Влияние свойств жидких легких альтернативных и нефтяных топлив на работу топливной аппаратуры дизелей

Двигатели внутреннего сгорания, способные работать на различных сортах топлива, первоначально называли «всеядными», а соответствующее их свойство – «всеядностью». В 50-е годы прошлого столетия выражение «всеядность» было заменено термином «многотопливность».

-С з^

Понятие «многотопливность» более точно отражает существо вопроса, так как в действительности речь идет об использовании достаточно широкого ассортимента, но не буквально «всех» топлив. Кроме того, термин «всеядные» двигатели оказался связанным с определенным конструктивным типом двигателей еще 30-х годов двадцатого столетия, которые на самом деле оказались далекими от эффективного решения задачи «всеядности». [21]

При применения многотопливных двигателей с воспламенением от сжатия, созданных в последнее время, успешно решается задача использования различных сортов топлива; вместе с тем эти двигатели находятся по своим энергетическим и другим показателям на уровне лучших образцов современных дизелей.

Основные трудности в организации рабочего процесса многотопливного двигателя с воспламенением от сжатия, т.е. дизеля, способного работать на жидких топливах с разными свойствами как нефтяных, так и АВТ, возникают при применении топлив с пониженной воспламеняемостью (низким ЦЧ), с большой величиной периода задержки воспламенения, что особенно присуще бензинам и близким к ним АВТ (СНГ, спирты, аммиак, жидкий Н₂ и др., кроме ДМЭ), имеющим очень низкие цетановые числа. Эти трудности проявляются как на пусковых, так и на основных режимах работы двигателя [21, 73].

С понижением цетанового числа на пусковых режимах дизеля в условиях пониженных давлений и температур конца сжатия прогрессивно возрастает продолжительность пуска. Когда цетановое число достигнет предельного низкого значения вследствие чрезмерно больших задержек воспламенения, пуск становится невозможным.

Проблема многотопливности двигателей тесно связана с задачей расширения и наиболее рационального использования топливных ресурсов, в том числе, ресурсов не нефтяного происхождения.

Постановка этой проблемы стимулируется двумя основными причинами: поисками путей возможно более гибкого приспособления к непрерывно изменяющейся структуре баланса производства жидких нефтяных топлив и необходимостью обеспечения бесперебойности и мобильности работы двигателей в ряде областей их применения, в условиях дефицита того или иного вида топлива. Последнее требование в первую очёредь затрагивает судовые и транспортные двигатели. [16, 40, 43, 57, 73]

В основе структуры баланса производства жидких топлив лежит естественное содержание топливных фракций в сырой нефти различных месторождений. Относительное содержание топливных фракций – бензиновых, керосиновых, дизельных (соляровых) и остаточных (мазута) в сырой нефти среднего состава – составляет соответственно: 27, 10, 25 и 38%. Эти цифры могут изменяться в зависимости от природы нефти, используемой в качестве сырья для первичной переработки (дистилляции).

Можно считать, что любой дизель с достаточно высокой температурой сжатия может работать также на бензине, имеющем весьма малое цетановое число, т.е. очень плохую воспламеняемость в условиях дизельного процесса. При этом его работа, безусловно, будет менее эффективна, чем на дизельном топливе.

К числу констант легкого жидкого топлива, как нефтяного происхождения, так и АВТ, влияющих на процессы смесеобразования, воспламенения и горения, относятся плотность, молекулярная масса, вязкость, поверхностное натяжение, сжимаемость, фракционный состав, теплота сгорания, которая зависит от содержания углерода, водорода, кислорода, серы и др. элементов. [19, 47, 62, 73]

По исследованиям проф. А.И. Толстова, проведенным на ТНВД золотникового типа и закрытых форсунках, массовая производительность насоса при заданном положении его регулировочной рейки уменьшается обратно пропорционально плотности топлива. Вследствие этого применение бензина и подобных ему по вязкости, сжимаемости, плотности АВТ приводит к уменьшение массовой производительности насоса на 12-18%. На величину коэффициента подачи насоса влияет также сжимаемость топлива. Сжимаемость бензина по сравнению с дизельным топливом примерно в 2-3 раза больше, а сжимаемость сжиженного нефтяного газа (СНГ) в 10-12 раз больше. Поэтому коэффициент подачи насоса может уменьшиться на 5-6% и 10-12% соответственно.

