и характеризуются периодом задержки самовоспламенения. Период задержки самовоспламенения характеризуется временем от момента впрыска топлива в цилиндр дизеля до его воспламенения. Этот период очень краток, но он существенно влияет на последующий процесс сгорания топлива. Задержка самовоспламенения происходит оттого, что рабочей смеси попавшей в камеру сгорания требуется определённое время на полное испарение и предварительное окисление. Чем меньше задержка самовоспламенения, тем скорее воспламеняется топливо и плавней возрастает давление в цилиндре, а, следовательно, мягче работает двигатель и наоборот.

Таким образом, жесткость работы дизеля характеризуется скоростью повышения давления в зависимости от поворота коленчатого вала и связана с задержкой самовоспламенения. Жесткая работа приводит к повышенному износу, расходу топлива, деформации поршневых колец и так далее. По внешним признакам и последствиям напоминает детонацию в карбюраторных двигателях. Возможность появления жесткой работы дизеля зависит от степени сжатия, опережения впрыска, а также от испаряемости и самовоспламенения дизельного топлива.

Склонность топлива к самовоспламенению и возникновению жёсткой работы судят по цетановому числу. Цетановое число топлива определяется процентным содержанием цетана в эталонном топливе, имеющим одинаковую само воспламеняемость с испытуемым топливом.

С повышением цетанового числа топлива сгорание протекает плавно, двигатель легче запускается, работает экономичнее и не так жестко, как на низкоцетановом топливе. Цетановое число оказывает большое влияние на пусковые качества двигателя. Если цетановое число ниже 40, то запустить двигатель не только в зимнее время не возможно, но и в летнее время.

Летние дизельные топлива выпускают с цетановым числом 45, а зимние – 50. Более высокие не нужны, так как не влияют на улучшение процесса горения в современных дизелях.

Наличие серы в дизельном топливе в 4–10 раз больше чем в бензинах, что вызывает более интенсивное изнашивание цилиндропоршневой группы.