Сгорание смеси и оценка самовоспламеняемости дизельных топлив

Рассмотрим индикаторную диаграмму дизельного двигателя (рисунок 1).

Для процесса сгорания смеси в дизельных двигателях характерно образование во внешней оболочке струи впрыскиваемого топлива объёмных очагов пламени, количество которых определяется интенсивностью протекания предпламенных реакций и величиной периода задержки воспламенения.

- мягкая работа;

- жесткая работа

Рисунок 1 – Развёрнутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя.

На диаграмме можно выделить следующие периоды и характерные точки:

- точка 1 – впрыск топлива;

- точка 2 – начало горения;

- 1 – 2 – период задержки воспламенения;

- 2 – 3 – период быстрого горения;

- 3 – 4 – период замедленного горения;

- после точки 4 – линия расширения.

Если он небольшой, то процесс сгорания протекает благоприятнее, облегчается пуск, обеспечивается мягкая и устойчивая работа двигателя.

Минимальный период задержки воспламенения характерен для топлива с большим количеством легкоокисляющихся углеводородов (парафиновые углеводороды нормального строения).

Жесткая работа двигателя наблюдается при работе на топливе, содержащем трудно окисляющиеся парафиновые углеводороды изомерного строения и ароматики (в бензинах они необходимы). При этом период задержки воспламенения увеличивается.

Жесткость работы двигателя оценивается по величине нарастания давления на 1⁰ поворота коленчатого вала. Двигатель работает мягко при нарастании давления до 0,25 – 0,5 МПа на 1⁰ поворота коленчатого вала, очень жёстко (быстрый выход из строя) при нарастании давления более 0,9 МПа.

Склонность дизельного топлива к самовоспламенению и возникновению жёсткой работы оценивают по цетановому числу. Цетановое число (ЦЧ) – это показатель воспламеняемости дизельного топлива; численно равный объёмному проценту цетана в эталонной смеси, состоящей из цетана (ЦЧ = 100) и a - метилнафталина (ЦЧ = 0), которая в условиях испытания равноценна по воспламеняемости испытуемому топливу.

Для определения самовоспламеняемости дизельного топлива необходимо подобрать такой состав эталонной смеси, при котором бы испытуемое топливо и смесь в стандартных условиях имели одинаковый период задержки самовоспламенения.

Для современных быстроходных дизелей применяют топлива с цетановыми числами 45 – 50. Применение топлив с цетановым числом менее 40 может привести к жесткой работе дизельного двигателя.

Повышение цетанового числа выше 50 нецелесообразно, так как из – за очень малого периода задержки самовоспламенения топливо не успевает распространиться по всей камере сгорания, воспламеняясь и сгорая вблизи форсунки. Поскольку наиболее удалённые от неё порции воздуха не в полной мере участвуют в процессе горения, экономичность двигателя снижается и при этом наблюдается дымление. Цетановые числа топлив могут быть повышены двумя способами: регулированием углеводородного состава или введением специальных присадок.

3. Показатели и свойства дизельных топлив, влияющие на подачу и смесеобразование

Низкотемпературные свойства

Низкотемпературные свойства дизельных топлив характеризуются двумя температурами: температурой застывания и температурой помутнения.

Температурой помутнения называют температуру, при которой топливо теряет прозрачность в результате выпадения кристаллов н-парафиновых углеводородов или микрокристаллов льда. При этом топливо не теряет текучести. Микрокристаллы, задерживаясь на фильтрующем патроне в фильтре тонкой очистки, образуют непроницаемую для топлива парафиновую плёнку, в результате чего подача топлива прекращается.

Бесперебойная подача обеспечивается при температуре помутнения топлива на 5 – 10 ⁰С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль. Потерю подвижности нефтепродуктов вследствие образования из кристаллизующихся углеводородов каркаса или структурной сетки принято называть застыванием. Температурой застывания называют температуру, при которой дизельное топливо не обнаруживает подвижности в стандартном приборе под углом 45⁰ в течение 1 мин. Самая низкая температура, при которой может применяться дизельное топливо, должна быть выше температуры застывания на 10 – 15 ⁰С.

В эксплуатации низкотемпературные свойства дизельных топлив могут быть улучшены путём добавления присадок – депрессаторов или реактивноготоплива.

Вязкостные свойства

Повышенное или пониженное значение вязкости (для топлив различных марок n₂₀ от 1,8 до 6 мм²/с) приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, а также процессов смесеобразования и сгорания топлива.

При пониженной вязкости: в результате проникновения топлива через зазоры в плунжерной паре уменьшается цикловая подача и снижается давление впрыска; подтекание топлива через отверстия форсунки увеличивает нагарообразование; ухудшаются смазочные свойства топлива, вследствие чего, возрастает интенсивность изнашивания элементов топливной аппаратуры. Как следствие, возрастает расход топлива, падает мощность двигателя.

Повышенная вязкость топлива приводит к ухудшению качества смесеобразования, при распыливании образуются крупные капли и длинная струя с малым углом.

Возрастает продолжительность этапа испарения, топливо сгорает не полностью, увеличивается его расход, повышается нагарообразование, возникает дымление.

На процесс смесеобразования влияют также плотность топлива и поверхностное натяжение. Их роль в этом процессе как в дизельных двигателях, так и в карбюраторных одинакова.

Испаряемость

Испаряемость оказывает решающее влияние на протекание второй стадии смесеобразования – испарение топлива (её определяют при разгонке на стандартном аппарате).

По ГОСТ 305 – 82 испаряемость топлива, характеризуемая фракционным составом, определяется двумя температурами – выкипания 50 и 96 % топлива (t₅₀ и t₉₆). Температура начала кипения отечественных дизельных топлив находится в пределах 170 – 200 ⁰С, а конца перегонки (t₉₆) – 330 – 360 ⁰С.

Показатель t₅₀ в какой-то степени характеризует пусковые качества дизельных топлив. Показатель t₉₆указыват на содержание в топливе трудноиспаряющихся фракций, которые ухудшают смесеобразование и вызывают неполное сгорание.