Влияние состава топлива на индикаторный процесс и характеристику впрыска дизеля

Известно, что теплота сгорания нефтяных топлив определяется процентным содержанием углерода С и водорода Н. Более легкие (по фракционному составу) топлива (бензины, керосины), имеющие большее содержание Н и меньшее содержание С и кислорода О по сравнению с дизельными топливами отличаются более высокой удельной теплотой сгорания. Более тяжелые топлива (по сравнению с дизельным) имеют, в целом, меньшее содержание Н и большее С и О.

Из вышеуказанных альтернативных топлив к легким можно отнести: газовые, спиртовые и диметилэфир, газоконденсаты (с воспламенением от искры).

К тяжелым АВТ условно относятся: биодизельное (из растительных масел), СЖТ, ДТС (ВМЭ, ТУС и др.).

Вместе с тем, количество тепла, выделяющегося при сгорании топлива, определяется не столько теплотворной способностью самого топлива, сколько теплотворной способностью смеси топлива с воздухом. Уменьшение цетанового числа топлива воспламеняемость приводит к ухудшению процесса сгорания и снижению экономичности многооборотных дизелей. У современных высокофорсированных дизелей с высоким температурным уровнем процесса смесеобразования в большей мере это должно проявляться при работе на частичных нагрузках.

По сравнению с многооборотными, у малооборотных дизелей фактор времени в процессе сгорания играет менее существенную роль. Поэтому они менее чувствительны к групповому химическому составу топлив. Среднеоборотные дизели занимают промежуточное положение, поэтому использование для них топлив с высоким содержанием низкоцетановых ароматических углеводородов может оказать заметное влияние на период задержки самовоспламенения и развитие процесса сгорания (особенно на частичных нагрузках). Так, применение в дизеле моторного топлива ДТ (ГОСТ 1667-68) с 55 % ароматических углеводородов вместо топлива ДТ с 36 % этих компонентов обусловило возрастание максимального давления сгорания на 13 % при одновременном значительном смещении его на линию расширения.

Исследование влияния группового состава топлива (содержание парафиновых, ароматических и нафтеновых углеводородов) на протекание процесса сгорания в дизеле позволило установить, зависимость удельного расхода топлива и показателей процесса сгорания (т_ь Ар/Ар) от состава топлива. Так, при малом содержании ароматических углеводородов скорость нарастания давления при горении парафинового топлива на 25 % ниже, чем при горении нафтенового. Горение нафтенового топлива сопровождается увеличением содержания СО в продуктах сгорания и высокой их температурой.

Утяжеление фракционного состава топлива практически не может служить препятствием к использованию его в современных форсированных среднеоборотных судовых дизелях, несмотря на то, что скорость испарения топлива лимитирует в них время задержки самовоспламенения τ_i. Это объясняется тем, что в условиях камеры сгорания скорость испарения летящей капли определяется не только фракционным составом (испаряемостью) топлива, но и температурой воздушного заряда, площадью поверхности испарения (тонкостью распыливания) и рядом других факторов. Если у многооборотных дизелей ухудшение испаряемости топлива заметно влияет на процессы смесеобразования и сгорания, то у средне- и малооборотных дизелей, особенно форсированных наддувом, это влияние менее значительно. Исследования показывают, что у тяжелых топлив для среднеоборотных дизелей целесообразный предел количества фракции, перегоняемых до 250° С, не должен превышать 10–15 %.

При использовании легких альтернативных топлив в высокооборотных дизелях принципиально важным является выбор и организация оптимального способа смесеобразования и сгорания, который, в основном, зависит от характера процесса впрыска топлива, конструкции камеры сгорания и движения в ней воздушного заряда.

Впрыск в камеру сгорания дизеля легких топлив, значительно отличающихся по своим физико-химическим свойствам от дизельных, вносит существенные изменения в процесс смесеобразования, которые в совокупности с параметрами состояния заряда в цилиндре определяют интенсивность предпламенной подготовки горючей смеси, ее самовоспламенение, эффективность и полноту сгорания.

Роль того или иного вида топлива в процессах воспламенения и горения в дизеле зависит от его свойств. При этом химические свойства имеют важное значение для первого и второго периодов горения. Наилучшие результаты дает топливо, молекулы которого термически менее устойчивы и обладают большой склонностью к воспламенению. Чем длиннее углеводородная цепь этих молекул, и, следовательно, чем больше их молекулярная масса, тем большей способностью к воспламенению обладают такие углеводороды. Углеводороды с замкнутой структурой молекул имеют худшие воспламенительные качества.

В легких топливах содержится больше ароматических углеводородов с циклической структурой молекул. Поэтому по сравнению с дизельными топливами у них молекулярная масса меньше, молекулы термически более устойчивы и, следовательно, меньше склонны к воспламенению.

Указанные свойства легких топлив необходимо учитывать при выборе конкретной конструкции камеры сгорания и способа смесеобразования.

Использование в дизелях легких топлив приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения и продолжительности горения, интенсификации образования топливовоздушной смеси с заметным улучшением ее микроструктуры, некоторому перераспределению топлива по объему, особенно в открытых камерах сгорания, т. е. ухудшению макроструктуры горючей смеси.

Наиболее наглядно влияние состава топлива, используемого в дизеле отображается индикаторной диаграммой и характеристикой подачи топлива, снятых на работающем двигателе, либо полученными численным моделированием на ПВЭМ с использованием специального программного обеспечения.

На рис. 40 приведены типичный характер индикаторной диаграммы и характеристики подачи топлива в дизеле при использовании стандартного дизельного топлива, на которое двигатель был запроектирован.

 

Рисунок 40 - Кривые изменения давления в цилиндре (а) и характеристика подачи топлива в дизеле (б) в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ: Р_с - диаграмма "чистого" (без впрыска) сжатия в цилиндре; Р - диаграмма изменения давления при горении топлива; 3 - точка, соответствующая Р_мах; 4 - точка, соответствующая концу впрыскивания; 5 - точка, соответствующая значению Т_мах; σ - интегральная характеристика подачи; dσ/dφ - дифференциальная характеристика подачи топлива; Н - начало подачи топлива ТНВД; К - конец подачи топлива; φ - угол поворота коленчатого вала дизеля; д_ц - цикловая подача топлива; τ_i - период задержки самовоспламенения (ПЗВ)