Одержання та переробка нафтопродуктів (стр. 6 из 17)

Загальні вимоги до якості дизельного палива наступні:

- паливо повинно мати оптимальний фракційний склад і в’язкість, які забезпечують необхідну дисперсність факела розпилювання та випаровуваність, а також змащування плунжерних деталей паливної апаратури;

- володіти оптимальним самозайманням для забезпечення легкого пуску дизеля у різних кліматичних умовах і повністю згоряти при малому значенні періоду затримки займання;

- мати оптимальні низькотемпературні властивості для заданих кліматичних умов застосування;

- не містити корозійно-активних речовин, смолистих з’єднань, механічних домішок і води;

- мати високу стабільність при тривалому зберіганні;

- не утворювати підвищених лако- та нагаровідкладень на деталях двигуна і паливної апаратури;

- не викликати підвищеного зносу деталей циліндро-поршневої групи двигуна;

- не утворювати при згоранні підвищеної димчасті та мати низьку токсичність відпрацьованих газів.

Властивості палива, які визначають якість сумішоутворення

Якість сумішоутворення залежить від в’язкості густини, випаровуваності палива, поверхневого натягу. Стандартом регламентовано перші три показники.

При аналізі впливу якості палива на сумішоутворення доцільно було б розглянути складаючи його «елементарні» фізичні процеси:

Під розпилом палива прийнято вважати процес розпаду струменя, що витікає із розпилюючого пристрою (форсунки) на краплини, та подальше подрібнення цих краплин на більш дрібні. У дизелях визначений розмір краплин обумовлено заданою геометрією факела розпилу. При цьому, як збільшення, так і зменшення розміру краплин, веде до порушення геометрії факела, а, як наслідок, до порушення роботи двигуна.

Розпад струменя палива на окремі краплини та якість сумішоутворення протікає під впливом зовнішніх і внутрішніх сил. Зовнішніми є аеродинамічні сили, що діють на струмінь. До внутрішніх відносять сили, що обумовлені впливом фізико-хімічних властивостей палива. До них відносять густину, в’язкість, поверхневий натяг. Розглянемо вплив цих властивостей більш детально.

Густина дизельного палива у більшій мірі визначає характеристики вприску палива – залежність об’єму палива, що подається форсункою від початку вприску до заданого моменту подачі. Оскільки паливний насос дизеля дозує кількість вприскуємого палива по об’єму нагнітальної порожнини насоса, при цьому, при об’ємному дозуванні збільшення густини палива збільшує його масову витрату прямо пропорційно. Крім того, внаслідок підвищеного максимального тиску у трубопроводі зростає продуктивність вприску, а тривалість, як правило, зменшується.

В’язкість дизельного палива у значній мірі визначає роботу паливної апаратури дизеля. Наприклад, зменшення в’язкості палива веде до зміни геометрії факела розпилу палива, основною характеристикою є далекобійність. Встановлено вплив фізико-хімічних властивостей дизельного палива на довжину суцільної дільниці струменя розпиленого палива L_c:

де

- кінематична в’язкість при 20 ⁰С, мм²/с;

- густина палива при 20 ⁰С, кг/м³;

s – поверхневий натяг.

З підвищенням густини і в’язкості палива збільшується далекобійність струменя та ступінь заповнення камери згоряння паливом.

В’язкість також безпосередньо впливає на токсичність палива. Тонкість розпилу оцінюють розмірами краплин, що забезпечують найбільш повне і швидке випаровування і мають бути у межах 5…40 мкм. Середній діаметр краплин d_c залежить від фізико-хімічних властивостей дизельного палива у такій залежності:

d_c ~

Підвищення кінематичної в’язкості з 3 до 9 мм²/с веде до збільшення середнього діаметру краплин приблизно у 2 рази, густини – з 0,74 до 0,88 г/см³ – у 5 разів. Підвищення густини палив супроводжується сильним підвищенням в’язкості. При невеликій в’язкості зростає втрата палива у зазорах між плунжером та гільзою паливного насоса під час такту нагнітання, і як наслідок, кількість палива вприскуємого у циліндр зменшується, порушуючи роботу двигуна.

Паливо у системі живлення дизельного двигуна, крім того, виконує роль мастильного матеріалу. При недостатній в’язкості палива підвищується знос плунжерних пар насоса та голок форсунок.

Випаровуваність дизельних палив по стандарту оцінюється тільки фракційним складом.

Випаровуваність палив у дизельних двигунах має не таке важливе експлуатаційне значення, ніж випаровуваність бензинів у карбюраторних двигунах. Це пов’язано з тим, що у дизельному двигуні, сумішоутворення протікає при дуже високій температурі у кінці такту стиску повітря.