Влияния вязкости топлива на коэффициент подачи насоса в основном связано с изменением утечек топлива через зазоры и коэффициентов расхода входных и выходных отверстий по втулке. При работе на бензине утечки могут возрасти в 5-7 раз, вследствие чего возможно разжижение масла топливом. Общее снижение производительности насоса при работе на бензине и др. маловязких жидких нефтяных и альтернативных топливах может достигать 20-25%. [15, 19, 21, 36, 47, 62]

Суммарное увеличение запаздывания подачи топлива с учетом влияния вязкости и сжимаемости при работе на бензине может достигать 2-3° угла поворота коленчатого вала. При этом давление впрыска топлива может уменьшиться на 30-40 %. Испаряемость бензина в 2,5-3 раза, а керосина в 1,8-2 раза выше, чем у дизельного топлива, поэтому легкие топлива обладают меньшей склонностью к воспламенению, чем дизельное топливо. Возникает опасность значительного (в 2-2,5 раза) удлинения периода задержки воспламенения и резкого возрастания жесткости процесса. С уменьшением нагрузки и числа оборотов процесс впрыска при работе системы на бензине значительно ухудшается.

Впрыскивание топлива играет важную роль в рабочем процессе дизеля, так как от своевременной подачи топлива в цилиндр и качества его распыливания зависят мощность и экономичность двигателя, а также его эксплуатационные показатели.

Схема топливной системы высокого давления, получившая наибольшее распространение в судовых дизелях, приведена на рис. 21.

 

Рисунок 21 – Схема топливной системы высокого давления дизеля

с золотниковым ТНВД

 

В данном случае золотниковый топливный насос высокого давления и форсунка соединены между собой топливопроводом высокого давления. Кулачковая шайба 1, размещенная на распределительном валу 2, при набегании на ролик 3 толкателя поднимает плунжер 4. После закрытия плунжером наполнительных отверстий 9 во втулке 7 плунжера начинается сжатие топлива в надплунжерном пространстве 10 с интенсивным ростом давления. Когда это давление на нагнетательный клапан 11 превысит усилие пружины 12 и давление топлива в штуцере насоса, равное остаточному давлению в нагнетательной магистра­ли, клапан поднимается, и топливо вначале поступит в штуцер, а затем в топливопровод высокого давления 13.

Во входном сечении топливопровода образуется волна повышенного давления, распространяющаяся по топливопроводу и каналу 19 в корпусе форсунки со скоростью, близкой к звуковой.

После прихода этой волны к карману 17 корпуса 16 распылителя форсунки давление топлива в этом кармане начинает повышаться. Когда усилие, создаваемое давлением топлива на дифференциальную площадку иглы 15, превысит усилие пружины 14, игла поднимется и начнет повышаться давление в подыгольчатой полости распылителя, в результате чего топливо будет впрыскиваться через распыливающие отверстия 18.

Подача топлива насосом продолжается до тех пор, пока не начнут открываться отсечные отверстия 8 (кромкой а), после чего давление топлива в надплунжерном пространстве быстро снижается, что, в конечном счете, приводит к закрытию клапана 11. В связи с продолжающимся истечением топлива через распыливающие отверстия давление в кармане распылителя падает и наступает момент, когда пружина 14 опускает иглу на седло, после чего впрыскивание топлива прекращается.

Контакт ролика толкателя с кулачковой шайбой обеспечивается пружиной 5, а поворот плунжера, необходимый для изменения подачи топлива, осуществляется поворотной втулкой 6 с зубчатым венцом, который входит в зацепление с зубцами рейки насоса. Поворот этой втулки происходит при линейном перемещении рейки, связанной или с регулятором двигателя, или с рукояткой его поста управления.

