ВИПАРОВУВАННЯ І ЗГОРЯННЯ ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

Випаровування дизельних палив впливає на повноту згоряння, економічність двигуна, його пуск і роботу, нагаро-, лакоутворення, зношування двигуна, склад відпрацьованих газів, витрати палива і оливи. Випаровування палива починається відразу після його впорскування в камеру згоряння і продовжується до згоряння останньої кількості палива. Краплі палива, що попадають у гаряче повітря, самозапалюються не відразу, а через певний відрізок часу. Паливо впорскується і після самозапалювання. За рахунок теплоти, яка виділяється при згорянні першої частини палива, процес нагрівання і випаровування крапель палива, що продовжують надходити до камери згоряння, сильно прискорюється. Поява продуктів згоряння утруднює сумішоутворення, перешкоджає надходженню кисню до нових порцій палива, сприяє неоднорідності паливоповітряної суміші. Останнє є причиною підвищення димності відпрацьованих газів при невеликому коефіцієнті надлишку повітря, появи сажі у відпрацьованих газах. Випаровування і згоряння палива залежить від конструкційних особливостей двигуна та якості палива.

До показників якості дизельного палива, що впливають на його випаровування та згоряння, відносяться: в'язкість, густина, тиск насиченої пари, поверхневий натяг, теплота пароутворення, теплоємність. Густина дизельних палив впливає на сумішоутворення і випаровування так само, як і в'язкість (див. 3. 2). Значення внутрішньої теплоти пароутворення впливає на роботу дизеля під час його пуску. Такі показники, як теплоємність, теплота випаровування на роботу дизеля впливають незначно (менше порівняно з бензиновим двигуном).

Випаровування палива оцінюється фракційним складом. При визначенні фракційного складу дизельних палив фіксують температуру кипіння 50% і температуру кінця кипіння (кипіння 96%). Значення температур кипіння дизельного палива і бензину дещо відрізняються з точки зору оцінки їх експлуатаційної характеристики.

Пуск двигуна характеризується температурою кипіння 50% палива, її значення має більший вплив порівняно з цетановим числом, значення якого також впливає на легкість пуску дизеля. При пуску дизеля утворюються найменш сприятливі умови для сумішоутворення і згоряння внаслідок недостатньої температури у камері згоряння. Чим більше у паливі легкокиплячих фракцій, тим швидше і повніше вони випаровуються. Теплоємність дизельних палив різного хімічного складу відрізняється незначно, а час нагрівання і випаровування крапель палива залежить від їх розміру. Чим легше паливо, тим меншого діаметра утворюються краплі, тим більша загальна площа їх випаровування. Тому чим нижче температура кипіння 50% палива, тим легше запустити дизель, особливо при низьких температурах повітря. Так, час для прокручування колінчастого вала до пуску двигуна взимку на паливі, що має цетанове число 47,5 і температуру кипіння 50% палива 225 °С, майже в 9 разів менший порівняно з часом, необхідним для пуску двигуна на паливі, що має цетанове число 52, але більш високу температурою кипіння 50% палива - 285 °С. Але це не значить, що для поліпшення випаровування і полегшення пуску двигуна можна застосовувати дуже легкі палива типу бензину. Полегшення фракційного складу, тобто поліпшення випаровування, посилюється іншим фактором - збільшенням періо­ду затримки самозаймання, погіршенням мастильних властивостей. Щоб полегшити пуск двигуна та зменшити витрати палива, проводять розігрів двигуна взимку, використовують пускові рідини. Використання чистого ефіру для полегшення пуску дизеля неприпустимо, тому що ефір змиває змащувальну плівку з поверхні ЦПГ і може створити умови для сухого тертя. Пускові рідини містять ефір, мастильний, антикорозійний та інші компоненти.



Паливо важкого фракційного складу з високою температурою кипіння 96% (кінця кипіння) не встигає повністю випаруватись, отже, і згоріти. Неповнота згоряння веде до перевитрат палива, збільшення димності і токсичності відпрацьованих газів, втрати потужності (бо викидається частина палива, що не догоріла), підвищення нагаро- і лакоутворення. За втратою кожних 10% потужності двигуна витра­ти палива збільшуються на 4...5%.

Одним з найбільш шкідливих компонентів відпрацьованих газів дизелів є сажа, яка адсорбує токсичні речовини, серед яких і такі високотоксичні, як бенз(а)пірен, нітрозоаміни, поліциклічні ароматичні вуглеводні. Наявність сажі у відпрацьованих газах зменшує надійність роботи каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів.

