Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации
Дипломная
работа
Улучшение
пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации
Минск
2012
Содержание
Введение
1.
Проблемы эксплуатации АТД в условиях
низких температур
.1
Влияние низких температур окружающей среды на пуск АТД
.2
Процессы впрыскивания, смесеобразования и горения при низких температурах
.
Параметры топлива, влияющие на
эксплуатационные качества АТД в условиях низких температур
.1
Ассортимент и состав дизельных топлив
.2
Низкотемпературные свойства дизельных топлив
.3
Процесс кристаллизации н-парафинов и методы улучшения низкотемпературных
свойств дизельного топлива
.
Работа топливной системы при
низких температурах. способы обеспечения работоспособности
.1
Особенности работы топливной аппаратуры дизеля при низких температурах
.2
Обзор устройств для разрушения кристаллов н-парафинов в дизельном топливе
.3
Современные способы облегчения пуска двигателей в зимнее время
.
Методы расчета элементов топливной аппаратуры при низких температурах
.1.
Определение пределов работоспособности топливной системы при низких
температурах
.2
Методика расчета теплоемкости дизельного топлива при температурах ниже
температуры помутнения
.3
Методы расчета нагревательных элементов установленных в топливной системе
дизеля
.3.1
Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
.3.2
Уравнение движения жидкости в трубопроводе
.3.3
Уравнение неразрывности потока жидкости
.3.4
Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена в цилиндрических
координатах
.3.5
Режим течения дизельного топлива в трубопроводе
.3.6
Граничные условия и краевая задача конвективного теплообмена
.3.7
Расчет геометрических размеров подогревателя дизельного топлива
.3.8
Математическая модель расчета расхода тепловой энергии на плавление кристаллов
углеводородов дизельного топлива
.3.9
Расчет тепла на плавление кристаллов
4.3.10
Расчет удельной мощности подогревателя для подогрева топлива в заданном
интервале температур
5.
Эксплуатационные испытания
электронагревательного устройства
5.1
Показатели качества пусковых
процессов дизеля
.2
Влияние подогрева топлива на пусковые качества дизелей работающих на летнем
топливе
.3
Результаты использования предлагаемых устройств для обеспечения надежной и
безотказной работы автотракторной техники в условиях реальной эксплуатации
хозяйствами АПК
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Введение
автотракторный дизель эксплуатация
Эксплуатация автотракторной техники, оснащенной
дизельными двигателями, в зимний период сопряжена с большим расходом топлива и
тепловой энергии. Это обусловлено тем, что при отрицательных температурах
окружающей среды в дизельном топливе образуются кристаллы углеводородов
парафинового ряда, которые накапливаются в узких местах штуцеров и
топливопроводов, забивая фильтры грубой и тонкой очистки. При этом увеличивается
их сопротивление, что приводит, как правило, к разрыву бумажного элемента и
работе дизеля на неочищенном топливе. В результате происходит быстрый выход из
строя топливного насоса и форсунок, во многом определяющих работоспособность
дизеля. Кроме того, при отрицательных температурах затрудняется пуск холодного
дизеля.
Для разрушения кристаллических структур
углеводородов перед пуском двигателя в зимних условиях используют подогрев
топлива. Расчеты показывают, что при температуре атмосферного воздуха -20 0С,
на подготовку к пуску дизельного двигателя средней мощности расходуется около
1100 МДж тепловой энергии. Такое количество тепла выделяется при полном
сгорании 2,5 кг дизельного топлива. При высоких ценах на горюче-смазочные
материалы разработка вопросов экономии топливных и энергетических ресурсов
имеет первостепенное значение для всех субъектов хозяйствования.
Температура окружающего воздуха оказывает
существенное влияние на протекание физических процессов, связанных с
кристаллизацией парафинистых углеводородов, конденсацией и растворением воды в
топливе, мощностные, энергетические и экологические характеристики двигателя,
надежность и долговечность работы топливной аппаратуры и двигателя в целом.
Поэтому, исследования в области обоснования
критериев и разработке простых, дешевых и долговечных приборов для пуска и
прогрева дизельных двигателей в зимний период эксплуатации имеют важное
практическое значение для различных отраслей промышленного и
сельскохозяйственного производства Республики Беларусь.
1. Проблемы
эксплуатации АТД в условиях низких температур
Наличие обширного парка дизельных силовых
установок, работающих длительное время в зимний период эксплуатации в условиях
низких температур, большая удаленность этих зон эксплуатации от источников снабжении,
сложность поставки запасных частей и агрегатов требует значительного повышения
надежности эксплуатируемой техники.
Опыт эксплуатации машин показывает, что их
надежность существенно зависит от климата. Это становится особенно заметным в
том случае, если машины в целом или отдельные их элементы работают в климате,
на который они не рассчитаны. Исследованиями [1] установлено, что количество
отказов, интенсивность изнашивания деталей в условиях зимней эксплуатации
техники в три - пять раз выше, чем при положительной температуре окружающей
среды. Влияние отрицательных температур на интенсивность изнашивания деталей
дизельного двигателя отмечено в работах [2, 3, 4 и др.]. Исследованиями [5]
установлено, что снижение температуры окружающего воздуха от 20 0С
до -35 0С приводит к повышению износа двигателя Д-37 М в среднем на
50...60%. Износ гильз цилиндров дизеля А-41 под нагрузкой при уменьшении
температуры от 0 0С до -20 0С возрастает в 1,5...2,0
раза, а поршневых колец в 2...2,7 раза [6]. Сложность поддержания оптимального
теплового состояния двигателя в зимний период эксплуатации, понижение
температуры жидкости в системе охлаждения ведет к снижению температуры
подаваемого в цилиндры топливно-воздушного заряда и задержке его
самовоспламенения. Уменьшение температуры охлаждающей жидкости в двигателе с 85
0С до 45 0С приводит к снижению эффективной мощности
дизеля на 5¸6% [7], износ зеркала цилиндра
возрастает в 4 раза (по сравнению с износом при нормальном тепловом состоянии).
Из-за сложности поддержания оптимального
теплового состояния двигателя снижается температура жидкости в системе
охлаждения, что ведет к снижению температуры подаваемого в цилиндры
топливовоздушного заряда и задержке его самовоспламенения. Падение температуры
охлаждающей жидкости в двигателе с 85 до 45 °С приводит к снижению эффективной
мощности дизеля на 5...6%. Расход топлива повышается на 6...7 %. Низкая
температура охлаждающей жидкости ускоряет образование смолистых и окисляющих
веществ. В результате резко увеличивается отложение нагара, быстрее
изнашиваются поршни, поршневые кольца и стенки цилиндров. Износ зеркала
цилиндров возрастает также за счет смывания слоя смазки конденсирующимся
топливом и водой. По сравнению с износом при нормальном тепловом режиме при
понижении температуры охлаждающей жидкости до 55°С износ увеличивается в 4
раза, до 40 °С - в 12 раз, до 30 °С - в 20 раз [7].
Зимой с понижением температуры окружающего
воздуха от 20 0С до минус 37 0С вызывает уменьшению
температуры воздуха во впускном коллекторе с 21 0С до минус 31 0С.
Впрыскивание топлива, имеющего пониженную температуру, в холодную воздушную
среду вызывает увеличение периода задержки самовоспламенения. Это в конечном
итоге приводит к неполному сгоранию топлива, жесткой работе двигателя,
возрастанию среднего индикаторного давления, увеличению удельного расхода
топлива. Так, при эксплуатационных испытаниях системы питания автомобиля КамАЗ
обнаружено, что на дымность отработавших газов и эксплуатационный расход
топлива достигают минимума при температуре топлива в баке 36...37 0С.
Первый показатель возрастает в несколько раз, а второй увеличивается на
30...35% при снижении температуры топлива до 0 0С [8].
Одновременно с понижением температуры окружающей
среды пропорционально увеличивается число отказов двигателей и других систем и
механизмов трактора. Практика показывает, что наибольшее число отказов дизелей
(до 50%) происходит вследствие нарушения работы топливоподающей системы. Это
обусловлено тем, что ее агрегаты располагаются по всей длине трактора и не
имеют системы поддержания оптимальной температуры. Часть агрегатов (топливный
насос высокого давления, фильтры тонкой и грубой очистки) находятся рядом с
двигателем и нагреваются от него, другие (топливный бак, всасывающий
топливопровод) расположены на значительном удалении от двигателя и охлаждаются
окружающим воздухом.
Температура окружающего воздуха оказывает
существенное влияние на протекание физических процессов, связанных с
кристаллизацией парафинистых углеводородов, конденсацией и растворением воды в
топливе, на характеристики отдельных агрегатов топливной системы, мощностные
характеристики двигателя, надежность и долговечность работы топливной
аппаратуры и двигателя в целом.
1.1 Влияние низких температур окружающей среды
на пуск АТД
Использование тракторов и автомобилей зимой
сопровождается большими потерями рабочего времени, труда и материальных средств
на эксплуатацию, обслуживание, ремонт и хранение машин. Особенно заметно
возрастают простои и трудозатраты, износ деталей и количество отказов
двигателей в период предпусковой подготовки и пуска, продолжительность которого
при температуре ниже минус 30°С достигает 10...20% времени рабочей смены и
более. При низкой температуре изменяются эксплуатационные свойства топлива и
смазочных материалов, создаются неблагоприятные условия для работы
топливоподающей аппаратуры и электрооборудования. Увеличивающаяся вязкость
топлива и масел затрудняет прокручивание двигателя при пуске и вызывает
повышенный износ его деталей.
Эффективность использования тракторов и автомобилей
в значительной степени зависит от технического состояния наиболее сложного и
дорогостоящего агрегата - двигателя, долговечность и безотказность работы
которого определяются климатическими условиями, нагрузочными, скоростными,
температурными режимами работы, качеством обслуживания и многими другими
факторами. Влияние этих факторов усиливается с понижением температуры
окружающей среды. В условиях зимней эксплуатации, особенно в период
пуска-прогрева, увеличиваются количество отказов двигателей, трудозатраты на их
устранение и простои машин при подготовке двигателей к работе. Достаточно
отметить, что простои машин из-за затрудненного пуска двигателя при температуре
минус 25...30 °С и ниже часто достигают 1,0...1,5ч и более. При этом на
пусковых режимах повышается интенсивность изнашивания основных сопряжений, что
снижает долговечность двигателя [9].
Пуск двигателя состоит из следующих основных
стадий:
) начальный разгон до пусковой частоты вращения
коленчатого вала;
) вращение коленчатого вала с примерно постоянной
частотой до первых вспышек в цилиндрах (прокрутка);
) вращение коленчатого вала с частичным
использованием индикаторной мощности;
) переход на режим самостоятельной работы;
) работа в режиме холостого хода.
Практически вероятность успешного пуска двигателя
зимой с первой попытки невысока (около 10 % [10]), так как процесс может
прекратиться на любой стадии.
В первой стадии коленчатый вал проворачивается
пусковой системой двигателя (подача топлива выключена). Вторая стадия длится с
начала устойчивого его вращения пусковой системой до начала подачи топлива в
цилиндры двигателя. Третья стадия начинается с момента включения подачи топлива
и характеризуется неустойчивой работой двигателя. Энергия, получаемая от
сгорания топлива, недостаточна для увеличения частоты вращения коленчатого
вала, которая колеблется в пределах 3...5 с-1 (оборотов в секунду).
Сразу после включения подачи топлива наблюдаются пропуски вспышек горючей смеси
- до 40 % от общего числа впрысков топлива в цилиндры двигателя [11]. Угловая
частота коленчатого вала изменяется в пределах 150...200 мин-1.
Максимальное давление сгорания при первой вспышке достигает 8,5.105
Н/м2, затем снижается до (7...8).105 Н/м2.
Максимальное значение скорости нарастания давления в процессе сгорания
(жесткость) при первой вспышке достигает 3,1.105 Н/м2град;
среднее давление жесткости равно 1,8.105 Н/м2град
[11].
В переходном режиме работы при сгорании топлива
выделяется энергия, достаточная для ускорения вращения коленчатого вала от
4...5 с-1 до максимального значения (режим холостого хода) и
самостоятельной работы двигателя. Пропуски вспышек прекращаются, равномерно
снижается максимальное давление сгорания. Считается, что двигатель находится в
режиме самостоятельной работы, если число вспышек, отнесенных к двум оборотам
коленчатого вала, достигло 75 %. При работе двигателя в режиме холостого хода
частота вращения коленчатого вала колеблется в узких пределах, среднее значение
максимального давления сгорания практически равно давлению конца сжатия [12].
Низкие температуры воздуха и связанное с этим
охлаждение агрегатов и эксплуатационных материалов затрудняют пуск двигателя,
уменьшают стабильность работы отдельных систем двигателя на всех режимах.
Трудности пуска двигателя возникают из-за сложности создания пусковой частоты
вращения коленчатого вала двигателя, ухудшения условий смесеобразования и
воспламенения смеси. К общим причинам, затрудняющим пуск холодных дизельных
двигателей при низких температурах, относятся [13]:
увеличение момента сопротивления прокручиванию
коленчатого вала двигателя, вызванное повышенной вязкостью масла;
снижение температуры поступающего в двигатель
воздуха, что приводит к понижению температуры топливной смеси в конце сжатия.
Пуск дизеля возможен лишь, когда температура в конце такта сжатия в камере
сгорания достигает 350...400 0С. Так, например, при частоте вращения
коленчатого вала двигателя 190 мин-1 и температуре окружающего
воздуха 0 0С впрыск топлива снижает температуру смеси в конце такта
сжатия на 130 0С;
снижение температуры конца такта сжатия из-за
интенсивной теплоотдачи в стенки цилиндров, ведет к снижению среднего
индикаторного давления, развиваемого двигателем;
увеличения утечки воздуха через зазоры в
сопряжениях деталей ЦПГ из-за медленного прокручивания коленчатого вала;
увеличение вязкости топлива, образование
парафинов и ухудшения распыла его форсунками;
ухудшение работоспособности аккумуляторных
батарей.
Для обеспечения надежного пуска тракторного
двигателя необходимо, чтобы температура воздуха в конце сжатия была выше температуры
самовоспламенения топлива. Температура самовоспламенения дизельного топлива в
распыленном состоянии составляет 400 0С, а температура воздуха в
конце такта сжатия достигает 700 0С (при нормальных условиях
эксплуатации). Для нагрева воздуха до указанной температуры необходимо сжать
его до (300...350) ´104 Н/м2.
Однако в холодное время года даже высокое давление не обеспечивает нагрев
воздуха до необходимой температуры в конце такта сжатия. Температура воздушного
заряда зимой снижается в результате действия ряда факторов.
Во-первых, в цилиндры двигателя подается сильно
охлажденный наружный воздух, который во время впуска не нагревается от холодных
гильз цилиндров.
Во-вторых, во время сжатия (при
малой частоте вращения коленчатого вала) происходит большая утечка воздуха
через зазоры между поршнем и гильзой цилиндров. По данным [11, 13 и др.] при
скорости вращения коленчатого вала в пределах 50...75 мин-1 утечка
воздушного заряда в среднем составляет 24% (при степени сжатия 
=16) от
всего объема воздуха, поступившего в цилиндры двигателя. При увеличении угловой
частоты коленчатого вала до 200 мин-1 утечка воздуха через зазоры
снижается в среднем до 5%.
При пуске холодного двигателя, за
счет усиленного теплообмена между воздушным зарядом и стенками цилиндра,
повышение температуры сжимаемого воздуха замедляется, а, следовательно,
ухудшаются условия самовоспламенения топлива. Кроме того, впрыск холодного
топлива в камеру сгорания приводит к увеличению поверхностного натяжения и
кинематической вязкости капель. Это сказывается на том, что увеличивается масса
и кинетическая энергия каждой капли, уменьшается суммарная сила их
аэродинамического торможения. В результате интенсивность торможения капель
уменьшается, и лишь небольшая часть цикловой подачи оказывается взвешенной в
объеме факела. Все это приводит к тому, что увеличивается время на прогрев,
испарение и воспламенение топлива, и как следствие происходит нарушение
процесса горения и повышается жесткость работы двигателя. Пуск двигателя в
холодное время года затрудняется еще тем, что температура самовоспламенения
дизельного топлива возрастает с понижением давления в камере сгорания. Так,
например, если при давлении 30 МПа температура самовоспламенения топлива равна
200 0С, то при давлении 1 МПа она достигает 400 0С [14].