При рассмотрении принципа действия топливного насоса принято, что начало и конец подачи соответствуют моментам закрытия наполнительных и открытия отсечных отверстий. Эти фазы топливоподачи называют геометрическими. Топливо может подаваться раньше или позже геометрического начала нагнетания. Если объем, описываемый плунжером при подъеме на какое-то время, будет больше объема топлива, вытекшего за то же время через наполнительные отверстия, то давление топлива начнет повышаться раньше, чем плунжер успеет перекрыть наполнительные отверстия.

Это подтверждается осциллограммой процесса впрыскивания топлива (рис. 22), на которой приведена и кривая давления газов в рабочем цилиндре дизеля р_ц. [62] Начало подъема давления топлива в надплунжерном пространстве р_н соответствует точке а, а момент закрытия наполнительного отверстия – точке б. Точка в показывает начало повышения давления топлива в штуцере насоса р'_н, точка г – начало повышения давления топлива в кармане корпуса распылителя р_ф, точка д׳ – начало подъема иглы z_и, точка д – начало повышения давления топлива в подыгольчатой полости распылителя р_а, точка е – посадку иглы на седло, точки ж и и – начало и окончание подвпрыскивания топлива.

Как видно из осциллограммы, окончание впрыскивания топлива, определяемое моментом посадки иглы, также не совпадает с геометрическим концом нагнетания, т.е. моментом отсечки подачи. Это несовпадение объясняется тем, что в начале отсечки из-за дроссельного эффекта в отсечных отверстиях еще некоторое время продолжается подача топлива насосом в топливопровод высокого давления. Кроме того, в момент отсечки давление топлива в распылителе существенно выше давления, при котором осуществляется посадка иглы.

% - с/ k

 

 

Рисунок 22 – Осциллограмма рабочего процесса и топливоподачи дизеля

1 – давление газов в цилиндре дизеля; 2–5 – давления топлива соответственно в надплунжерной полости и штуцере насоса, в кармане корпуса распылителя и в подыгольной полости распылителя форсунки; 6 – ход иглы распылителя

 

Процесс топливоподачи является неустановившимся, и после посадки иглы и нагнетательного клапана на свои седла в нагнетательной магистрали наблюдаются интенсивные колебания давления топлива. Если в результате колебаний давление в кармане корпуса распылителя превысит давление начала подъема иглы, то произойдет вторичный ее подъем, т.е. подвпрыскивание топлива.

Процесс впрыскивания топлива в дизелях определяется характеристикой впрыскивания и основными параметрами двигателя: цикловой подачей, давлением начала впрыскивания, углом геометрического начала нагнетания, геометрическим активным ходом плунжера, углом начала впрыскивания, продолжительностью впрыскивания и подвпрыскивания, а также максимальным давлением топлива в насосе и в форсунке.

Для обеспечения устойчивой, экономичной и надежной работы топливной системы на бензине по исследованиям проф. И.В. Астахова необходимо, чтобы производительность насосов была на 30-40% больше требуемой (для компенсации повышенной сжимаемости легких топлив). Кроме того, целесообразно: 1) применение двухпозиционного упора максимальной подачи, что позволяет контролировать не объемное, а массовое соотношение воздуха и топлива; 2) использование в плунжерной паре специального дренажного устройства; 3) применение специального смазочного устройства для топливной аппаратуры, так как легкие топлива обладают худшими смазочными свойствами; 4) повышение надежности уплотнений. Большое значение имеет подбор оптимального угла опережения впрыска топлива с помощью специальной муфты (в быстроходных дизелях). В тихоходных судовых дизелях оптимальный угол опережения впрыска подбирают с помощью перестановки кулачных шайб.

Правильный учет изменения характеристик топлива позволяет организовать рабочий процесс в одном и том же двигателе как на тяжелых, так и на легких топливах (нефтяных и АВТ).

Превращение дизеля в многотопливный двигатель может быть достигнуто в результате соответствующего подбора степени сжатия, коэффициента избытка воздуха, начала подачи топлива и фаз газораспределения, а также изменения топливной аппаратуры в соответствии с характеристиками топлива и его количеством, подаваемым в цилиндр, и введения смазки [14, 19, 21, 25, 38, 40, 43, 44, 53, 73].