З метою зменшення димності відпрацьованих газів дизелів до палива при необхідності можна вводити антидимні присадки, до яких відносяться солі лужних металів, неорганічні солі лужньо-земельних металів, органічні речовини із вмістом заліза, марганцю, а також композиції присадок. Кількість і ефективність добавлених присадок залежить від багатьох факторів (хімічного складу присадки та палива, умов роботи двигуна тощо). При згорянні палива з такими присадками утворюються тверді сульфати, карбонати, метали, оксиди металів, які відкладаються в камері згоряння, в зоні поршневих кілець, викидаються в атмосферу. Оцінюючи ефективність проти-димних присадок, слід враховувати їх негативну дію.

Можуть використовуватись беззольні (неметалеві) антидимні присадки. Беззольні антидимні присадки (складні органічні речовини з різними функціональними групами) не утворюють при згоранні тверді речовини. Вони більш дорогі, потребують добавлення більшої кількості в порівнянні з зольними присадками.

Із паливом, що частково не згоріло, може відбуватися крекінг і полімеризація з утворенням твердих коксових осадів, які спричинюють механічне зношування двигуна. Частина палива у рідкому стані стікає по стінках циліндра, змиваючи змащувальний шар і підвищуючи зношування двигуна, попадає в оливний картер, де розріджує моторну оливу і погіршує її мастильні властивості. Економічність і моторесурс двигуна зменшується. Тому надмірне обважніння, як і полегшення палива, небажане. Основна частина дизельного палива повинна википати при температурах 250... 330 °С.

Важлива властивість дизельного палива - його можливість забезпечувати чистоту двигуна і паливної апаратури. Ця властивість значною мірою залежить від хімічного і фракційного складу палива. Чим вища температура кінця кипіння, тим більше важких фракцій в паливі, тим більше імовірність нагароутворення, неповноти згоряння палива, підвищення токсичності відпрацьованих газів. Але зниження температури кінця кипіння дизельного палива зменшує об'єм його виробництва.

Покращити повноту згоряння, зменшити нагароутворення, вміст токсичних речовин у відпрацьованих газах можна введенням спеціальних протинагарних присадок, що зменшують нагароутворення на розпилювачах форсунок і деталях двигуна; миючих, які покращують процес згоряння палива в камері згоряння і зберігають чистими деталі ЦПГ і розпилювачів форсунок; багатофункціональних. До складу останніх присадок входять, як правило, металоорганічні речовини, амінофеноли, аміди жирних кислот, кремнійорганічні сполуки, поліефіри тощо. Вводять присадки у невеликій кількості -0, 001-0, 03 % мас.

При згорянні палива можливе нагароутворення на стінках камери згоряння і на клапанах, а також має місце утворення відкладень на розпилювачах та голках розпилювачів форсунок, на штоках випускних клапанів, поршнях, у канавках поршневих кілець, камері згоряння. На стінках камери згоряння, днищі поршня і впускних клапанах утворюється твердий нагар темного кольору, а на розпилювачах та голках розпилювачів форсунок - м'який жовтуватого кольору, іноді - у вигляді лакової світло-коричневої плівки. Відкладення нагарів на стінках камери згоряння погіршує відведення теплоти у систему охолодження двигуна. Відкладення нагару на клапанах сприяє їх закоксуванню, в результаті чого втрачається герметичність посадки клапана на сідло, внаслідок чого відбувається витікання розжарених газів і обгоряння посадочних поверхонь клапана і сідла, в окремих випадках можливе зависання клапана. Утворення нагарів, наприклад, на продувних вікнах двотактного дизеля, погіршує умови продування циліндра.

Найбільші ускладнення в роботі дизелів пов'язані з відкладеннями на форсунках. Нагар, який утворюється на розпилювачах, сприяє погіршенню якості розпилювання палива і скривленню факела. При погіршенні розпилювання палива порушується сумішоутворення, відбувається неповне згоряння, що, врешті-решт, веде до димлення дизеля, втрати потужності і перевитрат палива. Смолисті речовини на голках розпилювачів утворюють коксові відкладення, внаслідок чого спричинюють їх зависання. Закоксованість сопел і зависання голок розпилювачів супроводжується підтіканням палива, тому що в цьому випадку порушується герметичність посадки голки на ущільнюючий конус розпилювача. При підтіканні палива падає потужність і економічність дизеля і збільшується його димлення.

Підвищення густини палива, вмісту ароматичних вуглеводнів (особливо поліциклічних), сірки, асфальто-смолистих речовин, температур википання палива (табл. 39) збільшує можливість нагароутворення.

Таблиця 39. Залежність нагароутворення від температури википання палива

Паливо Температура википання 10%, °С Кількість нагару, г
Бензин 0,19
Авіаційний гас 0,83
Дизельне паливо 0,89

Повнота згоряння палива, можливість нагароутворення залежить від конструкції камери згоряння.

Чим менше водню містить вуглеводень (чи паливо), тим більш здатність до нагароутворення. Тому з вуглеводнів найбільшу схиль­ність до нагароутворення мають ароматичні вуглеводні (табл. 40), що пояснюється збільшенням масового співвідношення вуглецю до водню.

