Чем оценивается воспламеняемость дизельного топлива
Чем оценивается воспламеняемость дизельного топлива
Воспламеняемость дизельных топлив является их важнейшим свойством, которое в значительной степени определяет легкость пуска и характер работы дизельного двигателя. О воспламеняемости дизельных топлив судят по длительности первой стадии горения — периоде задержки самовоспламенения ( ПЗВ ), представляющей собой время от начала впрыска топлива до появления первых очагов пламени.
Если значение ПЗВ большое, то в этом случае в камере сгорания скапливается большое количество топлива, которое успевает хорошо прогреться, испариться и перемешаться с воздухом. Сгорание такой смеси проходит очень интенсивно, в результате чего резко увеличивается скорость нарастания давления в цилиндре. Двигатель работает с ударными нагрузками, что ведет к его ускоренным износам, а зачастую — и к поломкам. Кроме того, весь процесс сгорания в этом случае протекает неоптимально, из-за чего экономичность двигателя ухудшается.
При уменьшении ПЗВ давление в цилиндрах нарастает более плавно и двигатель работает мягко. Однако чрезмерное уменьшение ПЗВ ведет к ухудшению смесеобразования, снижению полноты сгорания топлива, падению мощности и ухудшению топливной экономичности дизеля. Это связано с тем, что при коротких ПЗВ горения начинается быстрее, и впрыск основной части топлива осуществляется не в горячий воздух, а в продукты сгорания. Поэтому топливо плохо перемешивается с воздухом, и сгорание его части происходит в среде с недостатком кислорода, из-за чего топливо сгорает неполностью.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Количественное определение цетанового числа основано на методе совпадения вспышек в цилиндре испытуемого топлива с эталонными топливами, воспламеняемость которых известна. Для регистрации вспышек используется специальный индикатор воспламенения, устанавливаемый в головке двигателя установки. В момент воспламенения под действием высокого давления в индикаторе замыкается электрический контакт и зажигается неоновая лампа, посредством которой и осуществляется регистрация вспышки. В качестве эталонных топлив используется цетан (Ci6H34) и а-метилнафталин (СцНю). Воспламеняемость цетана принята за 100 единиц, а а-ме-тилнафталина — за 0. Цетановым числом испытуемого топлива называется процентное (по объему) содержание цетана в смеси эталонных топлив, при которой обеспечивается при равной степени сжатия одинаковое значение ПЗВ (рис. 1).
Как указывалось выше, воспламеняемость топлива оказывает существенное влияние на скорость изменения давления в цилиндрах, т. е. жесткость работы двигателя.
Влияние цетанового числа топлива на жесткость работы и топливную экономичность двигателя показано на рис. 2. При использовании топлив с цетановым числом менее 40 ед. работа двигателя становится жесткой, с увеличением цетанового числа более 45…50 ед. его топливная экономичность ухудшается. С уменьшением цетанового числа топлива продолжительность пуска холодного дизеля возрастает. Исходя из общих закономерностей влияния воспламеняемости топлива на работу дизеля, оптимальное значение цетанового числа топлива соответствует диапазону 40…50 ед.
Воспламеняемость дизельного топлива зависит от его компонентного состава. Наиболее высокие цетановые числа имеют парафиновые и олефиновые углеводороды, которые образуют при окислении в камере сгорания легковоспламеняющиеся продукты. Самые низкие цетановые числа имеют ароматические углеводороды.
Нафтеновые соединения по величине цетанового числа занимают промежуточное положение между олефи-новыми и ароматическими. С увеличением числа углеродных атомов в молекуле углеводородного соединения его цетановое число также возрастает. Чем тяжелее дизельное топливо (т. е. чем больше содержание в нем высококипящих фракций), тем выше его цетановое число.
Имеются более точные формулы, дополнительно учитывающие влияния фракционного состава топлива.
Замечено, что тем выше детонационная стойкость (октановое число) продукта, тем ниже его воспламеняемость (цетановое число). Например, цетановое число современных высокооктановых бензинов составляет всего 10…20 ед., в связи с чем добавление бензинов к дизельным топливам всегда ухудшает их воспламеняемость.
