Влияние физико-химических показателей топлив на работу двигателей

1. Плотность – на работу двигателей влияния не оказывает, однако она должна учитываться при операциях приёмки – сдачи топлива, поскольку количество принятого топлива измеряется в единицах объёма, а оплата за него осуществляется по массе. Плотность топлива играет большую роль при настройке топливных сепараторов. Чем ближе плотность топлива к плотности воды, тем более затруднительна сепарация. В подобных случаях следует вести сепарацию при подаче сепараторов, составляющей половину, а то и треть от номинальной подачи, указанной в паспорте сепаратора.

2. Вязкость играет большую роль в работе двигателя. Существует некоторый диапазон оптимальных вязкостей топлива, подаваемого форсункой, при которых полнота сгорания топлива наибольшая. Этот диапазон составляет 2…2,5°Е. В ряде случаев для достижения такой вязкости необходимо греть топливо до 150…160°С. Существование такого диапазона можно объяснить следующим.

Если топливо слишком вязкое, то в камере сгорания оно распыливается относительно крупными каплями. Капля испаряется и горит снаружи, внутри капли воздуха не хватает, и это является причиной неполноты сгорания, то есть снижения к.п.д. двигателя. Кроме того, крупные капли летят далеко, оседают и коксуются на стенках камеры сгорания и в канавках поршневых колец. Это приводит к потере кольцами подвижности, увеличению пропусков газов в полости под поршнем, повышает вероятность задира втулки цилиндра.

Если топливо маловязкое, оно распыливается облаком вблизи форсунки. Это облако горит снаружи, где произошло достаточно хорошее перемешивание топлива с воздухом, внутри же облака воздуха не хватает, и вновь имеет место неполнота сгорания и снижение к.п.д. Кроме того, топливо коксуется на распылителях форсунок, что может привести к прекращению подачи форсункой топлива.

3. Теплота сгорания. Чем выше теплота сгорания топлива, тем выше его энергетическая ценность и тем меньше его нужно для получения необходимой мощности. Удельный эффективный расход топлива b_е определяется по формуле

 

                   ,

где η_e – эффективный к.п.д. двигателя, на который теплота сгорания практически не влияет.

4 и 5. Температура вспышки и температура воспламенения характеризуют пожарную опасность топлива. На судах морского флота допускается использование топлив с температурой вспышки не ниже 61°С, за исключением топлив для аварийных дизельгенераторов, где допускается температура вспышки не ниже 43°С (по соображениям повышения надёжности запуска). В открытых цистернах топливо должно храниться при температуре по меньшей мере на 15° ниже температуры вспышки, но не выше 90°С во избежание местного перегрева и выброса топлива с парами воды.

6. Температура помутнения. Кристаллы парафина, выделяющиеся в топливе, забивают топливные трубопроводы и фильтры, что влечёт за собой прекращение подачи топлива и остановку двигателя.

7. Температура застывания. При этой температуре затрудняется перекачка топлива и, хотя она ещё возможна, возрастает нагрузка на электроприводы топливоперекачивающих насосов. Если топливо имеет температуру застывания выше -5°С, то ёмкости, в которых оно хранится, должны иметь систему подогрева, расположенную по всей площади дна цистерны, а не только подогревающие устройства в районе приёма топлива к насосам. Следует отметить, что топлива с высокими температурами застывания часто имеют хорошие характеристики сгорания, что объясняется хорошим качеством сгорания превалирующих в них парафинов.

8. Сера в топливе. Во-первых, наличие серы понижает теплоту сгорания. Во-вторых, образующиеся в результате сгорания серы сернистый и серный ангидриды, вступая в реакцию с водой (продукт сгорания водорода), образуют сернистую и серную кислоты в соответствии с реакциями

                    SO₂ + H₂O = H₂SO₃; SO₃ + H₂O = H₂SO₄,

которые оказывают коррозионное воздействие на детали цилиндро-поршневой группы и на элементы, расположенные по ходу газовыпуска (выпускные клапаны, коллекторы, утилизационные котлы, трубопроводы газовыпускной системы). Сера способствует также отложению нагара.

9. Вода в топливе вызывает коррозию элементов топливной аппаратуры. Недопустимо присутствие морской воды в топливе. Содержание воды в малых количествах (до 10%) повышает вязкость топлива, в больших – понижает. Снижается теплота сгорания.