Зимой особенно трудно пустить двигатели с
электростартерами, так как ухудшается работоспособность аккумуляторных батарей.
Вязкость электролита увеличивается. Электролит медленно проникает в поры
активной массы пластин аккумуляторных элементов, вследствие чего полезная
отдача аккумуляторных батарей, особенно при разрядке токами большой силы,
например при работе стартера, значительно уменьшается. Эксперименты по пуску
двигателя ПД6-150 при различных значениях отрицательных температур (от минус 16
до минус 34 °С) показали, что уже при температуре электролита минус 16°С в
аккумуляторах с эксплуатационной степенью заряженности (80% номинальной
емкости) пуск подогретого до 60°С двигателя оказался невозможным вследствие
малых пусковых оборотов, развиваемых стартером, и значительной потери емкости
холодных аккумуляторных батарей [15].
Большое влияние на процесс пуска и стабильность
параметров рабочего процесса дизельных двигателей в зимнее время оказывают
вязкость и температура застывания топлива, от которых зависит количество и
равномерность подачи топлива насосом высокого давления, качество его
распыливания форсунками и смесеобразования в цилиндре. С понижением температуры
вязкость дизельного топлива повышается, а из-за выделения кристаллов парафинов
мутнеет и даже застывает, теряя подвижность. Выпавшие кристаллы углеводородов
забивают топливные фильтры и топливопроводы, что сначала нарушает, а затем
полностью прекращает подачу топлива.
Факторы, влияющие на воспламенение и сгорание
рабочей смеси при пуске двигателя в зимних условиях, могут быть разделены на
поддающиеся управлению в процессе эксплуатации и конструктивные, управление
которыми невозможно. На (рис.1.2) показана схема взаимодействия факторов,
влияющих на воспламеняемость смеси в начальный период пуска. В пунктирном
прямоугольнике на схеме выделены факторы, управление которыми возможно. Так,
например, качество работы топливной системы зависит от вида топлива, его
цетанового числа, температуры. В эксплуатации на эти параметры можно влиять
путем добавления легковоспламеняющихся жидкостей, выбором топлива с
соответствующим значением цетанового числа, его подогревом перед подачей в
двигатель.
Рис 1.2. Схема взаимодействия факторов, влияющих
на воспламеняемость смеси в начальный период пуска
При низких температурах ухудшается пропускная
способность фильтров вследствие забивания их кристаллами Н-алканов и
кристаллами льда. Эти помехи могут быть также устранены путем обогрева
топливных фильтров.
.2 Процессы впрыскивания, смесеобразования и
горения при низких температурах
Условия смесеобразования в дизельном двигателе
(с воспламенением от сжатия) более сложны и менее благоприятны, чем в
карбюраторном двигателе. При этом скорость образования рабочей смеси в
дизельном двигателе зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются
температура и плотность воздуха в камере сгорания, качество распыливания
топлива при впрыске, испаряемость топлива.
Влияние температуры и плотности воздуха
заключается в следующем. Повышение температуры воздуха вызывает сокращение
периода задержки воспламенения в результате ускорения прогрева, испарения и
окисления топлива (рис. 1.3). Температура в конце такта сжатия определяется в
первую очередь температурой в конце такта впуска (рис. 1.4), что указывает на
большую целесообразность предварительного разогрева воздуха, поступающего в
цилиндры при пуске холодного дизельного двигателя [16].
Рис. 1.3. Замедление (по времени Т)
воспламенения дизельного топлива в зависимости от температуры сжатого воздуха tвоз
Рис. 1.4. Зависимость температуры воздуха tвоз
в конце такта сжатия от частоты вращения коленчатого вала (ходе сжатия и ходе
расширении): 1 - минус 30 0С; 2 - минус 20 0С; 3 - минус
10 0С; 4 - 0 0С; 5- 10 °С; 6 - 20 0С
Температура и давление в камере сгорания в конце
такта сжатия в большей степени зависят от частоты вращения коленчатого вала и
связанными с ними утечками воздуха через неплотности колец холодного двигателя.
Так, при изменении частоты вращения коленчатого
вала с 80 до 200 мин -1 температура и давление в конце такта сжатия
увеличиваются, а утечки воздуха уменьшаются примерно в 2 раза (рис. 1.5).
Рис 1.5. Потери воздуха ΔGВОЗ
в цилиндре автомобильного дизельного двигателя при двойном ходе h
поршня (ходе сжатия и ходе расширения) и при следующих частотах п вращения
коленчатого вала: 1 - 198 мин -1; 2-169 мин -1; 3 - 126
мин -1; 4 - 86 мин -1
Скорость смесеобразований в дизельном двигателе
в значительной степени зависит от скорости испарения топлива, которая в свою
очередь зависит от фракционного состава, вязкости топлива и поверхностного
натяжения его. С повышением вязкости при низких температурах ухудшается
прокачиваемость топлива к форсункам и качество распыливания его в цилиндрах
двигателя (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Влияние вязкости дизельного топлива на
средний диаметр dср
капель
На скорость испарения оказывает влияние степень
распыливания топлива (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Зависимость количества капель N в
струе (а) и поверхности испарения SИ
(б) 1 мл распыленного топлива от диаметра капель dК
При уменьшении размера капель количество их и
суммарная поверхность, с которой происходит испарение, сильно увеличиваются.
На период задержки воспламенения рабочей смеси
большое влияние оказывает цетановое число дизельного топлива. Улучшение
пусковых свойств дизельных топлив наблюдается при повышении их цетанового числа
до 60...65 ед. Однако при работе дизельного, двигателя наиболее эффективным
оказывается применение топлив с цетановым числом до 55 ед. (рис. 1.8), так как
дальнейшее повышение дает небольшое сокращение индукционного периода.
Рис. 1.8. Влияние цетанового числа (Ц. Ч.)
топлива на время пуска двигателя τ
Повышение цетанового числа топлива, как правило,
связано с увеличением количества нормальных парафиновых углеводородов, которые
выпадают в виде кристаллов при понижении температуры, сильно ухудшая
прокачиваемость его к форсункам двигателя.
При всех конструкциях камер сгорания низкие
температуры наружного воздуха резко ухудшают условия смесеобразования, затрудняя
пуск двигателя и ухудшая протекание процессов сгорания при его работе во время
прогрева до номинальных температур. Это явилось причиной того, что за последние
годы разработаны конструкции двигателей, в которых сочетаются методы
смесеобразования, присущие дизельному двигателю, и методы воспламенения,
присущие карбюраторному двигателю, например, предложено использовать искровое
зажигание в камере с пленочным смесеобразованием.
При наддуве двигателя возрастает плотность, а
нередко и температура заряда в цилиндре, что приводит к улучшению
смесеобразования и ускорению воспламенения смеси. Вместе с тем возникает
необходимость существенного увеличения пробивной способности топливных струи в
результате увеличения диаметра сопловых отверстий. Этот недостаток особенно
ощутим при пуске и работе двигателей в условиях низких температур, когда с
повышением вязкости топлива ухудшается его распыливание.
Воспламенение рабочей смеси в дизельном
двигателе имеет многостадийный цепной характер. Очаги воспламенения располагаются
вблизи наружных границ факела распыленного топлива, где понижение температуры
из-за испарения меньше, чем по его оси, а состав смеси благоприятен для
воспламенения. Возникновение очага воспламенения происходит по механизму
объемного воспламенения, когда вследствие быстрого сжатия смеси происходит
экзотермическая реакция. При этом после периода задержки воспламенения
наблюдается быстрый саморазгон химических реакций (объемное воспламенение),
сопровождающееся охватом всего объема пламенем.
При низких температурах длительность периода
задержки воспламенения велика, процесс сгорания топлива затягивается, неполнота
сгорания приводит к выбросу увеличенного количества токсических веществ.
В (табл. 1.1) отражено влияние вязкости
дизельного топлива на его удельный расход и дымность отработавших газов [17] в
результате ухудшения испарения топлива и уменьшения полноты его сгорания.
Таблица 1.1. Влияние вязкости дизельного топлива
на его удельный расход
|
Кинематическая
вязкость n сСт
|
7
|
9
|
15
|
16
|
40
|
49
|
65
|
|
ge,
г/кВт ч
|
332
|
334
|
338
|
348
|
354
|
428
|
446
|
|
Дымность,
условные единицы
|
77
|
79
|
82
|
-
|
85,6
|
95
|
98
|
Крупные капли, не успев, испарится в камере
сгорания, воспламеняются с большим запаздыванием и медленно догорают на такте
расширения. Жидкое топливо, догорающее на стенках камеры сгорания и днище
поршня, оставляет на них углеродистые отложения; нагаром покрываются и
распылители форсунок. В результате этого ухудшается теплообмен между сильно
нагретыми деталями двигателя и охлаждающей жидкостью, что приводит к нарушению
смесеобразования топлива. Для запуска холодного дизеля необходимо тонкое
распыливание топлива, которое обеспечивается кинематической вязкостью на входе
в форсунку не выше n=20 сСт для среднеоборотистых и n=25
сСт для тихоходных дизелей.
2. Параметры топлива,
влияющие на эксплуатационные качества АТД в условиях низких температур
Отмеченные выше отрицательные явления в работе
двигателей в зимних условиях обусловлены, прежде всего, изменением
эксплуатационных и физических свойств топлива. Для того чтобы обеспечить надежную
и экономичную работу дизельного двигателя, топливо должно отвечать следующим
требованиям [11, 18, 19 и др.]:
хорошо прокачиваться для бесперебойной и
надежной работы ТНВД (иметь оптимальную вязкость, необходимые
низкотемпературные свойства, не содержать воды и механических примесей);
обеспечить тонкий распыл и хорошее
смесеобразование, для чего необходима оптимальная вязкость и фракционный
состав;
полностью сгорать, не образуя сажистых веществ,
что необходимо для “мягкой” работы двигателя (зависит от химического и
фракционного состава топлива и его вязкости);
не вызывать повышенного нагарообразования на
клапанах, кольцах и поршнях, закоксовывания форсунки и зависания иглы
распылителя (зависит от химического и фракционного состава топлива, глубины и способов
очистки);
обладать хорошими низкотемпературными
свойствами, позволяющими работать двигателю при отрицательных температурах
(определяется температурой помутнения, при которой теряется фазовая
однородность топлива; температурой начала кристаллизации, при которой в топливе
появляются кристаллы, видимые невооруженным глазом; температурой застывания,
при которой происходит полная потеря подвижности топлива).
2.1 Ассортимент и состав дизельных топлив
Дизельное топливо является одним из важнейших
продуктов, выпускаемых нефтеперерабатывающей промышленностью. Оно представляет
собой светло-коричневую маслянистую жидкость плотностью от 780 до 860 кг/м3,
является продуктом прямой перегонки нефти в состав которого входят средние
дистиллятные фракции нефти, выкипающие в пределах от 150...170° до 350...365
°С, легкие газойли каталитического и термического крекинга, коксования и
гидрокрекинга[20].
Дизельное топливо не требует сложных
технологических процессов для получения и относится к самым массовым
нефтепродуктам, применяемым в сельском хозяйстве.
Рабочий процесс в дизельном двигателе отличается
от рабочего процесса в карбюраторном двигателе тем, что смесеобразование
происходит в конце такта сжатия за очень короткий промежуток времени. Если в
карбюраторном двигателе смесеобразование начинается в карбюраторе и
продолжается в цилиндре двигателя во время тактов всасывания и сжатия, то в
дизельном двигателе топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания за
несколько градусов до прихода поршня в верхнюю мертвую точку. Топливо
впрыскивается в камеру сгорания со сжатым воздухом, находящимся под давлением
3,4...4,4 МПа и температурой 600...700 °С, испаряется, нагревается до
температуры самовоспламенения и воспламенения. Этот процесс продолжается всего
0,002...0,003 с (почти в 10 раз быстрее, чем в карбюраторном двигателе). В
связи с этим дизельное топливо должно обладать определенными эксплуатационным
свойствами.
Основные эксплуатационные показатели дизельного
топлива:
цетановое число, определяющее высокие мощностные
и экономические показатели работы двигателя;
фракционный состав, определяющий полноту
сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя;
вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную
подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы
фильтрования;
низкотемпературные свойства, определяющие
функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей
среды и условия хранения топлива
степень чистоты, характеризующая надежность
работы фильтров грубой и тонкой очистки и цилиндропоршневой группы двигателя;
температура вспышки, определяющая условия
безопасности применения топлива в дизелях;
наличие сернистых соединений, непредельных
углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ [21].
Эксплуатационные свойства дизельного топлива,
как и всякого другого моторного топлива, определяются прежде всего физическими
и химическими свойствами составляющих его углеводородов, т. е. химическим
составом. На качество топлива оказывает влияние:
) природа нефтяного сырья, т. е. химический
состав сырой нефти данного месторождения, взятой для переработки, и технология
переработки;
) соотношение компонентов, взятых при
изготовлении этой партии топлива;
) пределы температур кипения, в которых
отбирались компоненты для партии топлива;
) степень очистки от нежелательных составных
частей топлива (очистка от серы, депарафинизация и т. д.);
) вид и количество введенных в топливо присадок,
если таковые применялись при изготовлении топлива.
Эксплуатационные свойства дизельных топлив
оцениваются определенными показателями, которые могут быть разделены на
следующие группы:
) показатели, необходимые для расчета
экономичности двигателя, теплового баланса и состава продуктов сгорания
(групповой химический и элементарный состав топлива, теплота сгорания);
) показатели, определяющие процесс сгорания в
двигателе (фракционный состав, цетановое число);
) показатели, характеризующие подачу топлива в
двигателе, а также условия его хранения и транспортировки (вязкость, температуры
помутнения, застывания и вспышки, а также наличие воды и механических
примесей);
) показатели, от которых зависят износ,
нагарообразование, коррозия при длительной работе двигателя (коксуемость
10%-ного остатка, содержание фактических смол, кислотность, минеральные
вещества, содержание серы и др.), т.е. показатели, во многом влияющие на
моторесурс двигателя.
Ниже дается краткая характеристика и значение
наиболее важных показателей качества дизельных топлив.
Цетановое число - основной показатель воспламеняемости
дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего
процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработавших
газов. Чем выше цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления
и тем менее жестко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа
топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с допустимой
жесткостью (менее 0,5 МПа/°ПВК), ухудшается его экономичность в среднем на
0,2-0,3 % и дымность отработавших газов на единицу цетанового числа повышается
на 1-1,5 единицы Хартриджа.
Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее
произойдут процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем
скорее воспламенится смесь и запустится двигатель, что особенно важно в условиях
низких температур. Ниже приведены данные по влиянию цетанового числа на время
запуска двигателя:
Цетановое число................. 53....... 38
Время запуска, с.................. 3....... 45-50
Цетановое число топлив зависит от их
углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают
нормальные парафиновые углеводороды, причем с повышением их молекулярной массы
оно повышается, а по мере разветвления - снижается. Самые низкие цетановые
числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей; ароматические
углеводороды с боковыми цепями имеют более высокие цетановые числа и тем
больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь. Непредельные углеводороды
характеризуются более низкими цетановыми числами, чем соответствующие им по
строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды обладают невысокими
цетановыми числами, но большими, чем ароматические углеводороды. Чем выше
температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит
почти линейный характер; лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться,
что объясняется их углеводородным составом [21].
Цетановые числа дизельных топлив различных
марок, вырабатываемых отечественной промышленностью, характеризуются следующими
значениями:
Марка дизельного топлива Л 3(-35°С) 3(-45°С) А
Цетановое число 47-51 45-49 40-42 38-40
Применение топлив с цетановым числом менее 40
приводит к жесткой работе двигателя, а более 50 - к увеличению удельного
расхода топлива вследствие уменьшения полноты сгорания. Летом можно применять
топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска
Двигателя - с цетановым числом не менее 45. Цетановое число и
низкотемпературные свойства топлива - это взаимосвязанные величины: чем лучше
низкотемпературные свойства топлива, тем ниже его цетановое число. Так, топлива
с температурой застывания ниже -45 °С характеризуются цетановым числом около
40.
