Задержка самовоспламенения. Впрыснутое в цилиндр топливо воспламеняется не сразу. Сначала частички его испаряются, перемешиваются с воздухом и смесь нагревается до температуры самовоспламенения. Затем должен произойти разрыв внутримолекулярных связей углеводородов с образованием углерода и водорода, вступающих в реакцию с кислородом воздуха. Однако этот процесс сложный, многостадийный. Под действием высокой температуры в смеси воздуха и паров топлива образуются свободные атомы или радикалы, реагирующие с молекулами углеводорода. В результате возникают новые свободные радикалы, способные вступить в реакцию и стать центрами реакций окисления.
Во время протекания этих процессов в смеси наблюдается неяркое голубоватое свечение, не сопровождающееся заметным повышением температуры и давления, в связи с чем такие процессы называются холодно-пламенными. С увеличением концентрации активных центров происходит тепловой взрыв, т. е. начинается горение, сопровождающееся ярким свечением, быстрым повышением температуры и давления.
Следовательно, после впрыска частичек топлива в цилиндр происходит задержка самовоспламенения, вызванная физическими и химическими подготовительными процессами. Время, прошедшее от момента попадания частичек в цилиндр до начала горения, называется периодом задержки самовоспламенения.
Период задержки самовоспламенения составляет 0,001 — 0,005 с. Если предположить, что двигатель работает с частотой вращения 750 об/мин, то его коленчатый вал поворачивается на 1° примерно за 0,0002 с. Значит, за период задержки самовоспламенения кривошип повернется на угол от 5 до 25° в зависимости от величины периода задержки самовоспламенения. Эта обстоятельство вынуждает начинать впрыск топлива в цилиндр с опережением, т. е. до того, как кривошип придет в в. м. т. Угол, на который кривошип не доходит до в. м. т. в момент начала впрыска топлива, называется углом опережения подач и топлива. Он является очень важным параметром регулирования двигателя. У судовых дизелей угол опережения подачи топлива составляет 15— 33°.
Протекание процесса сгорания. На рис. 13 изображена диаграмма процесса сгорания, по оси абсцисс которой отложен угол поворота коленчатого вала (п. к. в.), а по оси ординат — давление в цилиндре. В нижней части диаграммы дана зависимость подачи топлива от угла п. к. в. (площадь под этой кривой заштрихована).
Подача топлива в цилиндр начинается в точке, т. е. с опережением на угол. За период задержки самовоспламенения коленчатый вал поворачивается на угол ah в точке с начинается горение. Давление в цилиндре повышается, и кривая отрывается от линии сжатия. Протекание графика р = f (а) без подачи топлива показано на рис. 1 пунктиром. Как видно из рисунка, за период задержки самовоспламенения (угол аг) в цилиндр поступило какое-то количество топлива, составляющее обычно 15 — 50% от цикловои подачи, т. е. от дозы, впрыскиваемой за цикл. В течение периода задержки самовоспламенения оно успеет испариться и перемешаться с воздухом. С появлением пламени от самовоспламенения частиц топлива, поступивших в цилиндр первыми, повышаются температура и давление смеси. Это способствует значительному ускорению реакций молекул топлива, впрыснутого за период задержки самовоспламенения. В результате непосредственного контакта с пламенем и образования новых очагов самовоспламенения скопившееся в цилиндре топливо сгорает очень быстро. Температура, а следовательно и давление, резко возрастают.
Топливо, поступающее в цилиндр по окончании задержки самовоспламенения, попадает в среду, охваченную пламенем, и спокойно сгорает. Горение его заканчивается несколько позднее, чем впрыск. В это время поршень уже движется вниз, объем над ним увеличивается, и давление в цилиндре существенно не изменяется. Некоторое количество топлива догорает уже в процессе расширения рабочего газа (участок zz0).
Участок cz“ характерен интенсивным нарастанием давления от рс до pz. Если скорость нарастания будет больше, чем 400 — 600 кПа/град. п. к. в. (4 — 6 кгс/см2), то нагрузка на поршень будет ударной и в цилиндре возникнет стук. Такая работа двигателя называется жесткой. При жесткой работе повышается шумность, увеличивается износ подшипников, появляются деформации поршневых колец, от которых они могут поломаться.
Обеспечение мягкой работы двигателя. Как видно из предыдущего, жесткость работы дизеля зависит от скорости нарастания давления после самовоспламенения, а эта скорость— от количества топлива, поступившего в цилиндр за период задержки самовоспламенения. В конечном счете жесткость работы дизеля зависит от величины периода задержки самовоспламенения: чем он больше, тем жестче будет работа дизеля. Значит, для обеспечения мягкой работы дизеля следует стремиться к уменьшению периода задержки самовоспламенения.