Зменшити вміст ароматичних вуглеводнів в паливі можна про­веденням глибокої гідроочистки. Собівартість палива при цьому підвищується.

Нагароутворення у двигуні залежить, у першу чергу, від наявності асфальто-смолистих речовин, вміст яких характеризується кількістю фактичних смол, а побічно можна характеризувати кількістю залишку у колбі після перегонки палива при визначенні фракційного складу. Із збільшенням вмісту смол у паливі підвищується здатність до нагароутворення на деталях двигуна.

Утворення нагару та лаку залежить від наявності сірчаних сполук. Підвищення вмісту сірки у паливі при його згорянні підвищує твердість нагарів. Найбільший вплив на нагароутворення із сірчаних сполук мають меркаптани, які прискорюють процеси окислення, полімерізації нестабільних речовин дизельних палив і сприяють їх відкладенню на деталях двигуна. Нагаро-, лакоутворення залежить також від конструкційних особливостей двигуна, його технічного стану, режиму роботи, якості моторної оливи тощо.

Таблиця 40. Порівняльні дані нагароутворення вуглеводнів

Вуглеводень Клас вуглеводню Формула Температура кипіння, °С Кількість нагару, г
Ізо-декан парафіновий С10Н22 0, 40
Циклогексан нафтеновий С6Н12 0, 45
Толуол ароматичний С6Н5СН3 110, 5 1, 15
Бензол ароматичний С6Н6 80, 5 1, 64
а- метилнафталін ароматичний С11Н10 244, 7 2, 79

Органічні кислоти, вміст яких в дизельних паливах допускається в більших кількостях порівняно із вмістом органічних кислот у бен­зині, та сірчані сполуки викликають, передусім, корозію деталей двигуна та інші несправності. Велика маса дизельних палив виробляється із сірчистих нафт. При переробці нафти вміст сірчаних сполук збільшується з підвищенням температур кипіння окремих фракцій: найменше їх у бензині, до 95% сірки припадає на газойль (компонент дизельного палива) та мазут (табл. 41).

Таблиця 41. Розподіл сірчаних сполук у продуктах переробки нафти

Родовище нафти Вміст сірки в нафті, % ваг. Відносний вміст сірки, %, в продуктах переробки
Бензин та легроїн Гас* Газойль * Мазут
Далекий Схід 0, 15 0, 3 3, 6 38, 6 57, 5
Східний Техас 0, 36 0, 9 1, 3 15, 4 82, 4
Іран 1, 4 1, 1 1, 5 12, 6 84, 8
Західний Техас 2, 0 1, 8 4, 2 14, 8 79, 2
Кувейт 2, 45 0, 1 0, 8 9, 5 89, 6

* Гас і газойль у визначених межах температур кипіння є складовими дизельного палива.

Чуттєвість двигунів різної конструкції до корозії сірчаними сполуками залежить від їх теплового режиму. Так, при підвищеному тепловому режимі спостерігається газова корозія оксидами сірки, які утворюються при згорянні палива, тарілок випускних клапанів, верхньої частини циліндрів, верхнього компресійного кільця.

При зниженні теплового режиму оксиди сірки розчиняються у воді (яка утворюється при згорянні палива і конденсується на холодних деталях двигуна), і відбувається рідинна корозія кислотами. В малонавантажених двигунах виникають умови для рідинної корозії більше порівняно з корозією у двигунах з високим навантаженням. Тракторні дизелі, наприклад, більш схильні до газової корозії, автомобільні (особливо ті, що працюють в міських умовах) - до рідинної. При рідинній корозії руйнуються вкладиші підшипників. Чим більший прорив газів в оливний картер та вміст сірки в паливі, тим більше зношування від рідинної корозії.

У дистилятах дизельного палива вміст сірки може становити до 1, 3%. Дистиляти підлягають складному процесу каталітичного виділення сірчаних сполук з палива, який дозволяє зменшити вміст сірки до 0, 2... 0, 01% і менше. Досвід використання дизельних палив свідчить, що загальне зношування двигуна майже прямо пропорційне вмісту сірки у дизельному паливі. Наприклад, при підвищенні вмісту сірки з 0, 2% до 0, 6% зношування гільз циліндрів і поршневих кілець підвищується майже на 15%, а при збільшенні вмісту сірки у паливі до 1% зношування цих деталей збільшується у 1, 5 рази. При виборі палива для певного двигуна слід звертати увагу на вміст у ньому сірки, бо іноді окремі марки дизельного палива містять сірки до 0, 5% сірки і більше. Використовуючи високосірчисті палива слід одночасно застосовувати моторні оливи з високими нейтралізуючими властивостями. Продукти згоряння палива містять сірчаний і сірчистий ангідриди, які проникають через нещільності циліндро-поршневої групи в оливний картер. Тут вони утворюють сірчану і сірчисту кислоти, погіршуючи якість оливи. Продукти згоряння сірчаних сполук впливають на оливну плівку на циліндрах.