Хорошие низкотемпературные свойства достигаются
несколькими способами: существенным облегчением фракционного состава
(температура конца кипения 300-320 °С вместо 360 °С), проведением
депарафинизации топлива (извлечение н-парафиновых углеводородов), переработкой
нафтено-ароматических нефтей с малым содержанием н-парафиновых углеводородов.
При этом во всех случаях снижается цетановое число.
Установление оптимальных цетановых чисел имеет
большое практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти в
состав дизельного топлива будут вовлекаться легкие газойли каталитического
крекинга, коксования и фракции, обладающие относительно низкими цетановыми
числами. Бензиновые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их
в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего.
Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цетанового
числа - 48 единиц.
Характер процесса горения топлива в двигателе
определяется двумя основными показателями - фракционным составом и цетановым
числом. На сгорание топлива более легкого фракционного состава расходуется
меньше воздуха, при этом благодаря уменьшению времени, необходимого для
образования топливовоздушной смеси, процессы смесеобразования протекают более
полно.
Облегчение фракционного состава топлива,
например при добавке к нему бензиновой фракции, может привести к жесткой работе
двигателя, определяемой скоростью нарастания давления на 1°
поворота коленчатого вала. Это объясняется тем, что к моменту самовоспламенения
рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров
топлива, и горение сопровождается чрезмерным повышением давления и стуками в
двигателе.
Влияние фракционного состава топлива для
двигателей различных типов неодинаково. Двигатели с предкамерным и
вихрекамерным смесеобразованием вследствие наличия разогретых до высокой
температуры стенок предкамеры и более благоприятных условий сгорания менее
чувствительны к фракционному составу топлива, чем двигатели с непосредственным
впрыском. Наддув двигателя, создающий повышенный термический режим камеры
сгорания, обеспечивает возможность нормальной работы на топливах утяжеленного
фракционного состава.
Время прокручивания двигателя при запуске его на
топливе со средней температурой кипения 200-225 °С в 9 раз меньше, чем на
топливе со средней температурой кипения, равной 285 °С.
При испытаниях дизельного топлива утяжеленного
фракционного состава с температурой конца кипения на 30 °С выше, чем у
стандартного летнего топлива, отмечен повышенный расход топлива в среднем на 3
% и увеличение дымности отработавших газов в среднем на 10 %. Одной из основных
причин повышения расхода топлива является более высокая вязкость топлива утяжеленного
фракционного состава.
Расход топлива зависит не только от температуры
конца его кипения, но и от 50 %-ной точки перегонки. Для летних дизельных
топлив, полученных перегонкой нефти, 50 %-ная точка выкипания находится в
пределах 260-280 °С (наиболее типичные значения 270-280 °С), для зимних марок
дизельных топлив она составляет 240-260 °С. Вязкость дизельного топлива
характеризует его подвижность, величину внутреннего трения и силу взаимного
сцепления молекул. Вязкость оказывает решающее влияние на первую стадию
смесеобразования - распыливание в цилиндре двигателя, дальнобойность струи,
четкость начала и конца подачи топлива форсункой [22]. С увеличением вязкости
топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается степень
наполнения насоса.
При предельном значении вязкости потери напора
становятся настолько большими, что топливная струя разрывается, нарушается
нормальная подача топлива к насосу, и он начинает работать с перебоями. Топливо
с невысокой вязкостью хорошо распыливается, однако при слишком малой вязкости
оно подтекает через распыливающие отверстия форсунок, что приводит к их
закоксовыванию [23]. Из-за недостаточной дальнобойности струи топливо сгорает у
распылителя форсунки, в результате чего наблюдается неоднородность рабочей смеси,
ухудшается процесс сгорания и падает мощность двигателя. Кроме того, топливный
насос смазывается дизельным топливом, поэтому износ плунжерных пар зависит от
его вязкости и чистоты. Исследованиями [25] установлено, что для топливной
аппаратуры двигателя ЯАЗ-204 изменение вязкости топлива в пределах 2,0...6,0
сСт практически не влияет на износ плунжерных пар. В тоже время при снижении
вязкости топлива с 6,14 сСт до 1,7 сСт повышается износ на 10…15 % топливной
аппаратуры двигателя Д-6 [26].
Вязкость дизельного топлива зависит от его
углеводородного состава и температуры окружающей среды, как и для других
нефтепродуктов она возрастает с понижением температуры и наоборот рис.2.1.
Рис.2.1 Зависимость кинематической вязкости
топлива от его температуры: 1 - летнее, 2 - зимнее, 3 - арктическое
Летнее дизельное топливо, получаемое из
западносибирской нефти, в котором преобладают парафино-нафтеновые углеводороды,
имеет вязкость при 20 °С 3,5-4,0 мм2/с; такое же по фракционному
составу топливо из сахалинских нефтей, в котором преобладают
нафтено-ароматические углеводороды, - 5,5-6,0 мм2/с. Стандартом на
дизельное топливо вязкость нормируется в достаточно широких пределах, что
обусловлено различием углеводородного состава перерабатываемых нефтей. Попытки
ограничить вязкость топлива в узких пределах приведут к сокращению ресурсов его
производства, так как потребуется снизить температуру конца кипения топлива. В
зарубежных стандартах кинематическая вязкость нормируется обычно при 40 °С, в
то время как отечественные ГОСТ и ТУ регламентируют вязкость при 20 °С.
Из всех классов углеводородов наименьшая
вязкость у алифатических. Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою
вязкость при охлаждении, т.е. имеют наиболее пологую вязкостно-температурную
кривую. Алифатические углеводороды разветвленного строения, имеющие в боковых
цепях два-три атома углерода, обладают более высокой вязкостью и при охлаждении
она изменяется более резко, чем у углеводородов нормального строения. Присутствие
двойной связи снижает вязкость алифатического углеводорода. Ароматические и
нафтеновые кольца в молекуле углеводорода повышают вязкость и ухудшают
вязкостно-температурную зависимость. Бициклические углеводороды при одинаковой
молекулярной массе с моноциклическими имеют не только более высокую вязкость,
но и более крутую кривую зависимости вязкости от температуры.
Хотя вязкость дизельных топлив при понижении
температуры и повышается, поведение топлива, как правило, продолжает
подчиняться закону Ньютона (вязкость не зависит от градиента сдвига) вплоть до
выпадения кристаллов твердых углеводородов.
Вязкость дизельного топлива оказывает
существенное влияние на качество распыливания. Например, при температуре
топлива 80 0С диаметр отпечатка впрыснутого топлива равен 80 мм; при
температуре 60 0С - 73 мм; при 40 0С - 53 мм; при 20 0С
- 42 мм. При высокой вязкости струя топлива распадается на крупные капли
диаметром от 150 мкм до 300 мкм, рис.2.2.
Рис.2.2. Зависимость тонкости распыла топлива
(среднего диаметра капель) от его условной вязкости
Топлива являются смазочным материалом для
движущихся деталей топливной аппаратуры быстроходных дизелей, пар трения
плунжерных топливных насосов, запорных игл, штифтов и других деталей.
Смазывающие свойства топлив значительно хуже,
чем у масел, так как и вязкость, и содержание поверхностно-активных веществ
(ПАВ) в топливах меньше, чем их содержание в маслах. Противоизносные свойства
топлив улучшаются с увеличением содержания ПАВ, вязкости и температуры
выкипания.
В связи с ужесточением требований к качеству
дизельных топлив по содержанию серы и переходом на выработку экологически
чистых топлив, гидроочистку их проводят в жестких условиях. При этом из
дизельных топлив удаляются соединения, содержащие серу, кислород и азот, что
негативно влияет на их смазывающую способность. Наиболее реальным способом
улучшения смазывающих свойств дизельного топлива является применение
противоизносных присадок.
Химическая стабильность дизельного топлива - способность
противостоять окислительным процессам, протекающим при хранении. Эта проблема
возникла с углублением переработки нефти и вовлечением в состав товарного
дизельного топлива среднедистиллятных фракций вторичной переработки нефти,
таких, как легкого газойля каталитического крекинга, висбрекинга, коксования.
Последние обогащены ненасыщенными углеводородами, включая диолефины и
дициклоолефины, а также содержат значительное количество сернистых, азотистых и
смолистых соединений. Наличие гетероатомных соединений, особенно в сочетании с
ненасыщенными углеводородами, способствует их окислительной полимеризации и
поликонденсации, тем самым влияя на образование смол и осадков. Самыми сильными
промоторами смоло- и осадкообразования являются азотистые и сернистые
соединения.
Химическая стабильность оценивается по
количеству образовавшегося в топливе осадка (мг/100 мл) по ASTM
D 2274. Легкий
газойль каталитического крекинга (ЛГКК) по химической стабильности существенно
уступает прямогонным или гидроочищенным дистиллятным фракциям [21]:
Содержание ЛГКК 43/107
в топливе, %. 0 10 20 30 40 100 Норма
Осадок, мг/100 мл 1,2 5,5 7,2 8,9 10,3 21,5 <
0,2
Стандартами на дизельные топлива
регламентируются следующие показатели качества, характеризующие их коррозионную
агрессивность: содержание общей серы, содержание меркаптановой серы и
сероводорода, водорасворимых кислот и щелочей, испытание на медной пластинке.
Современная технология получения дизельных
топлив практически исключает возможность присутствия в них элементной серы и
сероводорода в количествах, вызывающих коррозионное воздействие на металлы.
Отсутствие элементной серы и сероводорода надежно контролируется испытанием на
медной пластинке. Топливо выдерживает эти испытания, если содержание свободной
серы не выше 0,0015 %, сероводорода не более 0,0003 %.
Общее содержание серы мало характеризует
коррозионную агрессивность топлива по отношению к металлам. При увеличении
содержания серы с 0,18 до 1,0 %, но незначительном повышении содержания
меркаптановой серы с 0,005 до 0,009 %, коррозионная агрессивность топлива почти
не изменяется.
Большое влияние на коррозионную агрессивность
дизельных топлив оказывает глубина их гидроочистки, так как при этом вместе с
сернистыми и ароматическими соединениями удаляются поверхностно-активные
вещества, в результате чего ухудшаются защитные свойства топлив. Удаление
поверхностно-активных веществ приводит к снижению способности топлива вытеснять
влагу с поверхности металлов и образовывать защитную пленку.
Коррозионная агрессивность дизельных топлив, в
основном, зависит от содержания меркаптановой серы. Так, повышение содержания
меркаптановой серы с 0,01 % (норма ГОСТ) до 0,06 % увеличивает коррозию более
чем в 2 раза.
Считается, что при содержании серы в топливе
менее 0,05% требуется применение специальных противоизносных присадок,
позволяющих на порядок продлить срок службы топливной аппаратуры (см. рис. 2.3)
[27].
Рис. 2.3. Пробег двух автомобилей (1 и 2) до
выхода из строя на малосернистом (менее 0,001% серы) топливе без присадки (а) и
с присадкой (б)
Коррозионная активность меркаптановой серы в
дизельном топливе существенно зависит от присутствия в нем свободной воды и
растворенного кислорода, которые ускоряют процесс образования меркаптидов.
Прямогонные дизельные топлива обладают более
высокими защитными свойствами по сравнению с гидроочищенными. Сравнительно
низкими защитными свойствами обладает газойль каталитического крекинга.
Защитные свойства мало зависят от фракционного
состава. Зимнее и летнее топлива, полученные по одинаковой технологии, обладают
примерно одинаковым защитными свойствами.
Причиной повышенной коррозии и износа является
присутствие в топливе металлов.
Содержание металлов в дизельных топливах (х10-4
%), полученных на различных предприятиях:
|
Номер
образца
|
V
|
Ni
|
Fe
|
Cu
|
Pb
|
Са
|
Al
|
Na
|
Мо
|
|
1
|
<0,5
|
<0,3
|
0,35
|
<0,07
|
<0,3
|
0,15
|
<0,7
|
0,08
|
<0,3
|
|
2
|
<0,5
|
<0,3
|
0,35
|
<0,07
|
0,2
|
0,1
|
<0,7
|
0,02
|
<0,3
|
|
3
|
<0,5
|
<0,3
|
0,55
|
0,07
|
0,2
|
0,17
|
<0,7
|
0,18
|
0,3
|
|
4
|
<0,5
|
<0,3
|
0,35
|
0,07
|
0,2
|
0,3
|
<0,7
|
0,15
|
<0,3
|
|
5
|
<0,5
|
<0,3
|
0,35
|
<0,07
|
0,3
|
0,3
|
<0,7
|
0,12
|
<0,3
|
|
6
|
<0,5
|
<0,3
|
0,4
|
<0,07
|
0,3
|
<0,15
|
<0,7
|
<0,07
|
<0,3
|
|
7
|
<0,5
|
<0,3
|
0,4
|
0,06
|
0,2
|
0,12
|
<0,7
|
<0,07
|
<0,3
|
|
8
|
0,3
|
1,3
|
0,45
|
<0,07
|
0,3
|
0,1
|
<0,7
|
<0,07
|
<0,3
|
|
9
|
<0,5
|
<0,1
|
0,3
|
0,06
|
0,35
|
<0,15
|
<0,7
|
<0,07
|
<0,3
|
|
10
|
<0,5
|
<0,1
|
0,3
|
0,06
|
1,0
|
0,07
|
<0,7
|
0,2
|
<0,3
|
|
11
|
<0,1
|
<0,1
|
0,3
|
<0,1
|
0,6
|
<0,1
|
-
|
0,05
|
<0,3
|
Данная проблема достаточно остро стоит в
промышленно развитых странах и к настоящему времени ясно обозначилась в России.
Ряд отечественных заводов вырабатывает топлива с низким содержанием серы,
которые предназначены и для поставки на экспорт, и для внутреннего потребления.
Количество малосернистого топлива (с содержанием серы менее 0,05 и 0,1%) пока
невелико, но быстро растет, его доля в 1990, 1995 и 2000 годах в России
соответственно составляла 0,2, 3,8 и 12,0% от общего выпуска топлив. Из-за
отсутствия отечественных разработок российские заводы, производящие дизельные
топлива на экспорт, вынуждены использовать импортные присадки фирм BASF,
Clariant, Infineum. Появления полноценных отечественных аналогов следует
ожидать через 1-2 года.
Степень чистоты топлива -- показатель определяет
эффективность и надежность работы двигателя, особенно топливной аппаратуры. Для
плунжеров и гильз топливных насосов зазоры составляют 1,5-4,0 мкм. Частицы
загрязнений, размер которых более 4,0 мкм, вызывают повышенный износ деталей
топливной аппаратуры, что предопределяет и соответствующие требования к очистке
топлива.
Чистоту топлива оценивают коэффициентом
фильтруемости по ГОСТ 19006-73, который представляет собой отношение времени
фильтрования через фильтр из бумага БФДТ при атмосферном давлении десятой
порции фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие
воды, механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. В
товарных дизельных топливах содержится, в основном, растворенная вода от 0,002
до 0,008 % (гидрид-кальциевый метод определения), которая не влияет на
коэффициент фильтруемости. Нерастворенная в топливе вода - 0,01 % и более -
приводит к повышению коэффициента фильтруемости. Однако влияние этого фактора
неоднозначно. Присутствие в топливе поверхностно-активных веществ мыл
нафтеновых кислот, смолистых соединений усугубляет отрицательное влияние
эмульсионной воды на фильтруемость топлив. Достаточно (15-20)-10-4 %
мыл нафтеновых кислот, образующихся при защелачивании топлив, чтобы коэффициент
фильтруемости повысился с 2 до 5.
Содержание механических примесей в товарных
дизельных топливах, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями,
составляет 0,002-0,004 % (отсутствие по ГОСТ 6370-83) [28]. Это количество не
отражается на коэффициенте фильтруемости при исключении других отрицательных
факторов. Коэффициент фильтруемости дизельных топлив, отправляемых с
предприятий, находится в пределах 1,5-2,5.
