Условия применения и требования к качеству дизельных топлив.

Условия применения дизельных топлив определяются особенностями рабочего процесса дизеля и условиями эксплуатации изделий военной техники, на которой установлены дизели.

Специфической особенностью дизельного двигателя является то, что смесеобразование в нем происходит непосредственно в камере сгорания, а образовавшаяся рабочая смесь самовоспламеняется за счет энергии диабатически сжатого воздуха.

Условия испарения, смесеобразования и сгорания в дизеле значительно отличаются от условий, в которых протекают эти процессы в карбюраторном двигателе.

Впрыск топлива производится в среду горячего (500…700 ⁰С) и сильно сжатого воздуха (степень сжатия воздуха в дизеле достигает 14…18 и выше). Для обеспечения хорошего распыла (средний диаметр капель 10…100 мкм) и смесеобразования топливо в цилиндр подается под давлением (до 150 МПа и выше). Для этого используется специальная аппаратура, включающая насосы высокого давления и форсунки или насосы-форсунки. Вследствие этого, топливная система дизеля гораздо сложнее, чем у карбюраторного двигателя.

Топливо в дизельном двигателе выполняет не только роль горючего, но и используется в качестве смазочного материала трущихся деталей топливной аппаратуры.

Процесс смесеобразования включает: распыливание вводимой порции топлива, распределение капель в камере сгорания, испарение и диффузию паров топлива.

В быстроходных дизелях смесеобразование осуществляется в весьма короткие промежутки времени (за 0,003…0,006 с). К началу воспламенения (период задержки воспламенения составляет 0,0016…0,003 с) процессы смесеобразования не успевают завершаться во всем объеме камеры сгорания, продолжают развиваться одновременно с процессом горения топливно-воздушного заряда. При этом вследствие температуры скорость процессов физико-химической подготовки, еще не участвующего в горении топлива, значительно увеличивается. Однако, в дальнейшем условия воспламенения и горения топлива, особенно поступающего в конце впрыска, ухудшаются за счет недостаточного подвода кислорода в зону реакции и фракционирования при испарении капель топлива, так как в последнюю очередь испаряются и участвуют в горении высококипящие углеводороды с большой молекулярной массой. В этих условиях горение последних порций топлива замедляется и в условиях повышенных нагрузок является одной из причин дымления двигателя.

На рис.2.1 показана индикаторная диаграмма рабочего процесса двигателя с воспламенением от сжатия, развернутая по углу поворота коленчатого вала. Пунктиром показано изменение давления в камере сгорания неработающего двигателя. В непрерывном рабочем процессе можно выделить три стадии.

К первой стадии относятся процессы, протекающие в камере сгорания от момента начала впрыска (точка 1) до образования очага пламени. С момента образования очага пламени начинается резкое повышение давления, и этот момент характеризуется на индикаторной диаграмме точкой отрыва линии работающего двигателя (точка 2) от линии сжатия.

	Рис. 2.1. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля

Период времени от начала впрыска до начала горения называется периодом воспламенения (самовоспламенения). В этот период времени происходит распыливание, смешение и испарение топлива, а также его предпламенные превращения, заканчивающиеся в некоторых частях образованием первичных очагов горения. К началу воспламенения достаточно глубокие химические процессы окисления успевают пройти только в небольшой части топливного заряда. В дальнейшем эти процессы развиваются в условиях высоких температур и давлений, обусловленных сгоранием последующих порций топлива.

Во второй стадии происходит распространение турбулентного горения по топливно-воздушной смеси. Вторая стадия начинается с момента самовоспламенения (точка 2) и длится до точки 3. После образования первоначальных очагов воспламенения и начавшегося турбулентного горения возможно образование новых очагов, от которых также распространяется фронт пламени по горючей смеси. Если предпламенная подготовка смеси в первой стадии развилась недостаточно быстро, то к моменту начала воспламенения в камере сгорания накапливается излишне большое количество гетерогенной топливовоздушной смеси и практически одновременно возникает большое количество начальных очагов воспламенения. В этих случаях зона реакции распространяется за счет самоумножения очагов воспламенения - последовательного самовоспламенения предварительно подготовленной горючей смеси. Такое горение обычно приводит к высокой скорости нарастания давления и жесткой работе двигателя.

В третьей стадии происходит догорание рабочей смеси в цилиндре двигателя. Догорание происходит в условиях высоких температур и уменьшенной концентрации паров топлива и воздуха при движении поршня к нижней мертвой точке. В фазе догорания существенное влияние на скорость сгорания оказывает повышенная концентрация продуктов сгорания. От количества смеси, догораемой в третьей стадии и условий зависит полнота сгорания топлива и дымление двигателя.

Работа дизеля при некоторых условиях может быть мягкой или жесткой. Мягкая и жесткая работа двигателя определяется скоростью нарастания давления в камере сгорания на градус поворота коленчатого вала и зависит, главным образом, от периода задержки самовоспламенения (ПЗВ) топлива. Средняя величина жесткости работы современных быстроходных дизелей находится в пределах 0,4...0,5 МПа/град.п.к.в. (в зависимости от степени сжатия). При больших скоростях нарастания давления наблюдается жесткая работа двигателя. ПЗВ топлива оказывает решающее влияние на скорость нарастания давления в камере и зависит при прочих равных условиях от строения и химической активности углеводородов, входящих в состав дизельного топлива. Наибольшим ПЗВ обладают ароматические углеводороды, далее идут изоалканы, нафтены и непредельные углеводороды. Наименьшим ПЗВ обладают алканы нормального строения. ПЗВ уменьшается для углеводородов одинакового строения по мере увеличения их молекулярной массы.

