Дизельное топливо

ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА

Из истории дизельного топлива

Осенью 1913 г. в бельгийском порту на корабль, отправлявшийся через Ла-Манш в Англию, сел известный изобретатель В 1897 г Рудольф Дизель, изобрел новый, наиболее экономичный двигатель внутреннего сгорания, названный в честь автора дизелем.

Плавание было недолгим и внешне протекало спокойно. На море стоял штиль. По прибытии корабля в Лондон Рудольфа Дизеля не оказалось ни на корабле, ни в числе пассажиров, сошедших на берег. Так, в ночь с 29 на 30 сентября при таинственных обстоятельствах бесследно исчез на 56-м году жизни Дизель.

Высказывались различные версии о его трагической гибели. Некоторые считали, что Дизель покончил жизнь самоубийством, так как в последние годы вокруг него создалась невыносимая атмосфера злобы и клеветы.

Действительные обстоятельства исчезновения Дизеля пока остались неразгаданными,

История дизельного топлива неразрывно связана с историей двигателя – дизеля.

Первый двигатель Дизеля не был надежным в работе. В качестве топлива для него требовался осветительный керосин. Получение и очистка керосина по тем временам были сложными и дорогостоящими операциями, и поэтому осветительный керосин был очень дорогим продуктом, который считалось невыгодным сжигать в больших количествах в двигателях.

Быстрому распространению двигателя – дизеля способствовало то обстоятельство, что в 1898–1899 гг. на заводе Нобеля в Петербурге, теперь носящем название «Русский дизель», были внесены конструктивные изменения в двигатель, повысившие надежность его работы и позволившие эксплуатировать его не на керосине, а на самом дешевом в то время нефтяном топливе – на сырой нефти.

Нужно сказать, что первые дизели, будучи тихоходными, действительно надежно работали на самых различных нефтяных продуктах. Это способствовало созданию мнения, что дизели вообще неприхотливы к топливу и могут одинаково хорошо работать на любом нефтяном топливе. Такое ошибочное убеждение продержалось недолго. Совершенствование дизеля шло по различим направлениям, и довольно скоро появилось очень много самых различных типов дизелей – автомобильные, танковые, тепловозные, судовые, стационарные, существенно отличающиеся один от другого конструкцией, скоростью движения поршня, способом подачи топлива.

Как показала практика, для каждого типа дизеля потребовалось свое, вполне определенное топливо. При эксплуатации этих двигателей лишь тогда удавалось получать хорошие результаты, когда топливо было правильно подобрано для данного двигателя с учетом его особенностей. И поэтому в настоящее время общее название «дизельное топливо» имеют керосин, соляровое масло, мазут и их смеси.

 

Особенности работы дизеля

Легче всего можно уяснить сущность работы дизеля, если сравнить его с карбюраторным двигателем.

В карбюраторном двигателе горючая смесь образуется вне цилиндра, а в цилиндры поступает уже готовая смесь паров бензина с воздухом, которая, во время такта сжатия сжимается в шесть – десять раз и затем поджигается электрической искрой.

Дизель работает по иному принципу, чем карбюраторный двигатель. В цилиндры поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который во время такта сжатия сжимается в пятнадцать – двадцать раз. При таком сжатии давление в камере сгорания достигает 30 – 40 кгс/см2, а сам воздух нагревается до 500–700° С. В такой сжатый и нагретый воздух через форсунку впрыскивается топливо, которое при этом распыливается на мельчайшие капельки и частично испаряется, образуя с воздухом горючую смесь. Горючая смесь воспламеняется от нагретого воздуха без какого-либо постороннего источника зажигания и сгорает.

Чем сильнее сжимается горючая смесь в цилиндре перед сгоранием, тем больше тепла, выделяемого при сгорании топлива, удается превратить в полезную работу; другими словами, с повышением степени сжатия двигатель становится более экономичным.

Коэффициент полезного действия дизелей составляет 35–38% против 22–28% карбюраторных двигателей (рис. 1). А если это выразить в виде–расхода топлива, то в современных быстроходных дизелях удельный

 

Рис. 24. Использование энергии топлива в различных машинах

 

расход топлива на 30–40% меньше, чем в новейших карбюраторных двигателях.

В настоящее время применяются самые разнообразные конструкции дизелей. Наиболее существенными признаками, по которым делят дизели, являются: рабочий процесс, частота вращения вала и конструкция камеры сгорания.

По рабочему процессу дизели разделяются на двухтактные и четырехтактные.

По частоте вращения вала все дизели принято подразделять на три типа: 1) высокооборотные или быстроходные (более 1000 об/мин), применяемые на сельскохозяйственных машинах, вездеходах, дорожном транспорте, тепловозах; 2) среднеоборотные (500–1000 об/мин), применяемые на тепловозах, в стационарных условиях и в качестве вспомогательных двигателей на кораблях; 3) малооборотные или тихоходные (менее 500 об/мин), применяемые в качестве главных судовых дизелей и на стационарных электростанциях.