В зависимости от типа дизелей дизельные топлива
имеют различную маркировку. Топлива, применяемые в двигателях с воспламенением
от сжатия, подразделяются на три группы. К первой группе относятся топлива для
быстроходных дизелей, среди которых различают марки ДА, ДЗ, ДЛ, ДС. Ко второй
группе принадлежат дизельные топлива для автотракторных, тепловозных и судовых
двигателей, они имеют маркировку А, С, 3, Л. Третью группу составляют топлива
для среднеоборотных дизелей, их маркировка-ДТ и ДМ. Все дизельные топлива,
выпускаемые в нашей стране в соответствии с действующим стандартом,
предназначены для использования их в дизельных двигателях, которые установлены
на тракторах, тепловозах, морских и речных судах, тяжеловесных грузовых
автомобилях.
В настоящее время отечественной
нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ
305-82 трех марок: Л - летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха
0 °С и выше; 3 - зимнее, применяемое при температурах до -20 °С (в этом случае
зимнее дизельное топливо должно иметь tз
< -35 °С и tп
< -25 °С), или зимнее, применяемое при температурах до -30 °С, тогда топливо
должно иметь tз < -45 °С и tп
< -35 °С), марки А - арктическое, температура применения которого до -50 °С.
Содержание серы в дизельном топливе марок Л и 3 не превышает 0,2 % - для I
вида топлива и 0,5 - для II
вида топлива, а марки А - 0,4 %. Для удовлетворения потребности в дизельном топливе
разрешаются по согласованию с потребителем выработка и применение топлива с
температурой застывания 0 °С без нормирования температуры помутнения.
В соответствии с ГОСТ 305-82 принято следующее
условное обозначение дизельного топлива: летнее топливо заказывают с учетом
содержания серы и температуры вспышки (Л-0,2-40), зимнее - с учетом содержания
серы и температуры застывания (3-0,2-минус 35). В условное обозначение на
арктическое дизельное топливо входит только содержание серы: А-0,2.
Дизельное топливо (ГОСТ 305-82) получают
компаундированием прямогонных и гидроочищенных фракций в соотношениях,
обеспечивающих требования стандарта по содержанию серы. В качестве сырья для
гидроочистки нередко используют смесь среднедистиллятных фракций прямой
перегонки и вторичных процессов, чаще прямогонного дизельного топлива и легкого
газойля каталитического крекинга. Содержание серы в прямогонных фракциях в
зависимости от перерабатываемой нефти колеблется в пределах 0,8-1,0 % (для
сернистых нефтей), а содержание серы в гидроочищенном компоненте - от 0,08 до
0,1.
Дизельное экспортное топливо (ТУ
38.401-58-110-94) - вырабатывают для поставок на экспорт, содержание серы 0,2
%. Исходя из требований к содержанию серы, дизельное экспортное топливо
получают гидроочисткой прямогонных дизельных фракций. Для оценки его качества
по требованию заказчиков определяют дизельный индекс (а не цетановое число, как
принято ГОСТ 305-82). Кроме того, вместо определения содержания воды и
коэффициента фильтруемости экспресс-методом устанавливают прозрачность топлива
при температуре 10°С.
Таблица 2.1. Характеристики дизельного топлива
(ГОСТ 305-82)
|
Показатели
|
Норма
дня марок
|
|
Л
|
3
|
А
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Цетановое
число, не менее
|
45
|
45
|
|
Фракционный
состав:
|
|
|
|
|
50
% перегоняется при температуре, °С, не выше
|
280
|
280
|
255
|
|
90
% перегоняется при температуре (конец перегонки), °С, не выше
|
360
|
340
|
330
|
|
Кинематическая
вязкость при 20 °С, ммг/с
|
3,0-6,0
|
1,8-5,0
|
1,5-4,0
|
|
Температура
застывания, °С, не выше, для климатической зоны:
|
|
|
|
|
умеренной
|
-10
|
-35
|
-
|
|
холодной
|
-
|
-45
|
-55
|
|
Температура
помутнения, °С, не выше, для климатической зоны:
|
|
|
|
|
умеренной
|
-5
|
-25
|
-
|
|
холодной
|
-
|
-35
|
-
|
|
Температура
вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже:
|
|
|
|
|
для
тепловозных и судовых дизелей и паровых турбин
|
62
|
40
|
35
|
|
для
дизелей общего назначения
|
40
|
35
|
30
|
|
Массовая
доля серы, %, не более, в топливе:
|
|
|
|
|
Вида
I
|
0,20
|
0,20
|
0,20
|
|
вида
II
|
0,50
|
0,50
|
0,40
|
|
Массовая
доля меркаптановой серы, %, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
Содержание
фактических смол, мг/100 см3 топлива,
|
|
|
|
|
не
более
|
40
|
30
|
30
|
|
Кислотность,
мг КОН/100 см3 топлива, не более
|
5
|
5
|
5
|
|
Йодное
число, г I2/100
г топлива, не более
|
6
|
6
|
6
|
|
Зольность,
%, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
Коксуемость
10 %-ного остатка, %, не более
|
0,20
|
0,30
|
0,30
|
|
Коэффициент
фильтруемости, не более
|
3
|
3
|
3
|
|
Плотность
при 20 °С, кг/м3, не более
|
860
|
840
|
830
|
|
Примечание.
Для топлив марок Л, 3, А: содержание сероводорода, водорасворимых кислот и
щелочей, механических примесей и воды - отсутствие, испытание на медной
пластинке- выдерживают.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.2. Характеристики дизельного
экспортного топлива (ТУ 38.401-58-110-94)
|
Показатели
|
Норма
для марок
|
|
ДЛЭ
|
ДЭЗ
|
|
1
|
2
|
3
|
|
Дизельный
индекс, не менее
|
53
|
53
|
|
Фракционный
состав: перегоняется при температуре, °С, не выше: 50% 90% 96%
|
280
340 360
|
280
330 360
|
|
Кинематическая
вязкость при 20 °С, мм2/с
|
3,0-6,0
|
2,7-6,0
|
|
Температура,
°С: застывания, не выше предельной фильтруемое, не выше вспышки в закрытом
тигле, не ниже
|
-10
-5 65
|
-35
-25 60
|
|
Массовая
доля серы, %, не более, в топливе: вида
I
вида II
|
0,2
0,3
|
0,2
-
|
|
Испытание
на медной пластинке
|
Выдерживает
|
|
Кислотность,
мгКОН/100 см3 топлива, не более
|
3,0
|
3,0
|
|
Зольность,
%, не более
|
0.01
|
0,01
|
|
Коксуемость
10 %-ного остатка, %, не более
|
0,2
|
0,2
|
|
Цвет,
ед. ЦНТ, не более
|
2,0
|
2,0
|
|
Содержание
механических примесей
|
Отсутствие
|
|
Прозрачность
при температуре 10 °С
|
Прозрачно
|
|
Плотность
при 20 °С, кг/м3, не более
|
860
|
845
|
В таблице 2.3 приведены требования к качеству
дизельных топлив по стандарту EN
590 [29]. Приведена тенденция снижения серы, увеличения ЦЧ с 1993 по 2000 гг.
Таблица 2.3. Требования к качеству дизельных
топлив по EN 590
|
Показатель
|
EN590
|
|
1993-1996
гг.
|
1996-1999
гг.
|
Действующий
с 2000 г.
|
|
Массовая
доля серы, %, не более
|
0,5
|
0,3
|
0,035
|
|
Цетановое
число, не менее
|
45
|
49
|
51
|
|
Плотность
при 1 5°С, кг/м'
|
820-860
|
820-860
|
820-845
|
|
Кинематическая
вязкость при 40°С, мм2/с
|
2,0-4,5
|
2,0-4,5
|
2,0-4,0
|
|
Фракционный
состав: 95% перегоняется до, °С
|
370
|
370
|
360
|
|
Содержание
полициклических ароматических углеводородов, %, не более
|
Не
норм.
|
Не
норм.
|
II
|
|
Смазывающая
способность, мкм, не более
|
Не
норм.
|
Не
норм.
|
460
|
|
Окислительная
стабильность, г/м3, не более
|
Не
норм.
|
Не
норм.
|
25
|
Таблица 2.4. Требования к качеству дизельного
топлива за рубежом
|
Регион
|
США
|
Кали-форния
(Техас)
|
Европейский
Союз
|
Швеция
|
Категория
IV
|
|
Характеристика
|
США
ЕРА
|
САКВ
(TNR)
|
Евро-1
|
Евро-2
|
Auto Oil
II
|
Класс
1
|
Миро-вая
Хар-тия
|
|
Ввод
в действие
|
1993
|
1998
|
2006
|
2006
|
2000
|
2005
|
2008
|
1991
|
--
|
|
Плотность,
г/см3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
минимум
|
-
|
-
|
-
|
0,83
|
-
|
0,825
|
0,825
|
0,8
|
0,82
|
|
максимум
|
0,87
|
-
|
-
|
0,86
|
0,845
|
0,845
|
0,830
|
0,82
|
0,84
|
|
API минимум
|
30
|
-
|
Н/у
|
33
|
36
|
36-40
|
-
|
41,1
|
37,0
|
|
Содержание
серы,
ppm
|
500
|
50
|
15
|
15
|
350
|
50
|
30
|
10
|
5-10
|
|
Цетановый
индекс
|
40
|
-
|
Н/у
|
-
|
-
|
-
|
-
|
50
|
>52
|
|
Цетановое
число
|
-
|
-
|
на
|
48
|
51
|
53
|
54-58
|
ns
|
55
|
|
Содержание
ароматических углеводородов, макс.:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
общее
|
35%
об.
|
-
|
Н/у
|
10%
мас.
|
-
|
-
|
-
|
5%
об.
|
15%
об.
|
|
полициклических
|
-
|
-
|
-
|
1,4%
мас.
|
11%
мас.
|
1-6%
мас.
|
1-4%
мас.
|
0,02%
об.
|
2%
об.
|
|
Фракционный
состав, °С:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т90
макс., °С
|
338
|
-
|
Н/у
|
321
|
-
|
-
|
-
|
285
|
320
|
|
Т95
макс., °С
|
366
|
-
|
-
|
-
|
360
|
340-360
|
340-350
|
300
|
340
|
|
Т
конца кипения, макс., °С
|
-
|
-
|
-
|
348
|
-
|
-
|
-
|
-
|
350
|
Для сравнения требований к качеству дизельного
топлива за рубежом в таблице 2.5 приведены требования к качеству дизельных
топлив.
Таблица 2.5. Требования ТУ 38.401-58-296-01 к
качеству дизельных топлив
|
Показатель
|
Единицы
|
Пределы
|
|
|
минимум
|
максимум
|
|
1.
Цетановое число
|
|
51,0
|
-
|
|
2.
Цетановый индекс
|
|
46,0
|
-
|
|
3.
Плотность при 150 °С
|
кг/м3
|
820
|
845
|
|
4.
Полициклические ароматические
|
%
масс.
|
|
11
|
|
углеводороды
|
|
|
|
|
5.
Содержание серы
|
мг/кг
|
-
|
350
|
|
6.
Температура вспышки
|
°С
|
Выше
55
|
-
|
|
7.
Коксовый остаток (10%-го остатка разгонки)
|
|
|
|
|
%
масс.
|
|
0
30
|
|
8.
Зольность
|
%
масс.
|
-
|
0,01
|
|
9.
Содержание воды
|
мг/кг
|
-
|
200
|
|
10.
Общее загрязнение.
|
мг/кг
|
-
|
24
|
Оценка
|
Класс
1
|
|
12.
Окислительная стабильность
|
г/м3
|
-
|
25
|
|
13.
Смазывающая способность,
|
|
|
|
|
скорректированный
диаметр пятна
|
мкм
|
-
|
460
|
|
износа
(WS 1,4) при 60 °С
|
|
|
|
|
14.
Вязкость при 40 °С
|
мм2/с
|
2,00
|
4,50
|
|
15.
Фракционный состав
|
%об.
|
|
|
|
%
об. перегоняется до 250 °С
|
|
|
<65
|
|
%
об. перегоняется до 350 °С
|
|
85
|
|
|
95%
об. перегоняется при
|
°С
|
|
360
|
Экологически чистое дизельное топливо выпускают
по ТУ 38.1011348-89. Технические условия предусматривают выпуск двух марок
летнего (ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ) и одной марки зимнего (ДЗЭЧ) дизельного топлива с
содержанием серы до 0,05 % (вид I)
и до 0,1 % (вид II).
С учетом ужесточающихся требований по содержанию
ароматических углеводородов введена норма по этому показателю: для топлива
марки ДЛЭЧ-В - не более 20 %, для топлива марки ДЗЭЧ - не более 10 %.
Экологически чистые топлива вырабатывают гидроочисткой дизельного топлива,
допускается использование в сырье гидроочистки дистиллятных фракций вторичных
процессов.
Городское дизельное топливо (ТУ
38.401-58-170-96) предназначено для использования в г. Москве. Основное отличие
городского дизельного топлива от экологически чистого - улучшенное качество
благодаря использованию присадок (летом - антидымной, зимой -- антидымной и
депрессорной).
Таблица 2.6. Характеристики экологически чистого
дизельного топлива (ТУ 38.1011348-90)
|
Показатели
|
Нормы
дня марок
|
|
ДЛЭЧ-В
|
ДЛЭЧ
|
ДЗЭЧ
|
|
Цетановое
число, не менее
|
45
|
45
|
45
|
|
Фракционный
состав: перегоняется при температуре, °С, не выше: 50% 96 % (конец
перегонки)
|
280
360
|
280
360
|
280
340
|
|
Кинематическая
вязкость при 20 °С, мм2 /с
|
3,0-6,0
|
3,0-6,0
|
1,8-5,0
|
|
Температура,
°С, не выше: застывания предельной фильтруемости
|
-10
-5
|
-10
-5
|
-35
-25
|
|
Температура
вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже: для тепловозных и судовых дизелей и
газовых турбин для дизелей общего назначения
|
62
40
|
62
40
|
40
35
|
|
Массовая
доля серы, %, не более, в топливе: вида I
вида II
|
0,05
0,1
|
0,05
0,1
|
0,05
0,1
|
|
Испытание
камедной пластинке
|
Выдерживает
|
|
Кислотность,
мг КОН/100 см3 топлива, не более
|
5,0
|
5,0
|
5,0
|
|
Зольность,
%, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
Коксуемость
1 0%-ного остатка, %, не более
|
0,2
|
0,2
|
0,2
|
|
Цвет,
ед. ЦНТ, не более
|
2,0
|
2,0
|
2,0
|
|
Содержание
механических примесей и воды
|
Отсутствие
|
|
Плотность
при 20 °С, кг/м3, не более
|
860
|
860
|
840
|
|
Содержание
ароматических углеводородов, %, не более
|
20
|
-
|
10
|
Таблица 2.7. Характеристики дизельного топлива с
улучшенными экологическими свойствами (городского) по ТУ 38.401-58-170-96
|
Показатели
|
Нормы
для марок
|
|
ДЭК-Л
|
ДЭК-З
|
ДЭКп-Л
|
ДЭКп-3,
минус 150С
|
ДЭКп-3,
минус 200С
|
|
Цетановое
число, не менее
|
49
|
45
|
49
|
45
|
45
|
|
Фракционный
состав: перегоняется при температуре, °С, не выше:
|
|
|
|
|
|
|
50%
|
280
|
280
|
280
|
280
|
280
|
|
96%
(конец перегонки)
|
360
|
340
|
360
|
360
|
360
|
|
Кинематическая
вязкость при 20 °С, мм2/с
|
3,0-6,0
|
1,8-5,0
|
3,0-6,0
|
1,8-6,0
|
1,8-6,0
|
|
Температура,
°С, не выше: застывания
|
-10
|
-35
|
-10
|
-25
|
-35
|
|
предельной
фильтруемое
|
-5
|
-25
|
-5
|
-15
|
-25
|
|
Температура
вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С, не ниже:
|
|
|
|
|
|
|
для
тепловозных и судовых
|
|
|
|
|
|
|
дизелей
и газовых турбин
|
62
|
40
|
62
|
40
|
40
|
|
для
дизелей общего назначение
|
40
|
35
|
40
|
35
|
35
|
|
Массовая
доля серы, %, не более, в топливе:
|
|
|
|
|
|
|
вида
I
|
0,05
|
0,05
|
0,05
|
0,05
|
0,05
|
|
вида
II
|
0,10
|
0,10
|
0,10
|
0,10
|
0,10
|
|
Массовая
доля меркаптановой
|
|
|
|
|
|
|
серы,
%, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
Кислотность,
мг КОН/100 см3 топлива, не более
|
5,0
|
5,0
|
5,0
|
5.0
|
5,0
|
|
Йодное
число, г I2/100
г топлива
|
5,0
|
5,0
|
5,0
|
5,0
|
5,0
|
|
Зольность,
%, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,04
|
0,04
|
0,04
|
|
Коксуемость
10 %-ного остатка, %, не более
|
0,3
|
0,3
|
0,3
|
0,3
|
0,3
|
|
Коэффициент
фильтруемости (до введения присадки в топливо), не более
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
|
Цвет,
ед. ЦНТ, не более
|
2,0
|
2,0
|
2,0
|
2,0
|
2,0
|
|
Плотность
при 20°С, кг/м3, не более
|
860
|
860
|
860
|
860
|
860
|
|
Примечание.