При больших ПЗВ к началу воспламенения в камере сгорания накапливается большое количество смеси, подготовленной к сгоранию, в результате происходит воспламенение больших количеств горючей смеси и чрезмерно быстрое нарастание давления, что приводит к жесткой работе дизеля. Наоборот, при слишком малом ПЗВ топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания начинает воспламеняться и сгорать не по всему объему, а в непосредственной близости от форсунки. В результате следующие порции топлива будут поступать в атмосферу горячего воздуха, смешанного с продуктами сгорания, что неизбежно приводит к неполному сгоранию, дымлению и потере мощности двигателя за счет неравномерного смесеобразования в объеме камеры сгорания.

На ПЗВ и характер процесса сгорания топлива в дизеле существенное влияние оказывают конструктивные и эксплуатационные факторы. Действие этих факторов проявляется через изменение режима работы, который в свою очередь влияет на мощность, экономичность и надежность работы дизеля. Увеличение температуры в конце такта сжатия и топлива улучшает характеристики воспламенения и горения. Повышение давления также увеличивает скорость химических превращений. Однако положительное влияние температуры и давления будет оказываться только при условии соблюдения оптимальных параметров распыливания, распределения топлива в камере сгорания и турбулентности среды.

Коэффициент избытка воздуха при работе дизеля оказывает меньшее влияние на скорость химических превращений по сравнению с карбюраторным двигателем и колеблется в широких пределах, так как регулирование мощности дизеля осуществляется путем изменения подачи топлива. Наддув воздуха вызывает повышение температуры и давления в конце такта сжатия, что приводит к сокращению ПЗВ и увеличению сгорания (рис.2.2).

Влияние формы, размера и материала камеры сгорания проявляется главным образом через температурный режим работы двигателя и равномерность распределения топлива по объему камеры сгорания.

Увеличение тонкости распыливания топлива ускоряет скорость испарения капель, однако при этом уменьшается дальнобойность струи, в результате чего происходит неравномерное распределение топлива по объему камеры сгорания.

	Рис. 2.2. Изменение ПЗВ в зависимости от подачи топлива и давления наддува в дизеле: 1- давление наддува 0,1 МПа; 2 – давление наддува 0,15 МПа

За счет местного переобогащения смеси химические предпламенные процессы замедляются, что приводит к уменьшению ПЗВ. Лучшим является распыливание, при котором уже первые порции топлива равномерно распределяются по объему камеры сгорания за счет различия масс капель. Такое распыливание увеличивает скорость сгорания и сокращает продолжительность фазы догорания.

Увеличение степени сжатия приводит к увеличению давления, температуры и, следовательно, к уменьшению ПЗВ. В условиях высоких степеней сжатия за счет высоких температур и давлений слабее проявляется влияние химического состава топлива на ПЗВ. Влияние степени сжатия на ПЗВ и скорость нарастания давления показано на рис.2.3.

	Степень сжатия

Рис.2.3. Влияние степени сжатия на ПЗВ и скорость нарастания давления в дизеле: 1 – дизельное топливо; 2 – алканоциклановая фракция дизельного топлива; 3 – ароматическая фракция дизельного топлива

С уменьшением угла опережения впрыска топлива сокращается ПЗВ, так как по мере движения поршня к верхней мертвой точке температура и давление в камере сгорания повышается. Вместе с этим при слишком малом угле опережения впрыска, хотя ПЗВ будет минимальным, однако, сгорание массы топлива перейдет в такт расширения, возникает падение мощности и дымление двигателя за счет уменьшения скорости нарастания давления и увеличения продолжительности фазы догорания (рис. 2.4).

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя усиливается вихревое движение, повышаются температура и давление воздуха в камере сгорания. В таких условиях ПЗВ и продолжительность горения уменьшаются, в результате чего основная часть топлива успевает сгореть до начала фазы догорания (рис.2.5). Это утверждение справедливо до достижения некоторой частоты вращения коленчатого вала, которая определяется конструкцией двигателя.

Рис. 2.4. Влияние угла опережения впрыска топлива на период задержки воспламенения и скорость нарастания давления: 1 – дизельное топливо; 2 – алканоциклановая фракция дизельного топлива; 3 – ароматическая фракция дизельного топлива.

Рис.2.5. Влияние цетанового числа на период задержки воспламенения:

1 - четырехтактный дизель для испытаний топлив при Е=16, n=900 мин ^-1, температура охлаждающей воды t = 65 ⁰С; 2 - то же при t =100 ⁰С;

3 - двухтактный двигатель при Е = 16, n = 900 мин ^–1; 4 - то же при Е=1800.

При дальнейшем увеличении частоты вращения коленчатого вала повышение температуры и давления воздуха и соответствующее ускорение предпламенных процессов уже не успевает скомпенсировать сокращение времени, отводимого на эффективное сгорание топлива, в результате чего все большая часть топлива догорает в третьей стадии, падает эффективная мощность и увеличивается удельный расход топлива.

Таким образом, исходя из особенностей рабочего процесса и условий применения в двигателях, дизельные топлива должны отвечать следующим требованиям:

обладать хорошей прокачиваемостью в широком диапазоне температур и обеспечивать надежную, бесперебойную подачу в камеру сгорания в соответствии с заданными характеристиками;

иметь оптимальные воспламеняемость и испаряемость, необходимые для легкого запуска и плавной работы двигателя на различных эксплуатационных режимах;

не образовывать отложений в системе питания и камере сгорания;

быть устойчивыми к окислению в условиях хранения и транспортирования;

не вызывать коррозию деталей двигателя, средств хранения, транспортирования и заправки не только соединениями, входящими в состав топлив, но и в состав продуктов сгорания;

не быть токсичными и не вызывать загрязнение окружающей среды;

иметь широкую сырьевую базу и отработанные технологии производства, а также быть дешевыми.