По конструкции камеры сгорания дизели различают: с неразделенной камерой и с разделенной камерой. В двигателях с неразделенной камерой или, иначе говоря, с камерой непосредственного впрыска, топливо распиливается и сгорает в одной и той же камере. В двигателях с разделенной камерой последняя состоит из двух частей, соединенных между собой одним или несколькими каналами или узкой горловиной. В первой части камеры происходит распиливание топлива и его частичное сгорание. Во второй части камеры, расположенной над поршнем, происходит дальнейшее перемешивание несгоревшего топлива с воздухом и сгорание всего заряда топлива.

Процессы смесеобразования и сгорания топлива в быстроходном дизеле в значительной мере зависят от 4 конструкции камеры сгорания; эти процессы являются : более сложными, чем в карбюраторном двигателе, и к тому же пока менее изученными. Вот некоторые цифры, характеризующие эти процессы.

Топливо впрыскивается в цилиндр с помощью форсунки под давлением примерно 120 кгс/см2 у тракторных дизелей и 800–1400 кгс/см2 у автомобильных дизелей. Струя топлива выходит из форсунки со скоростью, достигающей 250 м/с, т. е. почти со скоростью звука. Отверстие в форсунке, через которое подается топливо, имеет диаметр 0,15–0,20 мм. Один заряд впрыскиваемого топлива составляет примерно 0,06–0,08 мл. Топливо начинает впрыскиваться за 10–17° до выхода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ); весь впрыск топлива продолжается примерно 20° поворота коленчатого вала.

Топливо подается в цилиндр в сильно распыленному состоянии, заряд топлива разбивается на миллионы капель, диаметр которых колеблется от 0,0001 до 0,12 мм и в среднем составляет 0,005–0,006 мм.

Если в карбюраторном двигателе, работающем при частоте вращения вала 2000 об/мин, на испарение бензина (которое начинается в смесительной камере карбюратора и заканчивается в цилиндре в конце такта сжатия) и на его смешение с воздухом отводится (от момента начала испарения топлива до момента поджигания рабочей смеси искрой) примерно 0,025 с, то в быстроходном дизеле на испарение топлива (от момента впрыска топлива до начала горения) при той же частоте вращения вала приходится 0,002–0,003 с, т. е. почти в десять раз меньше, чем в карбюраторном двигателе. Поэтому, несмотря на все принимаемые меры, топливо в дизеле хуже перемешивается о воздухом, чем в карбюраторном двигателе, и распределяется по камере сгорания неравномерно: в одних частях камеры сгорания топлива оказывается больше, чем в других.

Чтобы добиться наиболее полного сгорания топлива даже в тех частях камеры, где его окажется много, в дизель воздух подается с избытком.

Если карбюраторные двигатели работают с коэффициентом избытка воздуха, равным 0,8–1,1, то в быстроходных дизелях коэффициент избытка воздуха обычно равен 1,2–1,5.

 

Сгорание топлива в дизеле

Как мы уже знаем, топливо, впрыскиваемое в цилиндр дизеля, попадает в сжатый и нагретый воздух.

От соприкосновения с воздухом топливо воспламеняется без участия какого-либо постороннего источника огня. Но воспламеняется оно не сразу. Проходит какой- то промежуток времени, пока топливо воспламенится.

Время от момента впрыска топлива в цилиндр дизеля до его воспламенения называют периодом задержки воспламенения. Период задержки воспламенения очень короток, но все же он оказывает исключительно большое влияние на последующий процесс сгорания топлива.

Заряд топлива хотя и быстро впрыскивается в цилиндр дизеля, все же на это уходит какое–то время. Когда топливо, попадая в цилиндр, быстро воспламеняется и период задержки воспламенения оказывается небольшим, то давление в цилиндре увеличивается равномерно и процесс сгорания протекает плавно. Это происходит потому, что процесс сгорания начинается почти сразу, с поступлением первых капель заряда топлива, и постепенно усиливается по мере того, как в цилиндр подаются последующие порции заряда. Другими словами, сгорание всего заряда топлива при этом растягивается по времени. Регулируя скорость подачи заряда топлива, можно управлять процессом сгорания.Совсем иная картина наблюдается, когда период задержки воспламенения большой. В этом случае в цилиндре до начала воспламенения успевает собраться значительная часть заряда топлива. Одновременное Воспламенение большого количества топлива носит характер уже не плавного, а взрывного сгорания и резко повышает давление в цилиндре.