Основними об'єктами корозійного зношування продуктами згоряння сірчаних сполук є ЦПГ, органічними кислотами - плунжерні пари. Підвищення кислотності палив викликає корозійне зношування плунжерних пар паливного насосу високого тиску, збільшення відкладень на деталях паливної системи і двигуна, погіршення потужньо-економічних показників двигуна. Зношування паливної апаратури залежить від підвищеної кислотності палива більше порівняно з її зношуванням при використанні палива низької в'язкості.

Для боротьби з корозією в моторні оливи (іноді - і в палива) додають спеціальні присадки. Слід мати на увазі, що при згорянні

палива утворюються також оксиди азоту. Деякі з них можуть переходити в кислоти так само, як і оксиди сірки.

Однією з переваг дизелів у порівнянні з бензиновими двигунами вважається менша токсичність відпрацьованих газів за рахунок повнішого згоряння палива (табл. 42).

Слід зазначити, що це положення може бути віднесене до технічно-справних двигунів, при використанні кондиційних і відповідних даному двигуну палив і олив. Склад відпрацьованих газів не залишається постійним. На повноту згоряння палива, вміст токсичних сполук впливають режим роботи двигуна, його технічний стан, оптимальність регулювань, якість палива і моторної оливи, майстерність водія, експлуатаційні фактори (стан шляхів, температура

Таблиця 42. Склад відпрацьованих газів бензинових двигунів та дизлів

Компоненти* Вміст у відпрацьованих газах, %, двигунів Примітка
бензиновий дизель
Оксид вуглецю 1-10 0, 02-0, 5 Токсичний
Оксиди азоту 0, 0-0, 8 0, 001-0, 4 Токсичні
Оксиди сірки 0, 008 0, 08 Токсичні
Альдегіди (акролеїн) 0, 02 0, 00-0, 009 Токсичні
Вуглеводні 0, 2-3, 0 0, 01-0, 5 Токсичні
Сірчаний газ 0, 002-0, 2 0, 0-0, 03 Токсичний
Сажа, г/м3 0, 0-0, 005 0, 01-1, 5 Токсична
Бенз-а-пірен, мг/м3 до 0, 02 до 0, 01 Канцероген

* Оксид вуглецю - CO; оксиди азоту - NO, NO2, N2O4, N2O5, які позначають сумарно NO; оксиди сірки - SO2, SO3; сірчаний газ - H2S; альдегіди - акроле(н - СН2СНО; сажа -С; бенз-а-пірен - С20Н12.

повітря тощо). При пуску і прогріванні дизеля у відпрацьованих газах міститься значна кількість акролеїну (до 0, 15%), який має підви­щену токсичність. Допустима концентрація акролеїну у виробничих приміщеннях - до 0, 0007 мг/дм3.

Поява значної кількості сажі у відпрацьованих газах внаслідок неповноти згоряння призводить не тільки до забруднення атмосфери, але й погіршує видимість на дорогах, що може спричинити аварійну ситуацію. При роботі з несправною системою живлення дизелів масовий вміст сажі у відпрацьованих газах може зрости до 70... 90% ваг. Сажа, потрапляючи з повітрям в органи людини, адсорбує з повітря токсичні сполуки, веде до збільшення захворювань органів дихання людей. До високотоксичних речовин у відпрацьованих газах дизелів належить бензапірен, вміст якого різко збільшується у випадках неповного згоряння палива (наявність "хвоста" за дизелем). Бензапірен спричинює онкологічні захворювання.

У зв’язку з тим, що в дизелях немає примусового запалювання робочої суміші, суттєву роль в оцінці якості дизельного палива відіграє температура самозаймання ДП, тобто та нижча температура, при якій воно загоряється без стороннього джерела вогню. Для займання палива без примусового запалювання необхідно, щоб температура, при якій самозаймається розпилене паливо, була нижчою від температури, яка розвивається при стисненні повітря в циліндрі двигуна. Паливо, яке має високу температуру самозаймання, не може використовуватися для дизелів. Чим важче паливо, чим вищі температури його кипіння, тим нижча температура самозаймання. Приблизна температура самозаймання деяких палив становить, °С:

авіаційний бензин - 425.... 440;

автомобільний бензин - 425;

реактивне паливо (гас) - 380;

газойль (компонент дизельного палива) - 360.

Температура самозаймання палив залежить від хімічного складу і температур кипіння (фракційного складу). На займання палив великий вплив мають ступінь стиснення, конструкція камери стиснення, тиск розпилювання, матеріал поршня, тепловий режим і технічний стан двигуна та інші фактори. Чим вище тиск нагрітого повітря, тим нижче температура самозаймання палива (табл. 43).