Для дизельных топлив всех марок: содержание сероводорода, водорасворимых
кислот и щелочей, механических примесей и воды - отсутствие; испытание на
медной пластинке - выдерживают.
|
Добавка присадок в городское дизельное топливо
снижает дымность и токсичность отработавших газов дизелей на 30-50 %. В качестве
антидымной присадки могут быть использованы отечественная ЭФАП-Б и зарубежная
Любризол 8288, допущенные к применению. Активным веществом этих продуктов
является барий. Депрессорные присадки, улучшающие низкотемпературные свойства
топлива представляют собой, в основном, сополимеры этилена с винилацетатом
зарубежного производства. Европейский стандарт EN
590 действует в странах Европейского экономического сообщества с 1996 г.
Стандарт предусматривает выпуск дизельных топлив для различных климатических регионов.
Общими для дизельных топлив являются требования по температуре вспышки - не
ниже 55 °С, коксуемости 10 %-ного остатка - не более 0,30 %, зольности - не
более 0,01 %, содержанию воды - не более 200 ppm,
механических примесей - не более 24 ppm,
коррозии медной пластинки - класс 1, устойчивости к окислению - не более 25 г
осадка/м3. Для районов с умеренным климатом изготовляют 6 марок
дизельного топлива: А, В, С, D,
Е и F с предельной
температурой фильтруемости +5, 0, -5, -10, -15 и -20 °С соответственно. В 1996
г. в Европе введены ограничения на содержание серы в дизельных топливах - не
более 0,05 %. Таким требованиям отвечают отечественные ТУ 38.1011348-89.
Зимние дизельные топлива с депрессорными
присадками. С 1981 г. вырабатывают зимнее дизельное топливо марки ДЗп по ТУ
38.101889- 81. Получают его на базе летнего дизельного топлива с tп
= -5 °С. Добавка сотых долей присадки обеспечивает снижение предельной
температуры фильтруемости до -15 °С, температуры застывания до -30 °С и
позволяет использовать летнее дизельное топливо в зимний период времени при
температуре до -15 °С [30]. Для применения в районах с холодным климатом при
температурах -25 и -45 °С вырабатывают топлива по ТУ 38.401-58-36-92. Согласно
техническим условиям получают две марки топлива: ДЗп-15/-25 (базовое дизельное
топливо с температурой помутнения -15 °С, товарное - с предельной температурой
фильтруемости -25 °С) и арктическое дизельное топливо ДАп-35/-45 (базовое
топливо с температурой помутнения -35 °С, товарное - с предельной температурой
фильтруемости -45 °С) [30].
Таблица 2.8. Характеристики зимних дизельных
топлив с депрессорными присадками
|
Показатели
|
Нормы
для марок
|
|
ДЗп
|
ДЗП-15/-25
|
ДАП-35/-45
|
|
ТУ
38.101889-81
|
ТУ
38.401-58-36-92
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Цетановое
число, не менее
|
45
|
45
|
40
|
|
Фракционный
состав:
|
|
|
|
|
перегоняется
при температуре, °С, не выше:
|
|
|
|
|
50%
|
280
|
280
|
280
|
|
90%
(конец перегонки)
|
360
|
360
|
340
|
|
Кинематическая
вязкость для дизелей общего
|
3,0-6,0
|
1,8-6,0
|
1,5-5,0
|
|
назначения
при 20 °С, мм7с
|
|
|
|
|
Температура,
°С, не выше:
|
|
|
|
|
застывания
|
-30
|
-35
|
-55
|
|
помутнения
|
-5
|
-15
|
-35
|
|
предельной
фильтруемое
|
-15
|
-25
|
-45
|
|
Температура
вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже:
|
|
|
|
|
для
дизелей общего назначения
|
40
|
40
|
35
|
|
для
тепловозных и судовых дизелей
|
62
|
35
|
30
|
|
Массовая
доля серы, %, не более, в топливе:
|
|
|
|
|
вида
I
|
0,2
|
0,2
|
0,2
|
|
вида
II
|
0,5
|
0,5
|
0,4
|
|
Массовая
доля меркаптановой серы, %, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
Концентрация
фактических смол, мг/100 см3 базового
|
40
|
-
|
-
|
|
топлива,
не более
|
|
|
|
|
Кислотность,
мг КОН/100 см3 топлива, не более
|
5
|
5
|
5
|
|
Йодное
число, г у 100 г топлива, не более
|
6
|
5
|
5
|
|
Зольность,
%, не более
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
Коксуемость
10 %-ного остатка, %, не более
|
0,3
|
0,2
|
0,2
|
|
Коэффициент
фильтруемое, не более:
|
|
|
|
|
для
базового топлива
|
2,0
|
-
|
-
|
|
для
топлива с присадкой
|
3,0
|
3,0
|
3,0
|
|
Плотность
при 20 °С, кг/м3, не более
|
860
|
860
|
840
|
|
Цвет,
ед. ЦНТ, не более
|
2,0
|
2,0
|
2,0
|
|
Примечание.
Для топлив всех марок: содержание сероводорода, водорасворимых кислот и
щелочей, механических примесей и воды - отсутствие; испытание на медной пластинке
- выдерживают.
|
2.2 Низкотемпературные свойства дизельных топлив
К низкотемпературным характеристикам топлива
относят температуры его помутнения и начала кристаллизации. В состав дизельного
топлива входят парафиновые углеводороды, которые при понижении температуры в
первую очередь начинают переходить в твердое состояние.
Нижний температурный предел возможного
применения топлива характеризуется температурой помутнения, при которой
нарушаются его фазовая однородность и прозрачность, появляются мелкие
кристаллики, хлопья. При помутнении топливо не теряет текучести, но размеры
микрокристалликов не позволяют им проходить через фильтры тонкой очистки, в
результате чего подача топлива прекращается.
Температура начала кристаллизации обычно на 10 0С
ниже температуры помутнения. Кристаллизация сопровождается потерей подвижности
топлива, что затрудняет его использование в двигателе и перекачивание из одного
резервуара в другой.
Температура застывания последняя определяет
условия складского хранения топлива - условия применения топлива, хотя в
практике известны случаи использования топлив при температурах, приближающихся
к температуре застывания. Для большинства дизельных топлив разница между Tп
и Tз составляет 5-7
°С. В том случае, если дизельное топливо не содержит депрессорных присадок,
равна или на 1-2 °С ниже Tп.
Для топлив, содержащих депрессорные присадки на 10 °С и более ниже Tп
[31].
Еще совсем недавно казалось, что
низкотемпературные свойства дизельного топлива в достаточной мере
характеризуются двумя параметрами - температурой помутнения и температурой
застывания, однако с эксплуатационной точки зрения эта характеристика топлива
явно необъективна. При перекачке топлива под давлением кристаллическая
структура парафинов механически разрушается, и топливо может приобрести
свойства текучести при температурах ниже температуры застывания. Например,
дизельное топливо с температурой застывания минус 30 °С в определенных условиях
прокачивалось при минус 50°С. Сейчас в стандарты многих стран введен еще один параметр
- предельная температура фильтруемости ПТФ (табл. 2.9) и разработана методика
ее определения [32]. Для стран, входящих в НАТО, разработана единая военная
спецификация на дизельные топлива, в которой для оценки низкотемпературных
свойств предусмотрена только предельная температура фильтруемости [33]. Эта
температура демонстрирует способность топлива протекать через стандартный
фильтрующий элемент при точно оговоренных условиях. Она в большей степени
характеризует низкотемпературные свойства топлив применительно к реальным
условиям его использования и особенно удобна при сравнении различных партий
топлива, а также сравнении способности присадок изменять форму и размеры
кристаллов парафина.
Возвратное топливо, сливаемое в бак, при
рациональном размещении сливной и заборной трубок способствует подаче к фильтру
подогретого топлива. Но при очень низких температурах этого может оказаться
недостаточно для растворения образовавшихся кристаллов парафина. Уместно также
напомнить, что образовавшиеся при некоторой температуре кристаллы растворяются
при гораздо более высокой температуре: «мягкий» парафин плавится при 42...45
°С, «твердый» - при 54...57 °С, а «озокерит»- при 78...80 °С. Кроме того, при
запуске двигателя в бак сливается, естественно, холодное топливо.
Таблица 2.9. Значения предельной температуры
фильтруемости
|
Страна,
район
|
Предельная
температура фильтруемости, 0С
|
|
Западная
Франция Восточная Франтам Испания, Италия Австрия, Венгрия, Румыния Бельгия
Швейцария Германия Польша Южная Швеция, Норвегия Финляндия Северная Швеция
|
-6
-15 -9 -15 -15 -17 -21 -23 -28 -25 -35
|
В дизельных топливах содержится довольно много
углеводородов с высокой температурой плавления. Для всех классов углеводородов
справедлива закономерность: с ростом молекулярной массы, а следовательно, и
температуры кипения повышается температура плавления углеводородов. Однако
весьма сильное влияние на температуру плавления оказывает строение
углеводорода. Углеводороды одинаковой молекулярной массы, но различного
строения могут иметь значения температур плавления в широких пределах. Наиболее
высокие температуры плавления имеют парафиновые углеводороды с длинной
неразветвленной цепью углеводородных атомов. Ароматические и нафтеновые
углеводороды плавятся при низких температурах (кроме бензола, н-ксилола),
однако эти углеводороды, но с длинной неразветвленной боковой цепью, плавятся
при более высоких температурах. По мере разветвления цепи парафинового
углеводорода или боковой парафиновой цепи, присоединенной к ароматическим или
нафтеновым кольцам, температура плавления углеводородов снижается.
Исследования показали, что при охлаждении
дизельных топлив в первую очередь выпадают парафиновые углеводороды нормального
строения. При этом температура помутнения топлива не зависит от суммарного
содержания в нем н-парафиновых углеводородов.
Таблица 2.10. Плотность отечественных дизельных
топлив
|
Плотность
при 20 °С, кг/м3
|
Марка
топлива
|
|
летнее
|
зимнее
|
арктическое
|
|
Фактические
значения Наиболее типичные значения
|
802-875
830-850
|
792-847
800-830
|
790-830
800-820
|
Таблица 2.11. Характеристики дизельных топлив с
различными низкотемпературными свойствами*
|
Показатели
|
Фракции,
°С
|
|
160-280
|
160-320
|
160-350
|
160-370
|
160-390
|
180-350
|
180-370
|
|
Выход
на нефть, % (мас. доля)
|
30,5
|
35,9
|
39,2
|
42,0
|
32,2
|
35,5
|
|
Фракционный
состав: начало кипения, °С
|
188
|
190
|
192
|
194
|
197
|
210
|
211
|
|
перегоняется
при температуре, °С:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10%
(об. доля)
|
198
|
201
|
203
|
205
|
211
|
228
|
227
|
|
50%
(об. доля)
|
226
|
245
|
258
|
265
|
274
|
272
|
275
|
|
90
% (об. доля)
|
260
|
295
|
320
|
336
|
354
|
327
|
340
|
|
96
% (об. доля)
|
267
|
305
|
330
|
346
|
358
|
337
|
345
|
|
98
% (об. доля)
|
273
|
306
|
332
|
347
|
362
|
338
|
347
|
|
Плотность
при 20 °С, кг/м3
|
823
|
832
|
837
|
841
|
844
|
842
|
846
|
|
Кинематическая
вязкость, при 20 °С, мм2/с
|
2,47
|
3,02
|
3,77
|
4,31
|
4,73
|
4,35
|
5,06
|
|
Температура,
°С:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
застывания
|
-47
|
-35
|
-30
|
-19
|
-13
|
-22
|
-14
|
|
помутнения
|
-38
|
-28
|
.-17
|
-11
|
-6
|
-13
|
-50
|
|
Топливо
|
3
|
3
|
Л
|
Л
|
Л
|
Л
|
Л
|
|
(-45
°С)
|
(-35
°С)
|
|
|
|
|
|
|
*
Данные получены при разгонке на приборе АРН нефти трубопровода «Дружба».
|
Для обеспечения требуемых температур помутнения
и застывания зимние топлива получают облегчением фракционного состава. Так, для
получения дизельного топлива с t3
= -35 °С и tп
= -25 °С требуется понизить температуру конца кипения топлива с 360 до 320 °С,
а для топлива с t3
=
-45 °С и tn
= -35 °С - до 280 °С, что приводит к снижению отбора дизельного топлива от
нефти с 42 до 30,5 и 22,4 % соответственно.
В настоящее время в стандарт на дизельные
топлива (ГОСТ 305-82) введены только два показателя, характеризующие
низкотемпературные свойства дизельных топлив - температура застывания Тз
и температура помутнения Тп. Показатель -- предельная температура
фильтруемости Тф, как характеризующий низкотемпературные свойства
дизельных топлив, включен пока лишь в ТУ 38.101889-81 на топливо дизельное
летнее с депрессорной присадкой для районов умеренной климатической зоны. По
ГОСТ 305-82 для топлива без депрессора низкотемпературные свойства
регламентируют по tЗ
и tП.
Разность не должна превышать 10 °С.
2.3 Процесс кристаллизации н-парафинов и методы
улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива
Сложность разработки эффективной системы защиты
топливной аппаратуры дизелей от парафинов заключается, в первую очередь, в
разнообразии группового состава дизельного топлива, который всецело зависит от
химического состава исходной нефти и способов её переработки. Групповой состав
топлива определяется группами (классами) входящих в них углеводородов. В обдам
случае в состав топлив входят все основные группы углеводородов, присутствующие
а нефти (алканы, цикланы, ароматические углеводороды), а также непредельные
углеводороды (олефеины и диолефеины), которые образуются при переработке нефти.
При понижении температуры выделяющаяся из
топлива твердая фаза представляет собой сложную смесь, в состав которой входят
преимущественно углеводороды парафинового ряда (н-алканы и изоалканы),
различающиеся структурой и молекулярной массой. Кроме того, твердая фаза может
включать нафтеновые углеводороды от 1 до 3 колец в молекуле и имеющие длинные
боковые цепи как нормального, так и изостроения, а также ароматические
углеводороды с разным чистом колец в молекуле, разной длиной и структурой
боковых цепей [34], т.е. выпадающая в топливе при низких температурах твердая
фаза не менее сложна, чем структура самого топлива.
Физико-химические свойства парафиновых
углеводородов, соответствующих по температурам плавления дизельным топливам
(табл. 2.12.) зависят от строения углеводородов и их молекулярной массы. Так,
для н-алканов с усложнением структуры молекул, а следовательно, с увеличением
молекулярной массы, температура кипения tкип
и плавления tпл
углеводородов повышается. Например, для н-декана (С10Н22)
температуры tкип
= 174,1 и tпл
= -29°С, а для н-генейкозана (С21Н44) tкип
= 358,4 и tпл
= +40°С. Однако для других типов температуры плавления углеводородов одной и
той же молекулярной массой в зависимости от строения колеблются в очень широких
пределах; в ряде случаев температура плавления высокомолекулярныx углеводородов
ниже, чем низкомолекулярных, что указывает на зависимость температуры плавления
углеводородов от поляризуемости и симметричности их молекул [35]. Углеводороды
с несимметричной разветвленной структурой характеризуются низкой температурой
кристаллизации, а в некоторых случаях вообще не способны кристаллизоваться.