Чем длительнее период задержки воспламенения топлива, тем большая часть заряда топлива окажется в цилиндре к моменту воспламенения и тем сильнее будет взрыв в цилиндре.

Разумеется, что при таком сгорании топлива не будет плавности в работе, о которой говорилось выше; двигатель будет работать жестко. В ритмичном шуме работающего дизеля появятся резкие, отчетливо слышимые стуки: в нем как будто что–то оборвалось и бьет по стенкам цилиндра.

С появлением стуков нарушается плавность работы; двигателя, ухудшается его экономичность. При этом, как выяснено, увеличиваются силовые нагрузки на основные детали кривошипно–шатунного механизма двигателя, которые могут привести к деформации поршневых колец и поршня, к пригоранию поршневых колец, к нарушению работы коренных и шатунных подшипников.

Что же это за стуки? Какова природа этих звуковых сигналов, указывающих на то, что двигатель работает ненормально? Стуки – это прежде всего «голос протеста» со стороны топлива, попавшего в двигатель не по назначению.

Как узнать, будет ли данное топливо воспламеняться в дизеле быстро или с большой задержкой?

Представление об этом можно получить по цетановому числу топлива.

 

Цетановое число

Цетановое число характеризует склонность топлива к самовоспламенению. Определяют его на лабораторной установке ИТ9–3 с одним цилиндром дизеля. Степень сжатия в цилиндре переменная – изменяется в пределах от 6,8 до 23,5 поворотом ручки.

При определении цетанового числа испытываемое дизельное топливо сравнивается с различными эталонными смесями, составленными из двух эталонных топлив – цетана (С16Н34) и альфаметилнафталина (С11Н10).

Цетан – это чистый углеводород парафинового ряда, обладающий очень высокой склонностью к самовоспламенению, которая условно принята за 100 единиц. Цетан в установке ИТ9–3 самовоспламеняется даже при самой малой степени сжатия.

Альфаметилнафт а Шин – тоже чистый углеводород, но ароматического ряда. В отличие от цетана он обладает очень низкой склонностью к самовоспламенению; альфаметилнафталил не воспламеняется в установке ИТ9–3 даже при самой высокой степени сжатия, равной 23,5. Его склонность к самовоспламенению условно принята за 0 единиц.

При смешении цетана с альфаметилнафталином в разных пропорциях получают эталонные топливные смеси, обладающие различной склонностью к самовоспламенению от 0 до 100. Чем больше содержание цетана в смеси, тем выше ее склонность к самовоспламенению.

Принцип определения цетанового числа топлива состоит в том, что на установке ИТ9–3 в строго стандартных условиях сравнивают воспламеняемость испытываемого дизельного топлива с воспламеняемостью эталонных смесей. Таким образом, находят, какая именно эталонная смесь имеет точно такую же склонность к самовоспламенению, как и испытываемое дизельное топливо. Допустим, что такая смесь состоит из 40% цетана и 60% альфаметилнафталина. Значит, в этом случае испытываемое топливо будет иметь цетановое число, равное 40 (рис. 25).

Следовательно, цетановое число топлива определяется процентным содержанием цетана в эталонной смеси, имеющей одинаковую самовоспламеняемость с испытываемым топливом.

Установлена следующая связь между цетановым числом и поведением топлива в дизеле. С повышением цетанового числа топлива процесс сгорания протекает более плавно, двигатель работает экономичнее» и не так жестко, как на низкоцетановом топливе. Но такое улучшение в работе дизеля наблюдается только при возрастании цетанового числа примерно до 60–65. При дальнейшем повышении цетанового числа работа дизеля ухудшается – топливо начинает сгорать не полностью, 

 

Рис. 25. Испытуемое дизельное топливо по своей склонности к самовоспламенению оказалось одинаковым с эталонным топливом, состоящим из 40% цетана и 60%, альфаметил–нафталина. Значит, цетановое число испытуемого топлива равно 40 

усиливается дымление и повышается удельный расход топлива.

Цетановое число топлива оказывает большое влияние на легкость пуска дизеля: чем оно выше, тем при более низкой температуре возможно пустить дизель.

 

Значение фракционного состава дизельного топлива

Фракционный состав наряду с цетановым числом является одним из наиболее важных показателей качества дизельного топлива. Он оказывает влияние на расход топлива, дымность выпуска, легкость пуска двигателя, износ трущихся деталей, нагарообразование и закоксование форсунок, пригорание поршневых колец. Чувствительность рабочего процесса дизеля к фракционному составу топлива во многом, зависит от типа смесеобразования в двигателе. Чем выше давление, температура и интенсивность вихревого движения заряда, тем меньше сказывается влияние фракционного состава топлива на процессе сгорания. Для быстроходных дизелей требуется топливо более легкого фракционного состава, чем для тихоходных.