Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

капливаются неустойчивые кислородсодержащие соеди­ нения (перекиси, гидроперекиси, альдегиды и др.), рас­ пад которых сопровождается выделением части энергии (10—15%), заключенной в топливе; может появиться сла­ бое голубое свечение. Голубое свечение наблюдается при низких температурах (200—400°), светящееся пламя — холодное. В результате предпламенных реакций накапли­ вается тепло (его выделяется больше, чем отводится к стен­ кам камеры сгорания), температура повышается, скоро­ сти химических реакций возрастают, холоднопламенный процесс переходит в горячий, начинается процесс горения (самовоспламеняются промежуточные продукты окисления углеводородов топлива).

В точке 2 начинается процесс горения. Топливо сго­ рает, резко возрастает давление (это вторая фаза горения, которую часто называют периодом резкого нарастания давления). Как видно из графика (рис. 33), этот период продолжается от точки 2 до точки 3 (10—12° поворота ко­ ленчатого вала). В это время выделяется основная масса тепловой энергии (55—70%). Период быстрого сгорания продолжается с момента воспламенения топлива (точка 2) до максимального нарастания давления pz (точка 3). Нужно так организовать процесс, чтобы pz соответство­ вало подходу поршня к ВМТ. Подача топлива еще про­ должается, поэтому во второй период не может сгореть весь цикловой заряд топлива, сгорает только его основная часть. Начинается третий период — замедленного горе­ ния, который продолжается от точки 3 до точки 4 (5—7° поворота коленчатого вала). В эту фазу горения давление в цилиндре двигателя вначале почти не меняется, а затем начинает снижаться, здесь выделяется около 20—25 % энер­

гии, но с меньшей интенсивностью, так как снижается скорость горения.

В начале третьего периода заканчивается цикловая по­ дача топлива, продукты сгорания расширяются, давят на поршень, совершая рабочий ход. Если к концу третье­ го периода сгорело все топливо, то процесс горения закон­ чен, но очень часто в дизелях наблюдается четвертая фаза

став и больше в топливе высокомолекулярных углево­

Чем больше период догорания, тем хуже качество горения—

126

большая неполнота сгорания, дымность выхлопа, выше расход топлива. Если на протекание основных первых трех периодов главное влияние оказывает химический состав топлива, то на четвертый период — физические свой­

ства.

Чем легче и быстрее окисляются углеводороды, вхо­ дящие в состав дизельного топлива, тем больше образует­ ся неустойчивых кислородсодержащих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и короче период задержки воспламенения, мягче и устойчивее работа дви­ гателя. Наиболее склонны к окислению углеводороды па­ рафинового ряда нормального строения, более устойчивы нафтены и изомерные углеводороды парафинового класса, наиболее стойки к окислению ароматические углеводоро­ ды. Обычно с повышением молекулярной массы, т. е. с ростом числа углеродных атомов в молекуле, устойчивость к окислению становится меньше, следовательно, сокраща­ ется период задержки воспламенения.

На период задержки воспламенения влияет вязкость топлива, качество его распыливания, температура и дав­ ление в камере сгорания, коэффициент избытка воздуха. При высокой вязкости и плохом распыливании образу­ ются крупные капли и более короткая струя топлива. Общая поверхность испарения капель большего диаметра меньше, а время их прогрева больше, что замедляет ин­ тенсивность протекания предпламенных реакций. G уве­ личением давления и коэффициента избытка воздуха по­ вышаются температура и количество кислорода в камере сгорания, что ускоряет процесс окисления. При повыше­ нии температуры уменьшается время на нагревание и ис­

парение топлива.

Методы скоростной киносъемки позволили выяснить, что в дизельных двигателях образуются объемные очаги горячего пламени, которые возникают почти одновремен­ но в нескольких местах внешней оболочки струи топлива. Скорость распространения фронта пламени очень высока —

до 1000 м/с.

Количество очагов воспламенения зависит от характе­ ра протекания предпламенных реакций и длительности периода задержки воспламенения.

127

Рис. 34. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя при мягкой ( а ) и жесткой ( б ) работе.

л и б о быстрее воспламеняется и давление нарастает более плавно (отрезок индикаторной диаграммы а от точки 2 до точки 3). В этом случае при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 3,0 кгс/см2 — двигатель работает мягко. Продолжающее поступать топливо вос­ пламеняется за счет имеющихся очагов, и к концу второго периода сгорает основная масса циклового заряда.