Симметричность молекул и простота их строения способствуют образованию
кристаллических структур и повышению температуры плавления углеводородов, т.к.
чем больше симметрична молекула, тем больше имеется способов построить из нее
кристаллическую решетку. При этом правило молекулярной массы может быть
отдалено правилом симметрии.
Таблица 2.12. Физико-химические свойства
парафиновых углеводородов [36,37]
|
Углеводороды
|
Температура
плавления, 0С
|
Температура
кипения, 0С
|
Молекулярный
вес
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
н-генейкозан
н-эйкозан н-нонадекан н-октадекан н-гептадекан 5-бутилдокозан
2-метилнонадекан
|
40
36,8 32 28,18 21,98 20,8 18,3
|
358,4
342,7 330 317,4 302,7 267 341
|
296,57
282,56 268,53 254,5 240,45
|
|
н-гексадекан
7-гексилэйкозан н-пентадекан 5-бутилэйкозан 4-пропилнонадекан 5-тетрадекан
2-метилгептадекан 7-бутилдокозан 9-бутилдокозан 11 -бутилдокозан н-тридекан
метилпентадекан 2,11-диметилдодекан н-додекан 8-окмилгептадекан
6,11-диамилгексадекан 8-метилпентадекан 4-ундекан 9-гептилгептадекан н-декан
|
18,5
10,2 9,93 8 6,5 5,86 5 3,2 1,3 0 -5,2 -8 -8,5 -9,6 -13,6 -16,2 -22,3 -25,65
-27 -29,7
|
286,79
266 270,6 240 231 253,5 313 266 265 266 235,4 173 244 216,3 256 254 267 195,9
233 174,1
|
226,45
212,42 198,4 184,36 170,33 156,31 142,29
|
Фотографирование процесса парафинизации летнего
дизельного топлива с 140-кратньм увеличением в диапазоне температур -4...-15°С
на микроскопе «Биолам» показало [38], что процесс кристаллизации начинается при
температуре -4°С с выделением отдельных зародышей кристаллов, которые удалены
друг от друга не значительное расстояние. В диапазоне температур -4…-7°С, т.е.
при температуре, определяющей помутнение дизельного топлива, происходит
интенсивный рост кристаллов, образование новых кристаллических образований,
сближение их друг с другом, однако кристаллы парафинов находятся в подвижном
состоянии, т.к. между ними еще находится жидкое топливо. При температуре -8, -9
и особенно -10°С отдельные кристаллы парафина начинают уплотняться, образуя
кристаллическую решетку, которая заполняет весь объем дизельного топлива. При
температурах -11...-13°С, которые близки к температуре застывания топлива,
кристаллы парафинов плотно укладываются в кристаллическую решетку, в результате
чего дизельное топливо теряет подвижность и при таких температурах невозможно
обеспечить его подачу к насосу высокого давления. Дальнейшее снижение
температура топлива до -15°С приводит к уплотнению кристаллической решетки,
дизельное топливо полностью застывает, запуск и эксплуатация дизелей становятся
невозможном без специальных подогревателей, обеспечивающих разогрев топлива и
его пропуск через фильтры грубой и тонкой очистки.
Анализ температур плавления углеводородов
дизельного топлива показывает, что процесс парафинизации происходит непрерывно,
т.е. при понижении температуры плавления происходит последовательное
отвердевание углеводородов при достижении температуры их плавления и насыщение
топлива кристаллами парафинов. При этом с понижением температуры в первую
очередь выпадают высокоплавкие углеводороды, на кристаллической решетке которых
последовательно кристаллизуются углеводороды с более низкой температурой
плавления, содержащие меньшее число атомов в молекуле [39].
Для экспериментальной проверки данного
предположения на спектрофотометре СФ-26 были сняты коэффициенты пропускания для
летнего дизельного топлива (ГОСТ 305-82) в области спектра от 700 до 1000 нм.
При этом в монохрометрический поток излучения поочередно вводился контрольный
образец (топлива при температуре от +20°С) и измерямые образцы (топливо с
температурой от -20°С). При введении контрольного образца значение светового
потока принималось за 100% пропускания. При введении измеряемого образа
показание измерительного прибора соответствовало величине коэффициента
пропускания в %.
Измерение температур контрольного и измеряемого
образцов проводилось терморезисторами и цифровым вольт-килоомметром ВК2-6.
При понижении температуры контрольного образца
дизельного топлива от +20°С до -4°С (λ = 700 нм)
и до -8°С (λ = 1000 нм) происходит
(рис. 2.4) постепенное уменьшение коэффициента пропускания с Т = 100 до Т1
= 80%, т.е. происходит постепенное отвердевание углеводородов и образование
очагов последующей кристаллизации. Дальнейшее понижение температуры
контрольного образца приводит к резкому падению коэффициента пропускание с Т' =
80% до Т' = 5%, т.е. происходит интенсивный рост кристаллов парафинов. При этом
наблюдается смещение линий коэффициента пропускание в сторону отрицательных
температур при увеличении длины волны пропускаемого света. Коэффициент
пропускания Т = 0% соответствует температуре застывания топлива и для λ
= 700 нм
равен -13°С, а для λ = 1000 нм
соответствует -16°С.
Рис. 2.4. Зависимость коэффициента пропускания
от температуры дизельного топлива
Таким образом, наши исследований показали, что процесс
образования парафинов в дизельном топливе протекает в две стадии: медленной в
диапазоне температур с положительных до -4...-8°С, когда начинают
образовываться первые очаги кристаллизации преимущественно из высокоплавких
углеводородов; и быстрой в диапазоне от температуры помутнения до температур
застывания, когда процесс кристаллизации имеет почти лавинообразный характер
при разных длинах волн спектра пропускания.
Например, при охлаждении дизельного топлива до
температуры помутнения в нем образуются кристаллические зародыши размером от 20
до 50 мкм в летних топливах и до 20 мкм в зимних [32]. При дальнейшем понижении
температуры на 3...5 0С в малосернистых парафинистых топливах
размеры образовавшихся кристаллических структур достигают 110...130 мкм рис .
2.5.
Рис. 2.5. Развитие кристаллической структуры
дизельных топлив:
- гидроочищенное tп =-1 0С,
tз=-15 0С; 2 - гидроочищенное tп=-1 0С,
tз=- 13 0С; 3 - прямогон-ное (сера 1.1 %) tп=-5
0С, tз=-11 0С; 4 - прямогонное (сера 0.9 %) tп=-3
0С, tз=-17 0С
Хотя при помутнении топливо не теряет своей
текучести, размеры микрокристаллов не позволяют проходить через фильтры тонкой
очистки, в результате чего подача топлива прекращается. Прокачиваемость
дизельных топлив при низких температурах оценивается по ГОСТ 22254-76.
Выделяющиеся из топлива кристаллы высокоплавких углеводородов (в основном
парафиновых) в начальный период мало различаются по размерам. Скорость их роста
зависит от скорости охлаждения топлива, интенсивности его перемешивания,
вязкости и наличия в нем поверхностно-активных веществ [40]. Разность между
температурами начала кристаллизации и застывания у дизельных топлив не
постоянна и зависит от количества парафиновых углеводородов и температуры их
плавления.
Температуру застывания принято считать нижней
границей работоспособности топливоподающей системы дизелей, т.к. при этой
температуре топливо теряет подвижность. Это объясняется тем, что микрокристаллы
парафиновых углеводородов срастаются и образуют пространственную
кристаллическую решетку. Для большинства дизельных топлив разница между
температурами застывания по ГОСТ 8513-57 и помутнения по ГОСТ 5060-56
составляет 5...10 0С.
Для обеспечения требуемых температур помутнения
и застывания дизельное топливо марки "З" получают, в соответствии с
ГОСТ 305-82, в основном (до 88 % от всего производства) облегчением
фракционного состава от 360 0С до 320 0С. Однако
производство дизельных топлив рассчитанных на низкие температуры не выгодно
[41] см. таблицу 2.13.
Таблица 2.13. Выход дизельного топлива из нефти
в зависимости от температуры застывания
|
Показатель
|
температура
застывания К ,(0С)
|
|
263
(-10)
|
248
(-25)
|
238
(-35)
|
228
(-45)
|
218
(-55)
|
|
выход
топлива, %
|
29.7
|
25.5
|
21.2
|
17.5
|
14.4
|
|
затраты,
%
|
100
|
103
|
106
|
110
|
115
|
Рост парка автотракторной техники опережает рост
добычи нефти. Это ведет к увеличивающемуся дефициту стандартных моторных
топлив, особенно дизельных. Возникшую диспропорцию между производством и
увеличением потребности в моторных топливах пытаются снизить путем утяжеления
фракционного состава и вторичной переработки нефти. Однако эти способы ухудшают
низкотемпературные свойства дизельных топлив, которые характеризуют его
подвижность при отрицательных температурах. Таким образом, возникла еще одна
составляющая “загрязнения” дизельного топлива. При низких температурах может
образоваться такое количество кристаллов н-парафинов, что топливо превращается
в желеобразную массу, которая закупоривает не только фильтр, но и всю систему
топливоподачи. Выделяющаяся из топлива твердая фаза представляет собой
высокоплавкие углеводороды, преимущественно парафинового ряда, а также
ароматические и нафтеновые углеводороды с длинными боковыми цепями.
Выявлено, что даже небольшое количество
нормальных парафиновых углеводородов (до 3% мас.) заметно влияет на повышение
температуры помутнения топлива. При дальнейшем увеличении концентрации
парафинов рост температуры помутнения не столь значителен. Содержание парафинов
в топливе до 1% практически не сказывается на величине температуры застывания.
Такого количества парафинов недостаточно для образования в топливе связанной
кристаллической структуры. В этом случае наблюдается типичное
"вязкостное" застывание топлива. При введении в топливо н-парафинов
до 10-15 % температура застывания топлива резко повышается, а при дальнейшем
увеличении концентрации парафинов рост ее становится менее значительным [22].
Величина температур застывания и помутнения и
разность между ними в основном зависит от общего содержания парафинов, а также
от их состава и растворимости в топливе. В (табл.2.14) приведены температуры
начала кристаллизации и застывания дизельных топлив различного химического
состава [22]. Как видно из данных таблицы, разность между значениями этих
показателей колеблется в очень широких пределах.
Таблица 2.14. Низкотемпературные характеристики
топлив различного происхождения
|
Дизельное
топливо
|
Температура,
0С
|
Содержание,
% масс.
|
|
Начало
кристаллизации
|
Застывание
|
Разность
|
серы
|
ароматических
углеводородов
|
Н-парафиновых
углеводородов
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
Из
грозненской нефти Из ишимбайской нефти Из краснокамской нефти Из сураханской
нефти
|
-2
0 -5 4
|
-6
-5 -14 -7
|
4
5 9 11
|
--
2.05 1.0 --
|
14.0
34.0 21.3 15.0
|
45.0
35.0 30.0 25.0
|
|
Новокуйбышевского
НПЗ Л Рязанского НПЗ (обр.1) То же (обр.2)
|
-4
-5 -2
|
-19
-13 -15
|
15
8 13
|
1.25
1.1 0.1
|
36.6
37.1 28.0
|
48.5
34.0 35.0
|
Чтобы выдержать требуемую температуру
застывания, обычно стремятся либо готовить дизельное топливо из
малопарафинистых сортов нефти, дающих дистилляты с достаточно низкими
температурами застывания, либо понижают конец кипения дизельного топлива, чтобы
уменьшить содержание концевых фракций с наиболее высокими температурами
застывания. Однако такие пути улучшения низкотемпературных свойств топлив
значительно снижают их ресурсы.
Подавляющее большинство промышленных процессов
депарафини-зации основано на свойстве
парафинов снижать при охлаждении растворимость в различных растворителях, в том
числе, и в нефтяных продуктах, выделяясь при этом из раствора в виде
кристаллических образований, которые отделяют от раствора в большинстве случаев
либо фильтрацией, либо центрифугированием. Такой метод называют депарафинизация
кристаллизацией.
Другим свойством парафина, используемым при
депарафинизации, является его способность образовывать с некоторыми веществами
твердые комплексы, не растворимые в нефтяных продуктах. В качестве веществ,
образующих с парафинами нерастворимые комплексы, в настоящее время применяется
карбамид (мочевина) и этот метод называется карбамидной депарафинизацией [20].
Однако удаление твердых углеводородов вышеизложенными методами уменьшает выход
дизельного топлива и приводит к снижению его цетанового числа, что ухудшает
воспламеняемость топлив [42]. Кроме того, при карбамидной депарафинизации
полное удаление высокомолекулярных углеводородов не достигается. При этом
требуемая температура застывания для зимних сортов топлива (-350С)
обеспечивается, но температура помутнения снижается только до -110С
[43]. Таким образом, при производстве зимних сортов топлив приходится прибегать
к компромиссу между двумя трудносовместимыми свойствами топлива: низкой
температурой помутнения и низкой температурой самовоспламенения.
Третий принцип депарафинизации исходит из
способности некоторых растворителей по разному растворять низкозастывающие и
высокозастывающие компоненты нефтяных продуктов, это позволяет извлекать
ннзкозастывающие компоненты экстрагированием такими растворителями. Данный
процесс получил название экстрадиционной депарафинизации.
Четвертый принцип. депарафинизации основан на
способности сорбентов избирательно адсорбировать из нефтяного сырья либо
застывающие, либо низкозастывающие его компоненты. Так активированный уголь
способен адсорбировать застывающие компоненты (парафины). Молекулярные сита из
цеолита типа MgA способен
селективно извлекать из топлива нормальные парафиновые углеводороды, выкипающие
в пределах 200...320°С [44].
Один из первых промышленных процессов выделения
н-парафинов из углеводородных смесей с помощью адсорбции на цеолитах (процесс молекс) разработан
фирмой «ЮОП» США [43] в 1959 году. Целевым продуктом этого процесса являются
н-парафины С10-С14, используемые в дальнейшем как
продукты синтеза биологически разлагаемых моющих средств.
Процесс молекс позволяет выделять н-парафины до
С22 концентрацией не менее 96% при степени извлечения н-парафинов из
керосино-газойлевых прямогонных гидроочищенных фракций, выкипающих до 3300С,
порядка 95…98%.
Фирме "Юнион Карбайд" - основной
поставщик синтетических цеолитов за рубежом - разработала процесс изосив для
депарафинизации бензиновых и керосиново-газойлевых фракций, содержащих
углеводороды вплоть до С22. Процесс изосив позволяет получить
н-парафины С4-С22 концентрацией до 99% при высокой
степени изелечения из сырья (до 97...98%) [45].
Для депарафинизации нефтепродуктов за рубежом
разработаны также процессы фирмы «Бритиш Петролеум», «Эссо Рисерч», вакуумный
процесс фирмы "Линда", процесс фирмы "Тексако" и др.
Начиная с 1953 года обширные исследования в
области разработки процессов выделения н-парафинов из нефтяных фракций на
цеолитах ведутся в ГрозНИИ [43].
Для парафинизации летних сортов топлива
применяют также метод каталитической обработки - процесс гидрокрекинга -
гидродеизомеризация [44], проводимый в одну ступень на сероустойчивом
катализаторе, содержащем галогены, или в две ступени - глубокая гидроочистка и
гидроизомеризация. В одноступенчатом процессе выход топлива с температурой
помутнения -25°С и застывания -35°С составляет 85%. Выход топлива при
двухступенчатой очистке составляет около 70%, но топливо обладает низкими
температурами помутнения -35°С и застывания -45°С.
При эксплуатации автотракторной техники, в
условиях низких температур окружающего воздуха, в случае отсутствия зимних
сортов топлива широко применяется разбавление бензином, керосином дизельных
топлив марки “Л”. Физическая суть этого способа - повышение растворимости и
снижения концентрации парафинов в топливе, приводящее к понижению температуры
его помутнения и застывания.