Таблиця 43. Вплив тиску нагрітого повітря на температуру самозаймання палив

Тиск повітря, МПа Температура самозаймання палива, розпиленого у повітрі, °С
бензин гас газойль
0,3
0,9
2,0
3,0

Паливо, що надходить у циліндри двигуна, спалахує не відразу, минає деякий час, поки воно починає горіти. Час від початку подачі палива до його самозаймання називається періодом затримки самозаймання. Йому передує ряд фізичних і хімічних процесів. Паливо розпилюється в стиснутому повітрі, його краплі нагріваються до високої температури і випаровуються. Під впливом високої температури і кисню повітря відбуваються передполуменеві реакції багатостадійного окислення вуглеводнів, які входять до складу палив. В горючій суміші накопичуються кисневмісні нестійкі сполуки, які потім починають розкладатись із виділенням частини теплової енергії (10... 15%) і кисню, тим самим провокуючи окислення інших молекул палива. Холоднополуменеве окислення призводить до підвищення температури робочої суміші і появи безлічі осередків займання. В цю мить з'являється голубе світіння, яке називається холодним полум'ям. У результаті підвищення температури робочої суміші прискорюються хімічні реакції і виникає її самозаймання, тобто поява гарячого полум'я.

Таким чином відбувається двостадійне самозаймання палива, яке має місце в більшості випадків у дизелях, і при цьому період затримки самозаймання складається з періоду затримки холодного полум'я і другого періоду затримки. Загальний період затримки можна поділити на час, який витрачається на проходження фізичних процесів (розпилювання палива та його випаровування, змішування парів з повітрям), і час, необхідний для хімічних реакцій (передполуменеві реакції і формування осередків самозаймання).

Передполуменеві окислювальні процеси характеризуються періодом затримки самозаймання (самозапалювання) і залежать від хімічного складу і будови вуглеводнів. В табл. 44 наведені температура І періоди затримки самозаймання горючих сумішей вуглеводнів з повітрям при атмосферному тиску, що отримані при дослідженні в приладі із кварцевою трубкою.

Таблиця 44. Мінімальні температури і періоди затримки самозаймання горючих сумішей деяких вуглеводнів (прилад із кварцевою трубкою)

Вуглеводень Клас вуглеводню Температура самозаймання, °С* Період затримки самозаймання, сек*
Етан парафіновий
Бутан н. парафіновий
Пентан н. парафіновий
Гептан н. парафіновий
Октан н. парафіновий
Ізооктан ізо-парафіновий
Циклогексан нафтеновий
Бензол ароматичний

* Температура і період затримки самозапалювання залежать від умов дослідження: початкової температури, концентрації і об'єму парів та ін.

Газові (етан, бутан) та ароматичні вуглеводні (бензол) мають високі температури самозаймання, н. парафінові - найнижчі. І збільшенням молекулярної ваги н. парафінових вуглеводнів їх температура самозаймання зменшується.

У момент, коли починається горіння палива, більша частин палива, яка надійшла на той момент, встигає випаруватись, і процес горіння охоплює все нові порції паливоповітряної суміші. Паливо продовжує подаватись форсункою у камеру згоряння, де воно інтенсивно перемішується з повітрям, випаровується і швидко згоряє. Подане паливо в основному запалюється за рахунок змішування з гарячими продуктами згоряння того палива, яке надійшло у циліндр першим у період затримки самозаймання. В результаті швидкого згоряння палива тиск у циліндрі значно підвищується. В цей період виділяється основна кількість теплової енергії циклічної подачі палива (до 70%), подача палива форсункою продовжується, тиск підвищується і досягає максимального значення в циліндрі.

В кінці швидкого згоряння темп нарощування тиску падає, швидкість згоряння знижується, починається період сповільненого згоряння, і тиск змінюється незначно. У цей період припиняється подача палива, але процес згоряння продовжується, і росте температура газів, виділяється близько 20% теплової енергії. Зниження тиску в кінці періоду пояснюється збільшенням об'єму камери згоряння у зв'язку з рухом поршня до н. м. т. За кінець періоду сповільненого згоряння умовно приймається межа досягнення максимальної температури газів у камері згоряння. Після цього догоряють залишки палива, що не встигло згоріти, і продукти неповного згоряння. Чим важче паливо, вища його в'язкість та густина, тим більш тривалий період догоряння. Фаза догоряння може охоплювати до 70° кута повороту колінчастого вала після в. м. т. Процес догоряння, власне, впливає на димність і токсичність відпрацьованих газів.