Наряду с подбором компонентного состава для повышения цетановых чисел топлив, особенно с плохой воспламеняемостью (бензины, спирты), используются специальные присадки.
Для улучшения воспламеняемости топлива в дизеле и обеспечения его пуска в холодное время используются различные вспомогательные устройства (стартеры, пусковые бензиновые двигатели и др.) и пусковые жидкости.
Свойства дизельного топлива и их влияние на область использования
Основными и важнейшими свойствами дизельного топлива являются следующие параметры и характеристики: испаряемость, цетановое число, температурные показатели, вязкость, содержание серы и температура. Рассмотрим, как перечисленные показатели влияют на использование дизельного топлива.
Воспламеняемость (цетановое число)
Этот показатель определяет, насколько легко запускается двигатель. От него зависит и то, какое время после запуска дизельного двигателя будет «белое дымление» и жесткость работы двигателя на холостом ходу, которое еще называют «дизельный стук». Воспламеняемость дизтоплива влияет на наличие вредных компонентов в отработанных газах, таких как СО и СН. Чем меньше период воспламеняемости, тем быстрее происходит сгорание топлива. Это ускоряет работу двигателя и увеличивает его мощность.
Различные модели дизельных двигателей имеют свои требования к цетановому числу. Так, например, быстроходные двигатели требуют дизельное топливо с более высоким цетановым числом, а двигатели менее оборотистые благополучно используют топливо с небольшим цетановым числом. Для примера можно привести работу крупного судового двигателя, который работает на топливе с ЦЧ около 15 и высокооборотных двигателей легковым машин, цетановое число дизельного топлива которых не менее 50. Для грузовых машин нормальным цетановым числом дизельного топлива является значение от 40 до 45.
Если цетановое число высокое, скорость нарастания давления будет ниже, а значит двигатель будет работать не так жестко. С увеличением цетанового числа выше нормы ухудшается экономичность двигателя и увеличивается дымность выхлопных газов. Для отечественных дизельных двигателей цетановое число равно 40-50. Для топлива в зимних условиях цетановое число должно быть не менее 45.
Вязкость и плотность
Такие показатели, как вязкость и плотность определяют уровень испарения и смесеобразования дизельного топлива. Более плотное и вязкое топливо хуже воспламеняется и сгорает, что приводит к большему расходу дизельного топлива и дымности выхлопных газов. Маловязкое топливо в процессе эксплуатации увеличивает износ деталей топливного насоса. Для уменьшения износа часто в дизельное топливо добавляют противоизносные присадки, что частично компенсирует этот недостаток маловязкого дизельного топлива.
Испаряемость
Сам процесс сгорания дизельного топлива зависит от его химического состава и характеризуется испаряемостью. Что бы спалить определенное количество топлива легкого фракционного состава, необходимо меньше воздуха, чем для дизельного топлива более плотного фракционного состава. Фракционный состав дизельного топлива влияет на работу двигателей с разным смесеобразованием по-разному. Предкамерные и вихревые образующие двигатели имеют небольшую чувствительность к составу топливо, в то время как двигатели с непосредственным впрыском более чувствительны. Нагретые стенки предкамеры двигателя способствуют благоприятному смесеобразованию. Слишком сильное облегчение фракционного состава способно привести к увеличению более жесткой работе двигателя.
Низкотемпературные свойства
Это свойство определяет температуру, при которой дизельное топливо начинает мутнеть, застывать и превращаться в кристаллы. От него зависит область применения и условия эксплуатации дизельного топливо, в частности, климатические показатели региона. Так же, температурные свойства дизельного топлива определяют условия, при которых можно хранить дизтопливо на складе. На нефтеперерабатывающих заводах, применяя специальные технологии, производят специальное низкотемпературное топливо.