Таким образом, процесс впрыска топлива оказывает решающее влияние на работу дизеля. Протекание процесса впрыска зависит от конструктации топливоподающей системы и физических свойств топлива (плотности, вязкости, сжимаемости), которые могут значительно различаться у ряда топлив, применяемых в многотопливном двигателе.

Бензины весьма близки по вязкости, плотности и сжимаемости к таким АВТ как: ДМЭ, ГК, СНГ, спирты, жидкий аммиак и др.

Чувствительность топлива к изменению физических параметров не одинакова у различных систем топливоподачи. Влияние отдельных параметров топлива на процесс впрыска и работу дизеля в целом сводится к следующему.

Плотность топлива при постоянной по объему величине цикловой подачи определяет весовой заряд топлива и мощность двигателя (теплотворность жидких топлив, рассчитанная на единицу веса, колеблется в небольших пределах).

Вязкость топлива в условиях топливной системы дизеля может изменяться от 0,2-0,3 до 12-16 сст. При уменьшении вязкости возрастают утечки топлива между плунжером и втулкой.

На рабочих режимах двигателя по мере облегчения фракционного состава возрастает продолжительность периода задержки воспламенения вследствие пониженной воспламеняемости, присущей лёгким топливам. Заметим, что к легким нефтяным топливам для дизелей относят дисстилятные от бензинов до керосинов, а также альтернативные легкие: ДМЭ, СНГ, спирты (метанол, этанол), легкие газовые конденсаты, водород (жидкий). Одновременно растет интенсивность смесеобразования в течение этого периода за счет их повышенной испаряемости. Совместное действие обоих факторов, приводит к увеличению количества топливо-воздушной смеси, накапливающейся в цилиндре дизеля с объемным смесеобразованием к концу периода задержки воспламенения.

Вследствие этого при применении легких топлив в дизеле с объемным смесеобразованием скорость тепловыделения еще более резко возрастает, что приводит к сгоранию с возрастающими максимальными давлениями и особенно высокими скоростями нарастания давления (жесткостью рабочего процесса).

Следует, однако, учесть, что практически с изменением вязкости и плотности топлива изменяется и давление в нагнетательной линии, если не произведена регулировка затяжки пружины форсунки. На рис. 23 показано изменение максимального давления топлива перед форсункой в дизеле МАН при применении различных топлив. Давление открытия форсунки было равно 1,75 МПа. При переходе от дизельного топлива к бензину давление топлива в трубопроводе снижается, что способствует более грубому распыливанию. В итоге, мелкость распыливания улучшится менее значительно, чем это можно было предположить по соотношению вязкостей обоих топлив.

Различия в вязкости топлива могут также проявляться в изменении характеристик впрыска и параметров топливного факела. Зависимости здесь носят сложный характер.

Сжимаемость топлива также является причиной уменьшения весовой подачи его, так как часть активного хода плунжера теряется на сжатие топлива. Величина потерянного активного хода зависит от конструктивных факторов топливной системы и от физических свойств топлива. Коэффициент сжимаемости зависит от давления и вида топлива, как показывает диаграмма на рис. 24, приводимая проф. И.В. Астаховым. При переходе с дизельного топлива на бензин величина потерянного активного хода плунжера, затраченная на сжатие топлива, возрастает, а количество топлива, сжатого в системе, увеличивается, вследствие чего продолжительность впрыска удлиняется, а динамическое запаздывание впрыска становится больше. Так, например, у дизеля ЯМЗ-236 на номинальном режиме запаздывание и продолжительность впрыска на бензине больше, чем на дизельном топливе, соответственно на 4 и 2,75° угла поворота коленчатого вала. На относительно большую сжимаемость легких топлив влияет наличие газовых микровключений, которые трудно полностью устранить даже в линии высокого давления.

 

Рисунок 23 – Изменение максимального давления топлива в топливопроводе перед форсункой: 1 – бензин А-70; 2 – топливо (керосин) TCI; 3 – дизельное топливо; 4 – тяжелое топливо ДТ-1

 

Летучесть топлива зависит от его фракционного состава и состояния, характеризуемого температурой, давлением и отношением объемов паровой и жидкой фазы.

