Оценка самовоспламеняемости дизельных топлив

При квалификационных испытаниях дизельного топлива оценивают показатели, характеризующие воспламеняемость его паров от постороннего источника (пламени) и их самовоспламеняемость в среде окислителя (кислорода воздуха) в результате разогрева при адиабатическом сжатии в двигателе.

Температура, до которой необходимо нагреть топливо в смеси с кислородом воздуха, чтобы начался процесс горения, называется температурой самовоспламенения.

Воспламеняемость характеризуется цетановым числом, которое определяет задержку воспламенения топлива и процесс его сгорания, а также склонность топлива к самовоспламенению, что для дизельного двигателя очень важно.

Температура воспламенения и период задержки воспламенения зависят от содержания и строения углеводородов, входящих в состав топлива. Алканы термически наименее устойчивы, они быстро распадаются и окисляются с образованием легковоспламеняющихся продуктов неполного окисления. Поэтому цетановые числа алканов самые высокие, причем наибольшие цетановые числа имеют соединения нормального строения.

Использование топлива, содержащего трудно окисляющиеся парафиновые углеводороды изомерного строения и ароматические углеводороды, определяет жесткую работу двигателя.

Жесткая работа двигателя наблюдается при увеличении периода задержки воспламенения и оценивается она по нарастанию давления при повороте коленчатого вала на 1˚.

Считается, что при нарастании давления на 1˚ поворота коленчатого вала до 0,25...0,50 МПа двигатель работает мягко, при нарастании давления до 0,6...0,9 МПа — жестко, а при нарастании давления более 0,9 МПа — очень жестко.

При жесткой работе двигателя поршень подвергается повышенному ударному воздействию. Это вызывает увеличенный износ кривошипно-шатунного механизма, снижает экономичность двигателя и приводит к другим отрицательным последствиям.

На рис. 3.4 показана схема воспламенения и горения в камере сгорания дизельного двигателя. Зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала приведена на рис. 3.5.

Склонность дизельного топлива к самовоспламенению и созданию жесткой работы двигателя оценивается цетановым числом, для определения которого используется смесь эталонных топлив, состоящая из цетана и α-метилнафталина. При этом склонность к самовоспламенению цетана

 

Рис. 3.4. Схема нормального протекания процессов воспламенения

и горения в камере сгорания дизельного двигателя:

1, 2 — развитие факела впрыскиваемого топлива; 3 — появление на периферии факела очагов воспламенения; 4, 6 — распространение пламени по всему объему поданного топлива при продолжающемся впрыске новых доз топлива; 7, 8 —догорание топлива после окончания впрыска

 

Рис. 3.6. Общий вид моторной установки ИТ9-3 для определения цета­новых чисел дизельных топлив

принимают за 100, а α-метилнафталина — за нуль.

Цетановое число топлива определяют сопоставляя испытуемый образец с эталонным на установке ИТ9-3 (рис. 3.6).

Цетановым числом называют условный показатель самовоспла­меняемости дизельного топлива, равный процентному содержанию цетана в такой его смеси с а-метилнафталином, которая имеет такой же период задержки самовоспламенения, как и испытуемый образец.

Оптимальное цетановое число дизельных топлив находится в интервале 40...50. Применение топлив с цетановым числом менее 40 приводит к жесткой работе двигателя, а более 50 — к увеличе­нию удельного расхода топлива в результате уменьшения полноты его сгорания.

Летом можно применять топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется топливо с цетановым числом не менее 45.

Повышение цетанового числа дизельных топлив достигается двумя способами:

одновременным увеличением концентрации нормальных пара­финов и снижением содержания ароматических углеводородов;

введением специальных кислородосодержащих присадок (орга­нических перекисей, сложных эфиров азотной кислоты — этилнитрата, изопропилнитрата или цеклогексилнитрата).

Так, добавление 1 % изопропилнитрата в зимнее, арктическое и низкоцетановое топлива, полученные посредством каталитичес­кого крекинга, повышает их цетановые числа на 10... 12 единиц. Установлено также, что эта присадка улучшает пусковые характе­ристики топлива при низких температурах и уменьшает нагарооб­разование в двигателе.

3.7. Свойства дизельного топлива, влияющие на образование отложений в двигателе

Способность топлива не загрязнять систему подачи, детали дви­гателя и не вызывать образования отложений является одним из важнейших его эксплуатационных показателей.

Высокой химической стабильностью отличаются дизельные топ­лива, получаемые при разгонке нефти с низким содержанием сер­нистых соединений. Даже при хранении более пяти лет они прак­тически не изменяют своих качеств. Дизельные же топлива, содер­жащие значительное количество олефинов и меркаптанов, суще­ственно изменяют свои свойства при хранении.

Образование нагара и смолистых отложений зависит не толь­ко от состояния и режима работы дизелей, но и от качества топ­лива.

Образование нагара в камере сгорания повышается в результате неполного испарения и плохого распыливания вследствие боль­шой вязкости топлива с тяжелым фракционным составом.

На процесс нагарообразования оказывает также влияние коли­чество неорганических механических примесей, содержащихся в топливе.

Динамика накопления нагара определяется коксовым числом, т.е. зависит от содержания в топливе серы, фактических смол, его зольности и склонности к лакообразованию.

Коксовое число характеризует способность топлива образовывать углистый остаток при разложении без доступа воздуха и темпера­туре 800...900 ˚С.

Недостаточная глубина очистки от смолисто-асфальтовых со­единений, повышенная вязкость и тяжелый фракционный состав увеличивают коксуемость топлива.

Образующийся после сжигания топлива в воздухе при темпера­туре 800... 850 ˚С минеральный остаток — зола не только участвует в образовании нагара, но и повышает износ деталей двигателя. Поэтому допустимое содержание ее ограничивается 0,01 %.

Склонность топлив к лакообразованию оценивается по содер­жанию лака (в мг) в 10 мл топлива, для чего испаряют небольшое количество топлива в специальном лакообразователе при 250 °С.

Для дизельных топлив, содержащих до 20 % продуктов крекин­га, ограничивается количество фактических смол (в зимних — не более 30 мг, а в летних — не более 40 мг на 100 мл топлива) и нормируется йодное число.

Йодное число — это количество иода (в г), содержащееся в 100 г нефтепродукта.

Йодное число тем выше, чем больше в топливе олефинов, но оно не должно превышать 6 г на 100 г топлива (зимних и летних марок).