Степень чистоты дизтоплива
Чем более чистое дизельное топливо, тем качественнее и эффективнее работает двигатель. Эта характеристика дизельного топлива является очень важной. Для определения характеристики чистоты топлива используют коэффициент фильтруемости. Фильтруемость определяют соотношением времени, за которое топливо проходит через фильтр при определенном атмосферном давлении. В основном, фильтруемость дизтоплива зависит от содержания воды, механических примесей, смол и нафтеновых кислот в дизельном топливе. Согласно ГОСТ 6370-83, если в дизельном топливе количество механических примесей не превышает 0,002-0,004%, считается, что примесей в топливе нет.
Содержание серы
От содержания серы в дизельном топливе зависит содержание вредных веществ в выхлопных газах, что и определяет экологичность топлива. При содержании серы до 0,035% топливо считается экологически чистым. Уменьшение количества серы в топливе приводит к повышению износа двигателя, поэтому, в некоторых случаях в дизтопливо добавляют присадки, которые способны уменьшить износ деталей и механизмов двигателя.
Температура вспышки
Этот показатель определяет пожарную опасность топлива. В двигателях, которые эксплуатируются в закрытых помещениях, а так же в пожароопасных местах, применяется топливо с повышенной температурой вспышки. По ГОСТ 305-82 дизельное топливо является общего назначения и применения, и имеет температуру вспышки не менее 40°С. Для топлива, применяемого в судовых и тепловозных двигателях, горных машин температура вспышки не менее 60°С. Такое топливо имеет ограничение по использованию.
Оценка воспламеняемости топлива
Воспламеняемость топлива определяет пусковые и маневренные качества двигателя. Низкая воспламеняемость может вызывать трудности при пуске двигателя и работе на переменных нагрузках. Показателями воспламеняемости дистиллятных топлив являются цетановое число, цетановый и дизельный индексы. Первый показатель определяется при помощи лабораторной установки, два последующих рассчитываются при помощи эмпирических зависимостей.
Остаточные топлива являются смесями различных компонентов. Их воспламеняемость зависит от фракционного и химического составов. Особую роль играет присутствие в топливе ароматических углеводородов. В процессе испытаний было выяснено, что содержание ароматических углеводородов в топливе хорошо согласуется с функцией, зависящей от его плотности и вязкости. Эта функция получила название «Расчетный индекс углеродной ароматичности», РИУА (в англоязычной терминологии Calculated Carbon Aromatically Index, CCAI). Значение этого индекса определяется по формуле
Величина CCAI может быть определена при помощи номограммы, представленной на рис. 1.4
Величина CCAI, меньшая 850,свидетельствует о надежной самовоспламеняемости топлива, 850-875 – удовлетворительная, а более 875 – характеризует затруднение самовоспламенение. По величине CCAI можно судить о воспламеняемости топлива, что в свою очередь связано с кажущимся цетановым числом. Значение CCAI, равное 875, представляет кажущееся цетановое число в диапазоне 18-20, а значение CCAI, равное 850, соответствует кажущемуся цетановому числу в диапазоне 29-31. Чем меньше CCAI,тем больше величина кажущегося цетанового числа.
Свойства и показатели дизельного топлива, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания
2. Свойства и показатели дизельного топлива, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания
2.1 Воспламеняемость дизельного топлива
Воспламеняемость ДТ – это его способность самовоспламеняться внутри цилиндров двигателя, после его впрыска под большим давлением в сжатый и нагретый воздух.
Воспламеняемость ДТ зависит от температуры в очаге воспламенения. При этом мельчайшие капли топлива смешиваются с кислородом, испаряются и начинается процесс сгорания, т.е. самовоспламенение начинается без какого-либо источника зажигания.
Температура самовоспламенения зависит от химического состава ДТ, т.е. от содержания и строения углеводородов, входящих в его состав.
Время между началом впрыска и самовоспламенением называют периодом задержки самовоспламенения.
Весь этот период состоит из:
1) Из физической составляющей, т.е. из затраченного времени:
· на распад топливной струи;
· на образование мельчайших капель;
· на их нагрев и испарение;
· на смешивание их паров с кислородом воздуха.
2) Из химической составляющей, т.е. из затраченного времени:
· на завершение предпламенных реакций;
· на формирование очагов самовоспламенения.