При великій затримці самозаймання (великому значенні періоду затримки самозаймання) паливоповітряної суміші у циліндрі дизеля накопичується і зразу згоряє велика частина палива. Це призводить до різкого зростання тиску на кожний градус повороту колінчастого вала, і буде мати місце так звана "жорстка" робота двигуна.

На процес згоряння палива впливають експлуатаційні фактори. Так, збільшення кута випередження впорскування палива провокує жорстку роботу двигуна, бо паливо надходить в менш стиснене і нагріте повітря. При дуже ранньому впорскуванні паливо може спалахнути і згоріти раніше, ніж поршень дійде до в. м. т. Це призводить до втрати потужності двигуна за рахунок втрат енергії на подолання опору газів. Зменшення потужності та ККД двигуна відбувається при зменшенні кута випередження впорскування палива порівняно з оптимальним, бо паливо згоряє при переміщенні поршня вниз і не буде досягнуто максимального тиску в циліндрі. При збільшенні обертів колінчастого вала покращується процес згоряння палива. На характер згоряння палива впливають тепловий стан двигуна, температура повітря. Взимку імовірність виникнення жорсткої роботи дизеля більша порівняно з імовірністю виникнення жорсткої роботи того ж двигуна влітку внаслідок низьких температур повітря.

Зовнішні ознаки жорсткої роботи дизеля ідентичні детонаційному згорянню палива в бензинових двигунах: прослуховується характерний металевий стук за рахунок ударної хвилі на поршень двигуна. Стуки в дизелі супроводжуються вібрацією та перегріванням поршня і головок циліндра. Хоча зовнішні ознаки детонації в бензиновому двигуні і жорстка робота дизеля ідентичні, причини їх виникнення різні. Фактори, що викликають або підсилюють детонацію в бензинових двигунах, ліквідують або зменшують жорстку роботу дизеля (наприклад, хімічний склад палива).

На процес згоряння палива, період затримки самозаймання найбільше впливає якість палива, його фракційних склад. В табл. 45 наведені температури самозаймання деяких сполук. Найнижчі температури самозаймання мають н. парафінові вуглеводні. Чим вища їх молекулярна маса, тим нижча температура самозаймання. Найвищі температури самозаймання мають ароматичні вуглеводні.

Хімічний склад бензину для бездетонаційного згоряння і дизельного палива для забезпечення м'якої роботи має прямо протилежний характер. Сполуки з високими температурами самозаймання є бажаними компонентами бензинів для запобігання самозаймання, щоб не спалахували, доки вони не будуть примусово підпалені іскрою чи полум'ям палива, що вже горить. До цих сполук відносяться ароматичні та ізопарафінові вуглеводні. Сполуки з низькими температурами самозаймання є бажаними компонентами дизельних палив, щоб при згорянні вони забезпечували невеликий період затримки самозаймання. Це - нормальні парафінові та нафтенові вуглеводні з боковими н. парафіновими ланцюгами.

Для оцінки самозаймання палив введений умовний безрозмірний показник - цетанове число, яке вказує на швидкість підвищення тиску при згорянні рідкого палива в поршневих двигунах із займанням паливоповітряної суміші

Таблиця 45. Температури самозаймання вуглеводнів (у повітрі)

Вуглеводень Формула Температура, °С
кипіння самозаймання
Парафінові:
• н. гексан С6НІ4 68,7
• н. декан С10Н22 174,1 252,8
• н. гексадекан (цетан) С16Н34 286,5
• ізооктан (2, 2, 4-триметилпентан) С8НІ8 99,2 529,4
Нафтенові:
• метилциклопентан СбНІ2 71,8 468,9
• пропилциклопентан С8Н16 130,9
Ароматичні:
• бензол С6Н6 80,5
• о-ксилол С8Н10 144,4 591,7
• м-ксилол С8Н10 139,1 688,9
• п-ксилол С8Н10 138,4 690,6
• а-метилнафталін С11Н10 244,7 565,6

від температури стисненного повітря. Для визначення цетанового числа прийняті еталонні палива, із згорянням яких у різних співвідношеннях порівнюють згоряння палива, для якого визначають значення цетанового числа. Як еталонні палива вибрані н. парафіновий вуглеводень - н. цетан (н. гексадекан), який має дуже малий період затримки самозаймання, і його цетанове число умовно прийнято за 100, та ароматичний вуглеводень -а-метилнафталін, який має великий період затримки самозаймання, і його цетанове число умовно прийнято за 0. Суміш н. цетану і а-метилнафталіну в різних співвідношеннях має неоднакову температуру самозаймання.

Цетанове число дизельного палива визначають порівнянням самозаймання дизельного палива із самозайманням штучної суміші н. цетану з а-метилнафталіном. Запускають двигун на паливі, що досліджується, і зміною ступеня стиснення досягають умов, щоб самозаймання палива почалося точно у в. м. т, тобто період затримки самозаймання дорівнював 13°. Далі підбирають таку суміш н. цетану і а-метилнафталіну, яка б при тому ж ступені стиснення займалась точно у в. м. т., тобто мала б такий же період затримки самозаймання - 13°, як і паливо, що досліджують.