В соответствии с ГОСТ 18499-73 допускается
применение смеси летнего дизельного топлива и осветительного керосина,
(обеспечивающего более мягкую работу дизелей). Для практического применения
рекомендуется использовать: при температуре наружного воздуха до минус 20 °С -
смесь из 60 % дизельного летнего топлива и 40% осветительного керосина; при температуре
от минус 20 до минус 30 °С - смесь из 40 % дизельного топлива и 60% керосина.
Смесь из 50 % дизельного топлива и 50% керосина также обеспечивает нормальную
работу дизелей при температуре наружного воздуха до минус 37 °С [7].
При температуре воздуха от минус 20 до минус 30
°С к зимнему дизельному топливу следует добавлять 10 % керосина, а в диапазоне
температур от минус 30…35 °С - до 25 % осветительного керосина. Считается, что
добавление 25 % осветительного керосина снижает температуру застывания на
8...12 °С. Иногда в заводских инструкциях имеются указания на то, что добавлять
в дизельное топливо более 30 % керосина не следует из-за ухудшения пуска и
увеличения жесткости работы двигателя. Это указание справедливо по отношению к
тракторному керосину. Следует помнить, что вязкость смеси дизельного топлива с
керосином в большей степени снижается при низкой температуре и в меньшей - при
повышенной. При нагревании дизельного топлива от 0 до 80 °С вязкость снижается
на 25...30 %, а при нагревании его смесей с керосином в таких же пределах - на
15...25 %.
Концентрация бензина [20] в дизельном топливе
представлена в таблице 2.15.
Таблица 2.15. Изменение низкотемпературных
свойств дизельного топлива при добавлении бензина
|
Свойство
|
Стандарт
BS 2869
|
Содержание
бензина, %
|
|
|
0
|
10
|
20
|
50
|
|
Температура,
К (0С)
|
|
|
|
|
|
|
помутнения
|
-
|
270
(-3)
|
267
(-6)
|
265
(-8)
|
259
(-14)
|
|
CFPP
|
258
(-15)
|
263
(-10)
|
258
(-15)
|
254
(-19)
|
245
(-28)
|
|
вспышки
|
329
(56)
|
349
(76)
|
273
(0)
|
253
(-20)
|
229
(-44)
|
|
Вязкость,
сСт при 313 К (40 0С)
|
2.5...5.0
|
3.38
|
2.57
|
1.84
|
0.98
|
|
Плотность,
кг/м3, при 288 К (15 0С)
|
835...865
|
850
|
840
|
829
|
799
|
Однако, как видно из (табл.2.15), для достижения
ощутимого эффекта к топливу приходится добавлять большое количество
разбавителя, кроме того, это приводит к снижению топливной экономичности
дизеля, ухудшению смазочной способности топлива и увеличению задержки его
воспламенения. Последнее, в свою очередь при низких температурах может
способствовать эрозионному повреждению поршней двигателя.
В северных районах Западной Европы и в Канаде
совместно с дизельным топливом практикуется применение в зимнее время керосина
с добавлением моторного масла. Однако добавление тракторного керосина в
дизельное топливо вызывает повышенное нагарообразование и закоксовывание
распылителей форсунок, увеличение износа цилиндропоршневой группы, ведет к
ухудшению работы топливной аппаратуры и увеличению удельного расхода топлива.
Применение летнего дизельного топлива в условиях
низких температур возможно также путем его смешивания с авиационным топливом,
например, Т-1. Так при добавке 25% топлива Т-1 температура застывания летнего
дизельного топлива снижается на 8...12 0С, а температура помутнения
- на 2...3 0С [46].
Однако при смешивании высокозастывающего
дизельного топлива с низкозастывающим температуры начала помутнения и
застывания получаемых смесей не подчиняются правилу аддитивности, а их значения
(особенно температура начала помутнения), смещается в сторону
высокозастывающего компонента. Поэтому, чтобы достаточно сильно понизить
температуры помутнения и застывания дизельного топлива, необходимо добавлять
большое количество низкозастывающего компонента (до 80%).
Особенно нежелательно в эксплуатации смешивание
летнего и зимних сортов дизельных топлив, потому что при этом сильно ухудшаются
их эксплуатационные свойства не только из-за высоких температур помутнения и
застывания, но и из-за резкого увеличения вязкости при отрицательных
температурах. Смешанные топлива непригодны для работы при температуре ниже
минус 5 0С, даже в тех случаях, когда смесь содержит значительное
количество зимнего топлива. Например, если смешать летнее топливо с
температурой помутнения минус 9 0С с зимним топливом (температура
помутнения минус 31 0С), температура помутнения этой смеси может
повысится до -6...-8 0С [47].
Весьма перспективный способ улучшения
низкотемпературных свойств дизельного топлива - добавление
присадок-депрессаторов. Назначение депрессорных присадок -- снижение
температуры застывания (Т3) и предельной температуры фильтруемости
(ПТФ) дизельных топлив. В основном они применяются на НПЗ при выработке
стандартных топлив, но могут быть использованы и потребителем для улучшения
низкотемпературных свойств топлив, имеющихся в данный момент в распоряжении.
Последнее более безопасно, чем разбавление топлива керосином или бензином.
Заметим, что депрессоры не влияют на температуру помутнения топлив (Тп),
которая нормируется стандартами. Это значит, что депрессоры препятствуют не
возникновению кристаллов парафинов, а только их росту. При длительном хранении
топлив образовавшиеся мелкие кристаллы оседают, и в результате образуются два
слоя: верхний -- светлый и нижний -- мутный, обогащенный парафинами. Расслоение
топлив не может быть предотвращено добавками депрессоров.
Первая синтетическая депрессорная присадка для
масел "Paraflow",
полученная еще в 1931 г. находит широкое применение до настоящего времени.
После того, как было выяснено (в результате многочисленных испытаний в условиях
низких температур топлив с депрессорными присадками), что не температура
помутнения, а такие показатели, как температура текучести и прокачиваемости
топлива, предельная температура фильтруемости являются определяющими в решении
вопроса использования топлив при низких температурах, в СССР и за рубежом стали
интенсивно развиваться исследования по синтезу депрессорных присадок к
дизельным топливам. Такие присадки широко представлены на мировом рынке
известными зарубежными фирмами БАСФ, ХЕХСТ, ЭКСОН, ШЕЛЛ, ЛУБРИЗОЛ и др. Однако,
в России и других странах СНГ широкомасштабное промышленное производство
присадок к дизельным топливам до настоящего времени отсутствует, несмотря на
возрастающую потребность в них.
Многочисленные отечественные исследования,
проводимые, начиная с середины 70-х годов, по разработке присадок различного
функционального назначения к дизельным топливам в большинстве случаев не были
доведены до внедрения. Так, организации промышленного выпуска разработанных во
ВНИИ НП эффективных депрессоров на основе сополимеров этилена с винилацетатом
(типа ВЭС) помешали технологические трудности, возникающие при использовании
высокого давления (выше 150 МПа) и температур (выше 150°С).
Ассортимент депрессоров, допущенных в России к
применению в дизельных топливах, включает в себя четыре отечественных (считая
за одну присадку ВЭС-238 и ее модификацию Полипрен) и несколько зарубежных
присадок (табл. 2.16) [31].
Таблица 2.16. Перечень присадок-депрессоров
допущенных к применению в России
|
Присадка
|
Нормативный
документ
|
Разработчик
или фирма-постаыиик
|
|
Полипрен
ПДП Сандал-1 ЭДЕП-Т
|
ТУ
38.401675-87 ТУ 38.401-58-20-91 ТУ 38.1011369-92
|
ВНИИ
НП ВНИИ НП ЭлИНП, ТОО "Сандал" ЭлИНП
|
|
Dodiflow-3905 Dodiflow-4134
|
--
--
|
Hoehst Hoehst
|
|
Paraflow-430
|
--
|
Exxon Chem.
|
|
Keroflux-5486
|
ТУ
0257-00151742-004-
|
BASF
|
|
ECA-5920
|
93
|
Exxon
|
Присадки ВЭС-238 и Полипрен представляют собой
концентраты сополимера этилена с винилацетатом в ксилоле. По ряду причин,
связанных с технологическими трудностями, их производство не было организовано,
хотя по эффективности они были на уровне современных им зарубежных образцов.
ПДП - это раствор в дизельном топливе сополимера
полиалкилметакрилата получаемого из высших жирных спиртов, с винилацетатом. Его
производство было организовано в России и Беларуси, но в настоящее время он не
вырабатывается. Введение 0.1% присадки ПДП в топливо снижает температуру его
застывания на 15…30 °С, в зависимости от группового углеводородного состава
топлива и исходного значения Т3. Гораздо меньше влияние ПДП
оказывает на ПТФ топлива, что является недостатком, препятствующим его
использованию в дизельных топливах.
Сандал-1Б представляет собой низкотемпературный
отход производства сэвилена (сополимера этилена и винилацетата) высокого
давления. Это весьма эффективная присадка, но возможный объем ее производства
невелик и зависит от объема выработки основного продукта, а также от
совершенства технологии: при производстве стараются, чтобы отхода было как
можно меньше. Трудно выдержать и нормируемые показатели качества присадки. По
этой причине Сандал-1Б не нашел широкого распространения, а его использование
ограничивается отдельными поставками по прямым связям.
Влияние присадки Сандал-1Б на низкотемпературные
свойства дизельного топлива Л характеризуют следующие данные:
|
Концентрация
присадки, %
|
Тз,
|
ПТФ,
0С
|
|
Без
присадки -12 -3 0,2 -24 -9 0,25 -30 -15
|
ЭДЕП-Т представляет собой полиалкилакрилат,
получаемый путем радиационной полимеризации раствора эфиров метакриловой
кислоты и спиртов фракций С12-С20 в толуоле. Он
производится в АООТ ЭлИНП малыми партиями и поставляется по прямым связям.
Выработка этого депрессора ограничивается технологическими возможностями
изготовителя.
Keroflux-5486
представляет собой раствор модифицированного химическими агентами сополимера
этилена с виниловым эфиром карбоновой кислоты в ароматизированной фракции.
Сравнительная эффективность депрессоров в разных
образцах дизельных топлив (концентрация присадок во всех случаях -- 0,1%) может
быть представлена данными, полученными в ЭлИНП (табл. 2.17).
Приемистость топлив к депрессорам представляет
собой важную научно-техническую проблему. Она рассматривается исходя из
принципа действия депрессорных присадок, который, как мы отметили выше,
заключается во взаимодействии с кристаллами парафинов. Мы может выделить два
уровня этой проблемы: влияние фракционного и группового углеводородного состава
топлив и влияние физико-химических характеристик парафинов, содержащихся в
топливах.
Неоднократно отмечено, что дизельные топлива с
широкими пределами выкипания более восприимчивы к депрессорам, чем топлива
узкого фракционного состава.
Таблица 2.17. Сравнительная эффективность
депрессоров
|
Присадка
|
Тз,
0С
|
Тф,
0С
|
ПТФ,
0С
|
|
Дизельное
топливо, образец 1 (Ногинская нефтебаза) Без присадки -10 -2 -2 ЭДЕП-Т -27 -3
-2 ПДП -24 -3 -2 Дизельное топливо, образец 2 (Ярославнефтеоргсинтез) Без
присадки -16 -6 -7 ЭДЕП-Т -35 -7
-12 ПДП -34 -8 -12
|
На рис. 2.6 представлено влияние присадок ЭДЕП-Т
и ПДП на депрессию Т3 топлив расширенного (РФС) и узкого (УзФС)
фракционных составов (результаты ЭлИНП) [30].
Рис. 2.6. Депрессия T3
дизельных топлив расширенного (РФС) и узкого (УзФС) фракционного состава при
введении 0,1% присадок ЭДЕП-Т и ПДП
Что касается группового углеводородного состава
топлив, то его влияние на эффективность присадок разного строения также
различно. На основании данных, опубликованных Б.А. Энглиным, в общем случае
углеводороды могут быть расположены в следующий ряд по убыванию восприимчивости
к депрессорам: н-парафины > ароматические углеводороды > изопарафины и
нафтены. Это видно из рис. 1.7, где представлена депрессия температуры
застывания фракций, выделенных из летнего дизельного топлива, полученного из
Сахалинской и Урало-Волжской нефтей, при введении в них 0,1% присадки ВЭС-238
[48].
Рис. 1.7. Депрессия Т3 при введении
0,1% ВЭС-238 во фракции углеводородов, выделенные из летних дизельных топлив,
приготовленных из Сахалинской (а) и Урало-Волжской (б) нефтей:
- парфинонафтеновая фракция; 2 - ароматическая
фракция (моноциклические углеводороды); 3 - фракция би- и трициклических ароматических
углеводородов; 4 - фракция тетрациклических ароматических углеводородов; 5 -
изопарафинонафтеновая фракция
Следует отметить, хорошая восприимчивость
н-парафинов к депрессорам обусловлена механизмом действия этих присадок,
которые должны взаимодействовать с кристаллизующимися парафинами. Имеются
оптимальные содержания парафинов в топливе, при которых действие депрессоров
проявляется лучше всего. Если парафинов слишком много, то эффективность
присадок снижается. Влияние содержания парафиновых углеводородов на депрессию
температуры застывания содержащих их модельных смесей при введении 0,1%
присадки ПДП представлено на рис. 2.8 [49].
Рис. 2.8. Зависимость депрессии Тз,
модельных смесей от содержания н-парафинов при введении 0,1% присадки ПДП
Не менее важными являются характеристики
парафинов: молекулярная масса, длина нормальной парафиновой цепи до
разветвлении. молекулярно-массовое распределение. В общем случае действие
депрессоров в дизельных топливах пробовали оценивать коэффициентом
восприимчивости КВ [50]:
КВ = АМ∙НР/ПН,
где ПН и АМ - содержание
соответственно н-парафиновых и моноциклических ароматических углеводородов в
топливе;
НР - величина угла наклона кривой
разгонки топлива, подсчитываемая исходя из 10%-й (Т10) и 90%-й (Т90)
точек разгонки: НР = 0.0125(Т90 - Т10).
Косвенно Нр характеризует молекулярно-массовое распределение н-парафинов.
Исходя из сказанного можно заключить, что
наилучшей приемистостью к депрессорам обладают топлива широкого фракционного
состава с высоким содержанием ароматических углеводородов.
Наличие воды в топливах, которая всегда
содержится в условиях эксплуатации, также влияет на их приемистость к
депрессорам. При этом растворенная вода (0,008%) на прокачиваемость топлива не
влияет. Однако если в топливо попадает больше воды, то в присутствии
депрессорной присадки образуется эмульсия, при отрицательных температурах
эмульгированная вода замерзает, а образующиеся кристаллы льда сорбируют на себе
часть присадок, снижая их эффективность. Ниже приведены данные о влиянии воды в
топливе на эффективность депрессора [30]:
|
Содержание
воды, %
|
Тз,
0С
|
ПТФ,
0С
|
Содержание
воды, %
|
Тз,
0С
|
ПТФ,
0С
|
|
0,0005
0,0050 0,0250
|
-30
-28 -25
|
-11
-11 -11
|
0,0500
0,1000
|
-25
-23
|
-8
-7
|
Как указывалось выше, депрессоры не препятствуют
образованию микрокристаллов парафинов и расслоению топлива при длительном
холодном хранении. В результате образуются два слоя: нижний, обогащенный
кристаллами парафинов, и прозрачный верхний. Оба слоя подвижны, т. е. о
застывании топлива речи не идет. Однако прокачиваемость нижнего слоя невысока.
Это, в частности, свидетельствует о том, что показатель ПТФ на практике более
важен, чем Тз.