Физическая составляющая задержки самовоспламенения зависит от конструктивных особенностей двигателя.
Химическая составляющая зависит от свойств применяемого дизельного топлива.
Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что период задержки самовоспламенения у разных топлив неодинаковый. Некоторые ДТ воспламеняются сразу после впрыска, а другие спустя некоторое время.
В первом случае, когда период задержки самовоспламенения небольшой, то в цилиндр двигателя поступает относительно небольшое количество топлива и сгорание происходит с постоянной скоростью и равномерным давлением образовавшихся газов над поршнем.
Парафиновые углеводороды (алканы) входящие в состав молекул ДТ будут менее устойчивы и поэтому они быстро распадаются и окисляются с образованием продуктов неполного окисления. Двигатель при сгорании такого топлива работает мягко и устойчиво, т.к. давление нарастает плавно.
Но если этот период будет сокращаться, то это приводит к ухудшению процесса смесеобразования, и как следствие, к снижению мощности и экономичности двигателя.
Во втором случае, когда период задержки воспламенения больше первого, то в цилиндр успевает поступить большое количество топлива. И оно из-за создавшегося большого давления и температуры в цилиндре, воспламеняется с момента впрыска, т.е. в таком топливе обычно содержатся парафиновые углеводороды изомерного строения, а также ароматические углеводороды. Сгорание носит взрывной характер. Давление повышается мгновенно, скачкообразно, рывками. Это явление напоминает детонацию в бензиновых двигателях.
Такая работа дизельного двигателя называется жесткой, при которой поршень подвергается повышенному ударному воздействию. Механизмы двигателя изнашиваются, снижается его мощность и экономичность, падает КПД.
Исходя из вышесказанного можно утверждать, что период задержки самовоспламенения определяется характером предпламенных процессов окисления (окисей, альдегидов, кетонов). То есть, чем больше в топливовоздушной смеси накопиться продуктов окисления, тем меньше будет период задержки самовоспламенения.
Следовательно, для воспламенения дизельного топлива от сжатия без постороннего источника зажигания необходимо, чтобы температура от которой ДТ самовоспламеняется была бы ниже температуры, до которой нагревается сжатый в цилиндрах воздух (
Наиболее высокую температуру самовоспламенения имеют арены (
600˚С), а наиболее низкую – алканы (до 500˚С).
Поэтому для нормальной работы дизельного двигателя необходимо применять топлива с оптимальной длительностью периода задержки самовоспламенения.
2.2 Цетановое число дизельного топлива
Склонность дизельного топлива к самовоспламенению характеризуется величиной цетанового числа. В топливе присутствуют два углеводорода: цетан C16H34, α-метилнафталин C16H7CH. Самовоспламеняемость первого углеводорода – цетана – условно принята за 100 ед., а второго – за 0 ед. Смешивая их, можно получить смесь с самовоспламеняемостью от 0 до 100 ед.
Таким образом, цетановое число – это условный показатель самовоспламеняемости дизельного топлива, равный процентному содержанию цетана в смеси с α-метилнафталином, которая имеет период задержки самовоспламенения, как и испытуемый образец.
Оптимальное цетановое число ДТ находится в интервале 40…50. Если применять топливо с цетановым числом менее 40, то двигатель будет работать жестко.
Если применять топливо с цетановым числом более 50, то это приведет к увеличению удельного расхода топлива и оно будет сгорать не полностью.
Для работы дизельных двигателей в нормальном режиме требуется топливо, у которого цетановые числа будут: летом – не менее 45 (если будет ниже, то будет жесткая работа двигателя); зимой – 50.
Если летом использовать топливо с цетановым числом выше 45, то двигатель будет работать мягко.
Если использовать ДТ с цетановым числом выше 60, то такое топливо будет нерентабельным, т.к. жесткость работы двигателя будет изменяться незначительно, но удельный расход топлива возрастет. Это объясняется тем, что при повышении цетанового числа выше 55, период задержки самовоспламенения будет настолько коротким, что топливо воспламениться вблизи впрыска из форсунки. Оно не успеет перемешаться с воздухом, и часть воздуха, находящегося дальше от места впрыска не будет участвовать в процессе сгорания. В результате топливо сгорит не полностью и экономичность двигателя понизится.