Имеются сведения о положительном опыте применения на судах водотопливных эмульсий (ВТЭ), приготавливаемых на судне непосредственно перед подачей в двигатель с помощью специальной аппаратуры. При этом количество воды в топливе доходит до 10..15% (обычно 5…7%). Механизм действия ВТЭ приблизительно следующий. Распыленная ВТЭ представляет собой капли воды, покрытые оболочкой топлива. При попадании в камеру сгорания вода внутри капли топлива закипает раньше, чем испаряется топливо, и разрывает топливную оболочку, способствуя лучшему перемешиванию топлива с воздухом. Это повышает экономичность двигателя. Как показали исследования, при использовании ВТЭ снижаются также теплонапряжённость дизеля, нагарообразование на деталях ЦПГ ("моющий" эффект), дымность и токсичность отработавших газов. Вода, содержащаяся в ВТЭ, не вызывает коррозии топливной аппаратуры вследствие того, что капли воды окружены слоем топлива.

10. Механические примеси органического происхождения могут вызвать зависание плунжеров и форсуночных игл в направляющих. Кроме этого, карбены и карбоиды, попадая в цилиндры двигателя, способствуют образованию нагаров на стенках камеры сгорания, на поршне и в выпускном тракте. В силу своей незначительной твёрдости они мало влияют на изнашивание топливной аппаратуры.

Механические примеси неорганического происхождения являются абразивными частицами и могут вызвать не только зависание подвижных частей прецизионных пар, но и абразивное разрушение притёртых посадочных поверхностей клапанов, форсуночной иглы и распылителя, износ сопловых отверстий и соответствующее ухудшение характеристик впрыска.

11. Кокс. При использовании топлива с высоким содержанием кокса резко возрастает нагарообразование. Отложения кокса в канавках поршневых колец вызывают уменьшение подвижности последних вплоть до полного залегания, что грозит задиром цилиндровой втулки. Отложения кокса на выпускных трактах ДВС и лопатках газовых турбин вызывают ухудшение процессов продувки цилиндров и снижают к.п.д. газовых турбин.

12. Зола. Содержит в своём составе твёрдые частицы, которые вызывают повышенный абразивный износ трущихся деталей.

13. Алюминий и кремний. Соединения окислов алюминия и кремния (алюмосиликаты) являются весьма твёрдыми веществами, вызывающими сильнейший абразивный износ. Достаточно сказать, что абразивные круги, применяемые для заточки режущего инструмента и шлифовальных операций, содержат в своём составе алюмосиликаты.

14. Натрий и ванадий. При одновременном содержании натрия и ванадия в топливе они входят в реакцию с образованием ванадатов натрия, температура плавления которых около 625°С. Эти получившиеся вещества вызывают размягчение слоя окисла, который защищает металлическую поверхность деталей, и тем самым приводят к повышенному износу, особенно выпускных клапанов, лопаток газовых турбин, трубок пароперегревателей в паровых котлах. Содержание натрия должно быть не более 1/3 содержания ванадия.

Даже при малых содержаниях натрия образуется пятиокись ванадия, действующая подобно ванадатам, но имеющая более высокую температуру плавления (около 675°С). Для того, чтобы избежать проблем высокотемпературной коррозии, важно удалить из топлива водорастворимые соли натрия, что достигается промывкой топлива водой с последующей сепарацией.

Ванадиевые соединения полностью растворимы в топливе и трудно удаляемы. Их действие может быть ослаблено включением в топливо присадок, которые вступают в реакции с ванадием в процессе сгорания, образуя соединения, температура плавления которых выше, чем у пятиокиси ванадия и ванадатов. Чаще всего для этих целей используется магний. Он добавляется в топливо в виде органического или неорганического раствора сульфата магния. В этом случае образуется ванадат магния, температура плавления которого выше 1000°С. Недостаток использования магниевых присадок в том, что при этом усиливается тенденция к образованию зольных отложений на лопатках турбин. Содержание ванадия в газотурбинных топливах по стандартам СНГ ограничивается величиной 4 ррм, тогда как многие топлива, поставляемые с американского континента, содержат ванадий в количестве 300…500 ррм (1ррм =10^-6).