Скорость протекания физических и химических процессов увеличивается с повышением температуры. Следовательно, уменьшению периода задержки самовоспламенения способствует повышение температуры сжатого в цилиндре воздуха. С влиянием пониженной темрературы хорошо знакома практика эксплуатации дизелей:“ холодный двигатель работает со стуками в цилиндре, которые после прогрева дизеля прекращаются.
Уменьшению периода задержки самовоспламенения способствует повышение давления сжатия, что объясняется как улучшением теплообмена между воздухом и топливом при увеличенной плотности воздуха, так и понижением температуры самовоспламенения с ростом давления. Значит, мягкая работа двигателя возможна при хорошей плотности поршня в цилиндре,, при предписанной руководством по эксплуатации дизеля степени сжатия и при поддержании его в горячем состоянии.
Период задержки самовоспламенения зависит от величины частиц топлива, образующихся при распыливании: чем меньше их размер, тем быстрее топливо нагревается. Следовательно, с ухудшением распыливания топлива увеличивается склонность двигателя к жесткой работе. Однако период задержки самовоспламенения зависит не от среднего размера частиц, а от минимального, некоторое же количество мелких частиц имеется в топливе и при низком качестве его распиливания. Поэтому жесткая работа двигателя возможна лишь при резком ухудшении распыливания, что наблюдается, например, при зависании иглы форсунки.
Рис. 1. Диаграмма процесса сгорания
Как было сказано, период задержки самовоспламенения колеблется в широких пределах (от 0,001 до 0,005 с) и обусловливается составом топлива. Следовательно, жесткость работы дизеля в значительной степени зависит от самовоспламеняемости топлива. Это качество топлива характеризуется цетановым числом. Его определяют сравнением самовоспламеняемости исследуемого топлива и смеси двух эталонных углеводородов: цетана С1вН34 и альфаметилнафталина С10Н7СН3. Первый из них имеет минимальный период задержки самовоспламенения, второй — значительный. Сравнение производят на специальном одноцилиндровом дизеле с переменной степенью сжатия. Сначала определяют степень сжатия, при которой исследуемое топливо самовоспламеняется при положении поршня строго в в. м. т. Затем подбирают эквивалентную смесь цетана и альфаметилнафталина, т. е. такую, которая при том же угле опережения подачи топлива и при той же степени сжатия самовоспламеняется при положении поршня в в. м. т. Цетановым числом топлива называется процентное содержание цетана в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая эквивалентна топливу по самовоспламеняемости. Если, например, в эквивалентной смеси цетана содержится 45%, а альфаметилнафталина 55%, то цетановым числом топлива будет 45.
Достаточно мягкая работа быстроходных дизелей обеспечивается при цетановом числе топлива не ниже 45. Тихоходные могут мягко работать при цетановом числе ниже 40. Для повышения цетанового числа в топливо могут вводиться присадки. Так, ГОСТ 4749 — 73 допускает присадку к дизельному топливу до 1% изопропилнитрата.
Повышение цетанового числа сверх 55 вызывает1 уменьшение полноты сгорания топлива. Кроме того, чрезмерное сокращение периода задержки самовоспламенения приводит к вялому протеканию процесса сгорания, что в конечном счете снижает КПД цикла.
Сорта топлива для дизелей. На речном флоте применяют топливо, вырабатываемое по четырем государственным стандартам.
Топливо, предназначенное для быстроходных дизелей и судовых газовых турбин, получаемое прямой перегонкой нефти, нормируется ГОСТ 4749—73. Этим стандартом установлено пять марок топлива:
ДЛ — дизельное летнее для применения при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше;
ДЗ — дизельное зимнее для применения при температуре воздуха —30 °С и выше;
ДА — дизельное арктическое для применения при температуре воздуха ниже —30 °С;
ДС — дизельное специальное;
ДС — высшей категории качества.
Механические примеси и вода во всех марках топлива не допускаются, но в топливе ДЛ при поставках с 1 апреля по 1 сентября могут быть следы воды. Содержание фактических смол и кислотность указаны для свежего топлива. После 5 лет хранения допускается увеличение в топливе смол на 10 мг, кислотности на 1 мг КОН.
По ГОСТ 305—73 выпускается топливо, предназначенное для автотракторных, тепловозных и судовых дизелей. Это топливо получают прямой перегонкой нефти, а также смешением продуктов ее перегонки с каталитическим газойлем.