Фракційний склад сучасного стандартного дизельного палива має такі характеристики.

Переганяється при температурі, 0С
початок кипіння	10% фракцій	50% фракцій	90% фракцій	96% фракцій
180…210	205…230	250…280	320…345	330…370

Випаровуваність дизельних палив, у першу чергу, визначають пускові властивості.

Пускові властивості дизельних палив залежать від температури википання 50% (t_50%) фракцій. При цьому, цетанове число (якщо воно не надто низьке) впливає на легкість пуску, у меншій мірі, ніж фракційний склад. При запуску двигуна складаються найбільш несприятливі умови для сумішоутворення та самозаймання палива, внаслідок недостатньо високої температури у кінці такту стиску. При цьому велика кількість тепла передається холодним стінкам, а частина стискаємого повітря, при невеликих пускових обертах колінчатого валу, буде прориватися у картер. Ступінь стиску, а, як наслідок, і температура повітря у кінці стиску, будуть нижче порівняно з прогрітим двигуном. Саме тому, випаровуваність має бути такою, щоб у момент самозаймання утворювалася горюча суміш, яка відповідає межам займання.

Обважнювання фракційного складу погіршує пускові властивості. Полегшення пуску двигуна з кращою випаровуваністю спостерігається лише до певних меж полегшення фракційного складу, у зв’язку з погіршенням займання (рис. 1.11). Крім того, відбувається перезбагачення суміші поблизу форсунки і збіднення у решті камери згоряння, знову погіршуються пускові характеристики. Температура википання 96% фракцій палива (t_96%), в основному, здійснює вплив на потужності та економічні показники роботи дизеля.

Рис. 2. Вплив фракційного складу на показники роботи одноциліндрової установки, на базі двигуна ЯМЗ-236 у залежності від цетанового числа палива: І – ЦЧ=40±2; ІІ – ЦЧ=46±2; ІІІ – ЦЧ=52±2

Займання та згоряння палива у дизелі

Здатність дизельного палива самозайматися у дизелі та інтенсивність його згоряння залежить від хімічного складу палива, випаровуваності та цетанового числа. Стандартом самозаймистість палива кількісно оцінюється цетановим числом.

Сутність процесів займання та згоряння палива принципово різниться, хоча обидва представляють собою окислення молекул пального.

Самозаймистість дизельного палива у двигуні відбувається в результаті виникнення двох необхідних умов:

1) порушення рівноваги між швидкостями утворення та розпаду нестійких киснемістких з’єднань, у результаті цього виділяється надлишкова кількість енергії (тепла);

2) порушення рівноваги між швидкостями тепловиділення (від окислення палива) і тепловідводу до стінок камери згорання, у результаті чого температура підвищується, а хімічні реакції переходять в екзотермічні.

У любому дизельному двигуні процес згоряння палива можна розділити на чотири фази:

- передполум’яні екзотермічні хімічні реакції окислення палива (період затримки займання);

- період швидкого згоряння палива (період різкого наростання тиску);

- період сповільненого горіння;

- фаза догорання палива.

На рис. 3 представлено розвернуту індикаторну діаграму дизельного двигуна.

Рис. 3. Розгорнута індикаторна діаграма дизельного двигуна

Складному процесу самозаймання дизельного палива завжди передує період затримки займання (ділянка 1–2, див. рис. 3) – проміжок часу від початку вприскування (точка 1) палива до моменту його займання (точка 2).

Загальний період затримки займання складається з часу, що витрачається на протікання фізичних процесів (τ_ф) (розпил палива, перемішування його з повітрям, нагрів та випаровування (τ_ф ≈ 0,1…10 ^-3 мс), і часу необхідного для хімічних реакцій (τ_x) (передполум’яні реакції багатостадійного окислення вуглеводнів палива, τ_x ≈ 1,8…5,0 мс).

У результаті передполум’яних реакцій накопичується тепло (його виділяється більше, ніж відводиться до стінок камери згоряння), температура підвищується, швидкості хімічних реакцій ростуть і починається процес горіння (точка 2, рис. 3) – самозаймаються проміжні продукти окислення палива.

У період швидкого зростання тиску (ділянка 2–3) відбувається процес горіння. Однак, подача палива на цей час ще продовжується, тому за другу фазу не може згоріти весь цикловий заряд палива, а згоряє тільки його основна частина. Інтенсивність наростання тиску залежить від об’єму палива, яке подається в циліндр за період затримки займання.