15. Цетановое число (ЦЧ). Чем выше ЦЧ, тем меньше время задержки самовоспламенения топлива в цилиндре двигателя. Это означает, что к моменту самовоспламенения меньшая часть топлива из цикловой подачи окажется в цилиндре. При этом скорость нарастания давления в цилиндре будет ниже, и двигатель будет работать менее "жёстко". При малых ЦЧ жёсткость работы двигателя возрастает, приводя к повышенным нагрузкам на подшипники

деталей движения и ускоряя их износ.

Для нормальной работы малооборотного ДВС ЦЧ может быть 30…40, для среднеоборотного – 35…50, для высокооборотного – 45…60.

ЗАДАЧА О СМЕШИВАНИИ ТОПЛИВ

На практике приходится сталкиваться со смешиванием тяжёлого и лёгкого топлив с целью получения смеси нужной вязкости. Разумеется, если система подогрева топлива позволяет получить необходимую вязкость, следует использовать именно этот способ во избежание возможной несовместимости. Однако не всегда такой способ имеется в распоряжении механика. Тогда приходится прибегать к смешиванию.

Задача о смешивании формулируется следующим образом.

- имеется тяжёлое топливо с вязкостью ν_т при температуре Т_т;

- имеется лёгкое топливо с вязкостью ν_л при температуре Т_л;

- известна температура, при которой будет происходить смешивание Т_см;

- задана рабочая вязкость смеси ν_р при рабочей температуре Т_р.

    

Определить процентное содержание тяжёлой %Т и лёгкой %Л составляющих.

Задача решается в 2 этапа. 1 этап – использование диаграммы температурно-вязкостной зависимости (рис.2).

1. По заданным ν_т и Т_т находим точку тяжёлого топлива и проводим линию этого топлива Т – Т как параллельную имеющейся на диаграмме линии какого-нибудь другого топлива, например, Д – Д.

2. Выполняем аналогичное построение для лёгкого топлива (линия Л – Л).

3. Выполняем аналогичное построение для смеси (линия С – С).

4. Проводим линию температуры смешивания как перпендикуляр к оси температур в точке Т_см.

5. На пересечениях этой линии с тремя построенными ранее считываем значения вязкостей, ν´_т,ν´_л, ν´_р.

 

        

 

Рис.2. Первый этап решения задачи смешивания.

 

Второй этап (рис.3). Строится диаграмма, ось абсцисс которой разбивается на равные части, а оси ординат по обе стороны от оси абсцисс представляют собой оси вязкости. Пусть левая из них соответствует лёгкому топливу, а правая – тяжёлому.

 

 

 Рис.3. Второй этап. Определение процентного содержания компонентов в смеси.

 На осях ординат откладываем соответственно ν´_л и ν´_т, эти точки соединяем прямой. На одной из осей откладываем ν´_р  и через полученную точку проводим горизонталь до пересечения с полученной прямой. Из полученной теперь точки опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и считываем процентное содержание тяжёлого и лёгкого компонентов.

Возможна другая формулировка задачи: смешиваемые компоненты поступают на смешивание каждый при своей определённой температуре, например, лёгкое топливо поступает при температуре Т_смл, а тяжёлое – при температуре Т_смт. В этом случае по первой диаграмме определяют вязкости будущей смеси ν_смл и ν_смт при температурах Т_смл и Т_смт, затем на второй диаграмме вертикальные шкалы наносят так, чтобы ν_смл на левой шкале и ν_смт на правой оказались на одной горизонтали. После этого полученной диаграммой пользуются, как в первом варианте.

Задача о смешивании топлив может быть решена и с помощью номограммы Виноградова (рис.4).

 

На шкале вязкости отмечаются вязкости лёгкого и тяжёлого компонентов при одинаковых температурах. Правая шкала строится с указанием процентного содержания тяжёлого компонента. Для бóльшей точности желательно так выполнять построения, чтобы крайние точки шкал образовывали квадрат. Проводятся прямые через точки ν_л и 0, а также через ν_т и 100 и получают точку М. Теперь линия, проведенная из точки с определённым содержанием тяжёлого компонента %Т через точку М, пересечет шкалу вязкости в точке, соответствующей вязкости смеси при этой температуре.