Данный стандарт устанавливает четыре марки топлива:
Л — летнее, рекомендуемое при температуре воздуха 0 °С и выше;
3 — зимнее, рекомендуемое при температуре воздуха —20 °С и выше;
ЗС — зимнее северное, рекомендуемое при температуре воздуха —30 °С и выше;
А — арктическое, рекомендуемое при температуре воздуха —50 °С и выше.
По содержанию серы ГОСТ 305 — 73 делит топливо на две подгруппы:
1 — содержание серы не более 0,2% и 2 — содержание серы свыше 0,2 до 0,5%.
Обозначение марки включает в себя цифру, характеризующую содержание серы. Так, например, марка Л-0,2 означает топливо летнее с содержанием серы до 0,2%, а марка ЗС-0,5—зимнее северное с содержанием серы свыше 0,2 до 0,5%.
Содержание механических примесей в топливе по ГОСТ 305 — 73 не допускается. Следы воды могут быть лишь в топливе, поставляемом с 1 апреля по 1 сентября. Допускается увеличение содержания смол на 10 мг и кислотности на 1 мг КОН после хранения топлива более 5 лет.
Однако необоснованное использование топлива по ГОСТ 4749 — 73 экономически невыгодно: топливо ДЛ стоит дороже, чем Л-0,5. Еще более высокую стоимость имеют специальные и арктические сорта.
Топлива по ГОСТ 4749 — 73 и ГОСТ 305—73 относятся к числу дистил-лятных, т. е. получаемых прямой перегонкой нефти. Мало- и среднеоборотные дизели могут успешно работать на более тяжелых сортах топлива, относящихся к группе остаточных, получаемых из мазута прямой гонки, или к смесям остаточных и дистиллятных. В частности, на речном флоте широко используют остаточное топливо по ГОСТ 10433—63, предназначенное для локомотивных газотурбинных двигателей и называемое газотурбинным. Как видно из табл. 2, оно значительно более-вязкое, чем дизельное, но может применяться без подогрева. Для него стандарт нормирует плотность (не должна превышать 0,935 г/см3 при 20 °С), низшую теплоту сгорания (не ниже 39800 кДж/кг) и содержание ванадия (не более 0,0007%). Смолистость газотурбинного топлива в отличие от остальных марок дается в процентах и определяется другим способом. Сравнивать этот показатель с содержанием фактических смол в топливе нельзя, но тем не менее ясно, что газотурбинное может содержать их значительно больше, чем дизельное. На речном флоте применяют топливо с содержанием смол до 8— 10%, использование топлива с большим содержанием их затруднительно. Следует учесть, что высокое значение йодного числа свидетельствует о наличии в этом топливе непредельных углеводородов, т. е. о возможности увеличения смол при хранении. Механические примеси допускаются в газотурбинном топливе в количестве до 0,04%.
Стоимость газотурбинного топлива примерно в 2 раза ниже, чем топлива Л-0,5 по ГОСТ 305—73. Низкую стоимость имеет и моторное топливо по ГОСТ 1667—68, получаемое смешением остаточных и дистиллятных фракций и предназначенное для средне- и малооборотных дизелей. Оно выпускается двух марок: ДТ — для средне- и малооборотных дизелей; ДМ — для судовых малооборотных дизелей.
Моторное топливо, особенно ДМ, — высоковязкое, применять его приходится с подогревом. Стандарт оговаривает возможность поставки моторного топлива с повышенными температурами застывания: ДТ до 10 °С, ДМ до 20 °С. Содержание серы в топливе ДТ может доходить до 2%. Механических примесей в топливе может быть: в ДТ до 0,1 , в ДМ до 0,2 воды в ДТ до 1%, в ДМ до 1,5%. В топливе, транспортировавшемся на судах, содержание воды допускается до 2%.
Топливо ДТ, и в еще большей степени ДМ, имеет повышенные коксуемость (для топлива ДТ, вырабатываемого из сернистых нефтей, она допускается до 4%) и зольность. Это нельзя не учитывать при подборе смазочного масла, о чем сказано ниже.
ГОСТ 1667—68 нормирует плотность моторного топлива: не более 0,930 г/см3 для ДТ и не более 0,970 г/см3 для ДМ при 20 СС.
Моторное топливо ДТ уже применяют на речном флоте, но еще в недостаточном количестве. Задача всемерного снижения себестоимости перевозок настоятельно диктует необходимость широкого его внедрения.