Для того, чтобы ДТ всегда обеспечивало бы необходимую самовоспламеняемость, поэтому возникает необходимость в повышении цетанового числа.
Для этого существуют два метода:
1) изменение химического состава топлива, т.е. одновременное увеличение концентрации нормальных парафинов (алканов) СnН2n+2 и уменьшение ароматических углеводородов (аренов) CnH2n-6;
2) введение специальных кислородсодержащих присадок в дизельное топливо (органических перекисей, сложных эфиров азотной кислоты – этилнитрата, изопропилнитрата, цеклогексилнитрата).
Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав дизельного топлива.
Цетановые числа самые высокие у парафиновых углеводородов (алканов), а самые низкие имеют ароматические углеводороды.
Все углеводороды, входящие в состав ДТ по высоте цетанового числа располагаются следующим образом:
· 1 место занимают – алканы;
· 2 место занимают – циклоалканы;
· 3 место занимают – изоалканы;
· 4 место занимают – арены.
То есть, чем выше место углеводорода, тем будет выше цетановое число топлива.
Таким образом, повышение содержания Н-алканов приводит к увеличению цетанового числа. Однако, Н-алканы имеют высокую температуру кристаллизации, что приводит к ухудшению низкотемпературных свойств дизельного топлива.
Поэтому надежность пуска холодного дизельного двигателя зависит в большей степени от конструкции двигателя и режима пуска, чем от цетанового числа дизельного топлива.
Для ускорения процесса самовоспламенения дизельного топлива в него вводят кислородсодержащие присадки, такие как: органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты, которые способствуют выделению активного кислороды. Они, попадая в камеру сгорания, за счет активного кислорода, ускоряют образование перекисей, от разложения которых ускоряется процесс самовоспламенения.
Например, если в зимнее ДТ добавлять 1% изопропилнитрата, то возрастает цетановое число на 10…20 ед., что улучшает пусковые свойства этого топлива в зимнее время. При этом уменьшается нагарообразование в цилиндрах.
Если добавлять в дизельное топливо бензиновые фракции, то цетановое число снижается.
Существует эмпирическая зависимость цетанового числа ДТ от его октанового числа бензина:
Чем выше октановое число, тем ниже его цетановое число и наоборот.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Показателем воспламеняемости дизельных топлив является цетановое число, характеризующее склонность дизельного горючего к термическому распаду, окислению и самовоспламенению. Чем оно больше, тем легче самовоспламеняется горючее. [6]
Определение воспламеняемости дизельных топлив ( цетановых чисел) производится по моторному методу. [9]
Роль воспламеняемости дизельных топлив как фактора, определяющего характер работы двигателя, меняется в зависимости от типа двигателя [ 216, стр. В тихоходных двигателях различия в воспламеняемости топлива мало влияют на работу двигателя вследствие относительно большой длительности всех стадий в цикле. [10]
Оценка воспламеняемости дизельного топлива проводится, как и для бензинов, сравнением работы одноцилиндрового двигателя на эталонном топливе и на испытуемом топливе. В качестве эталонного топлива применяют смесь углеводородов цетана и а-ме-тилнафталина. [13]
Оценка воспламеняемости дизельного топлива проводится, как и для бензинов, сравнением работы одноцилиндрового двигателя на эталонном топливе и на испытуемом топливе. В качестве эталонного топлива применяют смесь углеводородов цетана и а-метилнафтали-на. [14]
Оценку воспламеняемости дизельных топлив производят сравнением с эталонными топливами или по химическому составу. Наиболее употребителен метод оценки с помощью цета-новых чисел. Цетановым числом называют процентное ( по объему) содержание цетана ( гексадекана) CieH34 в смеси с а-метилнафталином, эквивалентной по самовоспламеняемости испытуемому топливу при сравнении в стандартных условиях. [15]