Цетановим числом називається процентний (об'ємний) вміст н. цетану в суміші з а-метилнафталіном, яка за самозайманням аналогічна паливу, що досліджується. Наприклад, якщо паливо, що досліджується, має цетанове число 52, це значить, що за самозайманням воно еквівалентне штучній суміші еталонних палив, що містить 52% н. цетану і 48% а-метилнафталіну.

Цетанове число палива залежить від його хімічного складу. Н. парафінові вуглеводні мають найвищі цетанові числа (табл. 46). Ароматичні вуглеводні самозаймаються при високих температурах, і мають найменші цетанові числа.

Таблиця 46. Цетанові числа вуглеводнів

Вуглеводень Клас вуглеводню Цетанове число
Н. гексан Н. парафіновий
Н. декан Н. парафіновий 76,9
Н. додекан Н. парафіновий 87,6
Н. гексадекан (н. цетан) Н. парафіновий
Н. октадекан Н. парафіновий 102,6
Метилциклогексан Нафтеновий
Дициклогексан Нафтеновий 47,4
Толуол Ароматичний -5
Н. гексилбензол Ароматичний
а-метилнафталін Ароматичний

Збільшення вмісту ароматичних вуглеводнів у дизельному паливі веде до погіршення його самозаймання, тобто до зниження цетанового числа. Ароматичні вуглеводні в дизельному паливі і особливо поліциклічні впливають на повноту згоряння, кількість твердих частинок і бензапірену, концентрацію оксидів азоту у відпрацьованих газах. Так, зниження вмісту ароматичних вуглеводів в дизельному паливі з ЗО до 10% зменшує кількість оксидів азоту у відпрацьованих газах приблизно на 4-5%. Цетанове число залежить також від фракційного складу: чим нижче температури кипіння палива, тим менше цетанове число. Так, наприклад, фракції, що отримані з однієї нафти і містять значну кількість н. парафінових вуглеводнів, з температурами кипіння в межах 200-250 °С і 250-300 °С мають цетанові числа 45 і 60 відповідно.

Чим нижче цетанове число палива, тим жорсткіша робота двигуна. Під час жорсткої роботи дизеля спостерігається підвищене зношування корінних підшипників колінчастого вала, особливо вкладишів, за рахунок ударної хвилі на них; пригоряють і деформуються, а іноді ламаються поршневі кільця; збільшується прорив газів в оливний картер; підвищуються витрати палива і оливи, а також димність і токсичність відпрацьованих газів. Жорстка робота дизелів різної конструкції спостерігається при різному значенні інтенсивності підвищення тиску. М'яка робота дизеля забезпечується підвищенням тиску на 0,25... 0,5 МПа, а жорстка - на 0,6... 0,9 МПа на кожний градус повороту колінчастого вала. При більшому наростанні тиску робота дизеля буде дуже жорсткою.

Можна запобігти або ліквідувати жорстку роботу двигуна конструкційними або експлуатаційними методами, наприклад, збільшенням ступеня стиснення, надуванням, додаванням до палива сполук, що зменшують період затримки самозаймання. Деякі нітрати, альдегіди, кетони, пероксиди та інші сполуки зменшують температуру самозаймання. Додавання до дизельного палива з цетановим числом 39,1 ізопропилнітрату, н. гептилнітрату або пероксиду бутила у кількості 1,5% збільшує цетанове число палива на 17,9; 14,8 та 20,2 одиниць відповідно. При додаванні до палива з цетановим числом 42 ацетилпероксиду чи пероксиду тетраліну у кількості 0,5% цетанове число його підвищується на 9 та 8 одиниць відповідно. Деякі полінітрати, наприклад, динітрати 1-2-пропиленгліколя, етиленгликоля та ін. є вибухонебезпечними речовинами; нітрозосполуки, ефіри, альдегіди малоефективні. Як присадки для підвищення цетанового числа використовуються алкилнітрати: ізопропилнітрат, циклогексил-нітрат, суміш амілнітратів, тобто такі, які мають загальну формулу RONO2, де R - радікал, наприклад, етил-, ізопропил-, пентил-.