Топлива, применяемые в многотопливном дизеле, отличаются по величине абсолютного давления упругих паров. При температуре 80-100 °С это давление составляет для дизельного топлива приблизительно 0,05-0,08 ат, для бензина 4-6 ат. Поэтому при работе на бензине, а также ДМЭ, СНГ, спиртах и др., создаются предпосылки для образования паровых пробок, главным образом, на линии низкого давления. [19, 40, 44, 47, 73]

Количество паров топлива, которое может образоваться в системе, невелико, но процесс впрыска, особенно на малых нагрузочных и скоростных режимах, очень чувствителен к наличию в нагнетательной линии даже незначительных газовых включений (паров или пузырьков воздуха). Появление газовых пробок в системе приводит к нарушению стабильности впрыска, его искажению или прекращению. Для предотвращения этого явления необходимо, прежде всего, при компоновке нового двигателя размещать топливный насос таким образом, чтобы он менее всего подвергался нагреву.

 

Рисунок 24 – Зависимость коэффициента сжимаемости топлива от давления:

1 – дизельное топливо; 2 – керосин Т-1; 3 – бензин Б-70

 

В системах топливоподач многотопливных дизелей для охлаждения насоса увеличивают количество прокачиваемого через него топлива, которое может достигать двухкратного расхода топлива дизелем при полной нагрузке. Чтобы затруднить образование паровых пробок при использовании легких топлив, на линии подкачивания устанавливается повышенное давление – до 0,25-0,35 МПа.

Восстановление нормального протекания впрыска при переходе на бензин или на спирты, ДМЭ, СНГ, Н2, аммиак и др. АВТ, может быть достигнуто конструктивными изменениями, к которым относятся: уменьшение внутреннего диаметра нагнетательного трубопровода (например, с 2 до 1,5 мм); уменьшение его длины; повышение давления открытия форсунки; увеличение разгрузочного объема нагнетательного клапана [21, 47, 62, 73, ].

Эффективность этих изменений и оптимальное сочетание конструктивных параметров топливоподающей системы должны быть проверены экспериментально в связи со сложностью происходящих процессов. Так, слишком резкая разгрузка топливопровода может привести к разрыву сплошности потока. Когда давление топлива в месте разрыва станет равным давлению парообразования, образуются газовые пробки. В Харьковском политехническом институте была предложена топливоподающая система, обеспечивающая работу дизеля на разных топливах и различных режимах без дополнительных впрысков и не допускающая разрывов сплошности в нагнетательной линии. В промежутки между впрысками в топливопроводы подводится топливо под невысоким давлением. У насоса нагнетательный клапан не устанавливается.

Кроме рассмотренных свойств топлив большое значение имеет склонность их к образованию смол, представляющих продукты полимеризации, и к отложению на деталях твердых частиц (кокса). В результате отложений кокса может происходить залегание поршневых колец, клапанов и игл распылителей, а также уменьшение проходных сечений сопловых отверстий распылителей. Следует иметь в виду, что в настоящее время в быстроходных дизелях наиболее часто применяют многосопловые распылители. Они значительно больше подвержены закоксовыванию, чем штифтовые распылители, так как в последних происходит самоочищение благодаря движению штифта в сопловом отверстии. Склонность к смолообразованию и отложению кокса зависит от присутствия в топливе непредельных углеводородов, которых особенно много содержится в бензине, получаемом методом термического крекинга.

Выводы.

1. Существенное влияние на процессы топливоподачи, как известно, оказывают физические свойства жидкого топлива для дизелей: вязкость, плотность и сжимаемость.

2. Такие свойства влияют на индикаторный процесс, мощностные и эффективные показатели дизельного двигателя, главным образом, через изменение цикловой подачи и теплотворной способности.

3. При переводе судовых и транспортных дизелей на легкие маловязкие АВТ необходима перерегулировка ТА (угла опережения впрыска и давления затяга пружины форсунки) и, в ряде случаев, изменение конструкции отдельных устройств топливоподачи, реконструкция топливной системы двигателя.