Если предпламенные реакции протекают медленно, пе­ риод задержки воспламенения т" увеличивается, очаги вос­ пламенения образуются со значительным опозданием. В цилиндр двигателя продолжает поступать топливо, его накапливается больше, но воспламенение запаздывает. В этом случае воспламеняется большее количество топ­ лива, более интенсивно нарастает давление (отрезок ин­ дикаторной диаграммы б между точками 2' и 3'). При пово­ роте коленчатого вала на 1° давление возрастает на 6,5 кгс/см2 — двигатель работает жестко, слышится характер­ ный стук (ударная нагрузка на днище поршня).

По внешним признакам жесткая работа напоминает детонацию в карбюраторном двигателе, но причины воз­ никновения жесткой работы и детонации противоположны.

При жесткой работе двигателя наблюдается повышенный износ деталей, особенно вкладышей подшипников, дефор­ мация колец, увеличивается прорыв газов в картер двига­ теля, возрастает расход топлива. В зависимости от конст­ руктивных особенностей двигателя жесткая работа бы­

128

вает при разной интенсивности нарастания давления. Обычно считают, что если при повороте коленчатого вала на 1° давление увеличивается на 2,5—5,0 кгс/см2, то ра­ бота мягкая, на 6,0—9,0 кгс/см2 — жесткая, а более чем на 10 кгс/см2 — очень жесткая, вызывающая быстрый выход из строя двигателя. О склонности топлива к воспла­ менению и возникновению жесткой работы судят по це­ тановому числу.

§ 5. Цетановое число

Цетановое число определяют на одноцилиндровой ус­ тановке ИТ9-3, позволяющей работать с переменной сте­ пенью сжатия (от 7 до 23), сравнением работы испытуе­ мого топлива с эталонными углеводородами. В строго стандартных условиях (ГОСТ 3122—67) проводят испытание дизельного топлива, а затем подбирают эталонную смесь, по воспламеняемости эквивалентную испытуемому топли­ ву. В качестве эталонов приняты: цетан или н-гексадекан (Ci6H34), парафиновый углеводород нормального строе­ ния, его формула СН3—СН2—СН2 СН2—СН3 или

CH3-(C H 2)i4-C H 3.

Цетан имеет очень небольшой период задержки вос­ пламенения и он обеспечивает мягкую работу двигателя; его цетановое число принято за 100 единиц. Вторым угле­ водородом принят а-метилнафталин (С10Н7СН3), углево­ дород ароматического ряда, его структурная формула

а-метилнафталин очень трудно окисляется и воспламе­ няется, имеет большой период задержки воспламенения. Условно его цетановое число принято за 0.

Численно цетановое число дизельного топлива равно процентному содержанию (по объему) цетана в смеси с а-метилнафталином, которая по характеру сгорания (са­ мовоспламенению) равноценна испытуемому топливу. Цетановое число определяют тремя методами: по крити­ ческой степени сжатия, по запаздыванию самовоспламе­

нения и по совпадению вспышек; у нас в Союзе распро­ странен метод совпадения вспышек.

При эксплуатации дизельных двигателей большое зна­ чение имееет установление оптимального угла опережения впрыска топлива. При большом угле топливо подается в недостаточно нагретый воздух, что увеличивает период за­ держки воспламенения и повышает жесткость работы. Топливо при этом может сгорать до подхода поршня в ВМТ, что ведет к снижению мощности, так как продукты сгорания топлива создают в двигателе противодавление. При запаздывании впрыска значительная часть топлива сгорает на линии расширения, что ведет к снижению Рг, падению мощности, неполному сгоранию топлива, сниже­ нию к.п.д. двигателя. Угол опережения впрыска топлива должен быть оптимальным, т. е. таким, чтобы вторая фаза горения (максимального нарастания давления) закап­ чивалась около ВМТ. Для каждого сорта дизельного топ­ лива подбирается свой (оптимальный) угол опережения впрыска.

В зависимости от группового состава дизельные топ­ лива даже одной марки могут по-разному сгорать в дви­ гателе. Цетановые числа некоторых углеводородов различ-. ного химического состава приведены в таблице 12.

Цетановое число оказывает большое влияние на пуско­ вые свойства топлива: если оно ниже 40 единиц, пустить холодный двигатель не только в зимнее, но даже и в лет­ нее время очень трудно. Нормальный пуск и плавная ра­ бота двигателя в летний период осуществляются на топ­ ливах с цетановыми числами 40—45, а в зимний — лучше

130