Сучасні товарні дизельні палива, як правило, відповідають вимогам конструкційних особливостей дизелів щодо значення цетанового числа. Для сучасних автотракторних дизелів, дорожньо-будівельної та іншої техніки необхідні палива з цетановими числами 45... 56, що забезпечують м'яку роботу двигуна. Підвищення цетанових чисел вище 56 не впливає суттєво на поліпшення роботи дизеля, а питомі витрати палива збільшуються. Це пояснюється тим, що при високих цетанових числах період затримки самозаймання дуже малий, і згоряння відбувається біля розпилювача форсунки. Повітря, що знаходиться у віддалених від форсунки місцях, не бере участі у процесі згоряння. Тому має місце неповне згоряння палива, що веде до його перевитрат, підвищення токсичності та димності відпрацьованих газів і до перевитрат оливи. Підвищення цетанового числа палива веде до його подорожчання. Літні дизельні палива завжди мають більш високі значення цетанового числа порівняно з зимовими, виготовленими з однієї нафти, бо у складі літніх палив є більша кількість н. парафінових вуглеводнів.

Товарні дизельні палива мають у своєму складі присадки, такі як депресатори, антидимні, миючі, протизношувальні. Із протизношувальних присадок ефективними є сполуки на основі монокислот, ефірів карбонових кислот тощо.

Антидимні присадки поділяються на зольні і беззольні. Зольні присадки (вони містять у своєму складі метали) за певних умов викликають негативні явища в роботі дизеля внаслідок утворення при згорянні зольних присадок твердих частинок (сульфатів, карбонатів, оксидів металів), які частково відкладаються в камері згоряння, на розпилювачах форсунок. У продуктах згоряння можуть бути токсичні металеві сполуки, які викидаються з відпрацьованими газами в атмосферу. Беззольні присадки мають в своєму складі кисень або азот.

Створюючи "пакет" присадок до дизельного палива, обов'язково вивчають сумісність цих присадок між собою, ефективність дії з урахуванням наявності декількох присадок та хімічного складу палива, для якого призначений "пакет" присадок, вплив на каталітичний нейтралізатор.

З метою економії нафтових дизельних палив до них можна додавати рослинні олії чи тваринні жири, використання яких відомо давно. Як добавку до дизельного палива можна використовувати такі рослинні олії, як соєву, ріпакову, соняшникову, кукурудзяну та Ін., а також до 20% баранячого чи іншого тваринного жиру.

Особливістю рослинних та тваринних жирів є наявність в них від 9, 4 до 12, 5% кисню. Природні рослинні олії та тваринні жири складаються з гліцеридів, тобто із складних ефірів трьохатомного спирту - гліцерину і різних органічних кислот. При зберіганні олії та жири стають згірклими під дією світла та повітря, набувають неприємного запаху та смаку. При одержанні "сирої олії" з рослин вона має у своєму складі різні домішки, "липкі" компоненти, від яких треба позбутися очистками. Як добавку до дизельного палива використовують оброблену спеціальними речовинами олію. Для запобігання псуванню рослинних олій та тваринних жирів у складі палива суміші готують перед використанням без тривалого зберігання. Такі суміші використовують переважно влітку.

Найбільшого використання набула рапсова (ріпакова) олія як добавка до дизельного палива. Ріпакова олія (як і інші рослинні олії і тваринні жири) має відновлювальну сировинну базу. Для сучасних дизелів ріпакова олія не може використовуватися в чистому виді, бо поступається дизельному паливу з деяких показників якості. Так, вона має:

• меншу теплоту згоряння (33, 7 МДж/м3 порівняно з 35, 2 МДж/м3);

• нижче значення цетанового числа (до 40);

• більш високу температуру випаровування: температура початку кипіння становить 376 °С; температура википання 70 %-574 °С;

• більш велику густину (900 кг/м3);

• органічні домішки, що значно погіршують коефіцієнт фільтрованості.

Ріпакову олію використовують як добавку до дизельного палива в літній період. Суміш дизельного палива з ріпаковою олією однорідна, не розшаровується. Добавка до 30% ріпакової олії практично не погіршує потужності роботи двигуна, не підвищує токсичності відпрацьованих газів і періодичності заміни моторної оливи.

Добавка спиртів до дизельних палив показала зменшення токсичності відпрацьованих газів. Економії палива при цьому немає. З добавками спиртів до палив збільшується корозія. Спирти зменшують цетанове число палив.

Методами синтезу олії і спирту (відновлювальної сировини) можна отримувати паливо для дизелів з показниками якості, близькими до показників якості дизельного палива, що отримують з нафти.

Контрольні запитання

1. Яка основна відмінність у роботі бензинового двигуна та дизеля і які вимоги залежно від цього ставляться до дизельного палива?

2. Від яких показників якості дизельного палива і як залежить його прокачування?

3. Як покращити низькотемпературні властивості дизельного палива?

4. Що називається цетановим числом дизельного палива і як воно впливає на роботу двигуна, витрати ПММ, склад відпрацьованих газів?

5. Від чого залежить утворення різних відкладень в дизелі?

6. Які нетрадиційні добавки до дизельного палива можна вживати?



3816324123354741.html
3816400311068073.html
    PR.RU™