Решением проблемы является выработка топлив
соответствующего группового состава или применение депрессоров в композиции с
диспергаторами парафинов. За рубежом разработаны так называемые диспергаторы
парафинов, которые рекомендуется применять в композициях с депрессорными
присадками. Добавка диспергатора парафинов к депрессору позволяет снизить на порядок
размер кристаллов. Исследования Н.Н. Хвостенко показали, что в присутствии
0,05% депрессора Кеroflux-5486
размер кристаллов парафинов, образовавшихся в топливе ДЗп-15/-25, составляет 50
мкм, а в присутствии композиции 0,025% Кеrоflux-5486
и диспергатора Кеroflux-3217
- 5 мкм. Поэтому весьма перспективным является использование депрессоров в
композиции с диспергаторами парафинов.
Работы по разработке и исследование возможности
использования такой композиции в странных СНГ и России пока только начаты. К сожалению
состав многих диспергаторов парафинов держится в секрете, что не помогает
научным исследованиям.
Установлено, что для каждого вида топлива
существует своя оптимальная композиция депрессор - диспергатор парафинов, при
которой наблюдается желаемый эффект. В других случаях эффект отсутствует или
даже отрицателен. На рис. 2.9 представлены значения ПТФ нижнего слоя,
образовавшегося при холодном хранении топлива ДЗп-15/-25 в присутствии
депрессоров Кеroflux-3283 и Кеroflux-5486
и диспергатороз парафинов Кеroflux-3217
и Кеroflux-3480.
Только в случае композиции Кеroflux-3283
+ Кеroflux-3217
наблюдалось существенное улучшение ПТФ нижнего слоя. В случае композиции Кеroflux-5486
+ Кеroflux-3217 эффект
отсутствовал, а в композиции Кеroflux-3283
+ Кеroflux-3480
наблюдался антагонизм. В данном примере соотношение компонентов в композициях
присадок составляло 1:1, но его оптимальное значение в каждом случае также
следует определять.
Рис. 2.9. Влияние депрессоров и диспергаторов
парафинов на ПТФ нижнего слоя при холодном хранении топлива ДЗп-15/-25
(массовое соотношение компонентов в присадке - 1:1): 1 -- Кеroflux-5486;
2 -- Кеroflux-5486 + Кеroflux-3217;
3 -- Кеroflux-3283; 4 --
Кеroflux-3283 + Кеroflux-3217
В России исследованы и допущены к применению три
присадки-диспергатора зарубежных фирм: Кеroflux-3502,
Кеroflux-3520 и Dodiwax-4500.
Депрессоры и диспергаторы, а также их композиции
рекомендуется вводить в топливо при 40-50 °С. Влияние температуры введения
депрессорной присадки в топливо на ее эффективность может быть представлено
данными табл.(2.18), характерными для депрессоров всех типов (Т.Н. Митусова)
[51].
Таблица 2.18. Влияние температуры введения
депрессорной присадки в топливо на ее эффективность
|
Температура,
0С
|
|
смешения
топлива с присадкой
|
застывания
топлива
|
предельной
фильтруемости топлива
|
|
-5
5 20 40
|
-22
-25 -30 -36
|
-11
-14 -20 -24
|
Оптимальным при введении депрессорной присадки в
топливо на месте применения является нагревание. Улучшать помутневшее топливо
бессмысленно. При необходимости следует подогревать и трубопроводы, по которым
они перекачиваются [1, 52, 53 и др.].
Таким образом, снижение предельной температуры
фильтруемости дизельных топлив при помощи депрессоров и диспергаторов в
настоящее время весьма проблематично, так как:
) эффективность присадок очень сильно зависит от
состава, характеристик и качества улучшаемых топлив, что вынуждает фирмы,
специализирующиеся на производстве и поставках депрессоров располагать очень
широким ассортиментом, из которого рекомендуют ту или иную марку присадки,
наилучшим образом подходящую к конкретному топливу.
) мощности отечественной промышленности пока не
в состоянии обеспечить требуемые объемы производства присадок, что естественным
образом не снимает проблемы нехватки зимних сортов дизельных топлив.
) существуют некоторые технологические трудности
при использовании присадок непосредственно на предприятиях эксплуатирующих
автотракторную технику; необходимо чтобы температура улучшаемого топлива была
как минимум на 10 0С выше температуры помутнения, а рекомендуемая
температура присадки должна составлять 40…50 0С. Все это приводит к
дополнительным затратам.
Из приведенного выше обзора видно, что в
настоящее время, несмотря на разнообразие предлагаемых методов по улучшению
низкотемпературных свойств дизельных топлив, данная проблема остаётся до конца
не решенной как в отечественной, так и в мировой практике эксплуатации
дизельных двигателей. Проблема улучшения низкотемпературных свойств дизельного
топлива как на стадии его производства, так и на стадии его потребления
автотракторными двигателями требует всесторонних дальнейших исследований.
Поэтому, по нашему мнению, в настоящее время необходимо сосредоточить усилия по
созданию условий смягчающих негативное воздействие внешних факторов как на
работу агрегатов топливной системы, так и на свойства дизельного топлива.
3. Работа топливной
системы при низких температурах. Способы обеспечения работоспособности
.1 Особенности работы топливной аппаратуры
дизеля при низких температурах
Одной из причин снижения надежности дизелей,
являющихся основным элементом силовых установок, работающих в условиях низких
температур, является выпадение парафинов в дизельном топливе, забивание ими
фильтрующих элементов, увеличение их сопротивления и, в конечном итоге, разрыв
фильтрующих элементов. Работа дизеля на неочищенном топливе приводит к быстрому
выходу из строя топливного насоса и форсунок, в основном определяющих
работоспособность дизеля.
По этой причине при эксплуатации машин в зимний
период в три-семь раз увеличивается число отказов по сравнению с летним
периодом, повышается расход топлива, увеличиваются непроизводительные потери
времени и эксплуатационные расходы [54].
При эксплуатации дизельных двигателей в зимних
условиях температура топлива в баке, фильтрах грубой (ФГО) и тонкой (ФТО)
очистки, в головке топливного насоса (ТНВД) изменяется в довольно широких
пределах. Стендовыми испытаниями установлено, что с понижением температуры
окружающего воздуха от 20 0С до минус 37 0С, температура
в головке насоса двигателя Д-37 М снижается от 50...55 0С до
0...минус 2 0С. В условиях реальной эксплуатации тракторов, при
температуре окружающего воздуха минус 26 0С, температура топлива в
головке насоса составляет 2 0С (для трактора МТЗ-80), а при температуре
25 0С - достигает 75 0С (трактор ДТ-75) [55]. Холодное
топливо, поступая в фильтр тонкой очистки и головку топливного насоса высокого
давления, нагревается в основном за счет тепла, излучаемого двигателем.
При эксплуатации тракторов в условиях отрицательных
температур наиболее уязвимым местом системы питания двигателя является участок
от топливного бака до фильтра грубой очистки. Здесь топливо подается самотеком
или под влиянием разряжения, создаваемого подкачивающим насосом. Во многих
литературных источниках [56, 57, 58 и др.] отмечается, что при эксплуатации
дизелей в зимних условиях температура топлива в топливном баке практически
такая же, как и температура окружающего воздуха. Установлено, что после стоянки
трактора в теплом гараже, аккумулированном дизельным топливом, тепла хватает
для нормальной работы двигателя при температуре воздуха минус 25 0С
только на 1…1.5 часа. В дальнейшем разность температур топлива и окружающего
воздуха не превышает 3 0С. В этом случае, если температура
окружающей среды ниже температуры помутнения и застывания топлива, то его
однородность нарушается вследствие образования кристаллов парафиновых
углеводородов. Выделение из топлива кристаллов парафиновых углеводородов
(Н-алканов) в виде твердой фазы приводит к появлению аномальной вязкости,
усиливающейся с понижением температуры. Любые агрегаты на линии всасывания
(топливозаборные штуцера, трубопроводы, краны, фильтр грубой очистки) могут
нарушить подачу загустевшего топлива, снизить его прокачиваемость. Практикой эксплуатации
тракторов в зимних условиях (температура воздуха минус 30 0С)
отмечены случаи неустойчивой работы и самопроизвольной остановки двигателей на
режиме холостого хода из-за забивания фильтров грубой очистки и трубопроводов
низкого давления кристаллами углеводородов. Поэтому перед пуском и на режиме
холостого хода следует подогревать топливо на начальных участках системы
питания - в зоне топливного бака и топливных фильтров [59].
Эксплуатационные испытания показали, что машины
с дизельным двигателем американского и западноевропейского производства
перестают нормально функционировать при температуре окружающей среды на 5...10 0С
ниже температуры помутнения топлива; в 47% это происходит вследствие забивки
топливных фильтров кристаллами твердых углеводородов, а в 53% из-за застывания
топлива в топливопроводах [60].
Как в отечественном, так и в мировом
двигателестроении проблема защиты топливной аппаратуры, особенно фильтров
грубой и тонкой очистки от забивания парафинами в зимний период эксплуатации
остается нерешенной.
Актуальность проблемы улучшения
низкотемпературных характеристик дизельного топлива возрастает в связи с
наличием различных климатических зон, отличающихся изменением температуры как в
течение года, месяца, так и в течение одних суток.
Температура окружающей среды является величиной
случайной, изменяющейся в широком диапазоне во времени и пространстве. В связи
с этим, для характеристики климата по температуре принимают среднее значение за
сутки, месяц и год.
При решении вопросов, направленных на улучшение
низкотемпера-турных свойств топлив, важно учитывать колебание температур в
течение не только сезона или месяце, но и суток. Наиболее высокие температуры
отмечаются в 14... 15 ч, а наиболее низкие - в 7...8 часов, то есть примерно в
период предпусковой подготовки и пуска трактора. Суточная амплитуда в
зависимости от местности изменяется в широких пределах: от 3 до 15° , в среднем
составляя 6...7°.
Весьма важной характеристикой климата
применительно к эксплу-атации машин является продолжительность холодного
периода (количество дней в году с отрицательной температурой). Такой период на
большей части территории стран СНГ составляет значительную часть года. На севере
азиатской территорий количество дней с отрицательной температурой составляет
65...70% от времени года, на севере Европейкой части стран СНГ - 45...50%. По
мере продвижения на юг длительность периода отрицательных температур
сокращается и в отдельных районах средней Волги, юга Урала составляет 140...150
дней, а в отдельных районах среднеазиатских республик, Кавказа и побережья
черного моря доходит до 10.. 12 дней и даже до нуля.
Наибольшую сложность при эксплуатации
представляют процессы пуска и последующего прогрева двигателя. Так, при сильных
морозах продолжительность тепловой подготовки увеличивается в 12 раз по
сравнению с летним периодом, доходя до 20...25% времени смены, а
эксплуатационные затраты возрастают в 16 раз.
Большинство зарубежных и отечественных
подогревателей (газовые, электрические, жидкостные, свечи накаливания и др.),
применяемых в зимний период эксплуатации, не обеспечивают пуск двигателей и
выход их на режимы нагрузок в соответствий с ГОСТ 14892-69 более 45 мин при
температуре воздуха -60°С [63]. В итоге время затрачиваемое на прогрев и пуск
после длительной стоянки, составляет 1...1,5 ч [64], а в сильные морозы - до
трех и более часов [65].
.2 Обзор устройств для разрушения кристаллов
н-парафинов в дизельном топливе
В настоящее время вопросы защиты топливоподающей
системы дизелей от парафинов находятся на уровне патентов, заявок и авторских
свидетельств.
В данной работе на основе литературного и
патентного поиска предлагается классифицировать устройства защиты
топливоподающей аппаратуры по способу воздействия их на дизельное топливо и
месту установки (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Классификация устройств для защиты
топливоподающей аппаратуры дизеля от парафинов
Улучшение условий прокачиваемости и фильтруемости
дизельных топлив, при отрицательных температурах окружающей среды, возможно
несколькими способами. Один из них, это установка нового элемента топливной
аппаратуры - подогревателя топлива, позволяющего обеспечить предварительный
нагрев топлива перед его подачей к топливному насосу высокого давления [66].
Для этих целей используют различные нагревательные устройства; которые
различающиеся по конструкции, виду теплоносителя и энергии - пар, горячая вода,
горячий воздух, электроэнергия, инфракрасное излучение, тепло отработавших
газов и продуктов сгорания топлива, а также по месту установки. В настоящее
время встречаются устройства, основанные на ультразвуковом, радиоактивном,
электромагнитном, механическом и др. способах воздействия на дизельное топливо.
Однако использование таких устройств требует специальной подготовки
обслуживающего персонала, предъявляет дополнительные требования к технике
безопасности как в период эксплуатации, так и во время ремонта двигателя.
Наиболее уязвимый участок топливной системы -
это топливный бак, топливопровод до фильтра грубой очистки и фильтр грубой
очистки. Вероятность потери текучести топлива здесь самая большая [1, 57, 66,
67 и др.].
Самый простой, доступный и распространенный
способ защиты - утепление топливных баков, трубопроводов, топливных фильтров,
установка последних в подкапотном пространстве двигателя как можно ближе к
выпускному коллектору. Например, один из исследователей [1] предлагает для
утепления топливного бака, обмотать его мягкой проволокой или сеткой. Затем
покрыть обмазкой, состоящей из 35 % асбестовой крошки, 40 % древесных опилок,
20 % огнеупорной глины и
% жидкого стекла. Утеплительную обмазку наносят
на бак слоем 15...20 мм, просушивают при температуре 30...35°С в течение
12...14 ч. После этого поверхность бака обматывают тканевыми лентами или
помещают в плотно облегающий тканевый чехол и покрывают водомаслостойкой
краской. Для утепления топливопроводов содержание жидкого стекла в обмазке
увеличивают до 15 % за счет сокращения опилок. Вместо опилок иногда применяют
крошки пенопласта. Корпуса топливных фильтров утепляют чехлами из парусины и
ватина. В чехлах предусматривают отверстия для слива воды и конденсата.
Преимущество этого способа в том, что не требуется дополнительных устройств,
однако он имеет и существенный недостаток, такой как, низкая степень нагрева и
невозможность разрушения кристаллов в период пуска и прогрева двигателя.
Повышенную степень нагрева получают применением
специальных нагревательных устройств, таких как: теплообменники отработавших
газов, охлаждающей жидкости, излишков топлива или электронагревательные
устройства.
Теплообменники, основанные на использовании
отработавших газов, расположены в основном внизу топливного бака. Однако
существуют конструкции теплообменников использующих отработавшие газы в
специальном корпусе, внутри которого расположены пучки труб. Суть этой
конструкции в том, что выхлопные газы проходят по трубкам, которые обтекает
дизельное топливо. Например, фирма "Любер-Файнер" США [68] предлагает
подогреватель, использующий тепло отработавших газов. Здесь топливо
подогревается в змеевике, погруженном в теплопроводящую жидкость. Избыток
топлива, сливаемый от двигателя обратно в бак, предварительно подогревается еще
раз в подобном теплообменнике. Аналогичную конструкцию разработала фирма
"Kim Horstrat”, которая обеспечивает подъем температуры на 20 0С.
В ее состав входят циркуляционный топливный бак, спиральный алюминиевый
теплообменник, для обеспечения автоматической работы применяют соленоидный
клапан управления.
На рис.3.2 изображена конструкция подогревателя
[1], использующего энергию отработанных газов, который выполнен так. Ко дну
бака приваривают ребристый стакан в специальной рубашке с отверстиями вверху по
числу промежутков между ребрами. Ребра служат для увеличения поверхности
нагревания и образуют каналы, по которым направляется поток газов. Стакан с
рубашкой размещают в наружном цилиндрическом кожухе, который служит для подвода
и отвода газов, а также для крепления всей системы к раме трактора. Газы проходят
по трубе, являющейся ответвлением основной выпускной трубы двигателя.
Количество направляемого в подогреватель газа регулируют заслонкой. Температуру
топлива в зоне подогревания контролируют по дистанционному термометру.
Рис. 3.2. Схема подогревания дизельного топлива:
- топливные баки; 1 - сливной топливопровод; 3 -
топливопровод, подводящий топливо из бака к насосу; 4 - теплоизоляция;
5-соединительный топливопровод с тепловой изоляцией; 6 - глушитель
Иногда топливопроводы от бака пропускают через
утепленную кабину, а в топливный бак вваривают цельнотянутую трубу, по которой
проходит часть газов от выпускной трубы трактора. Применяют схему, в которой
топливопровод от бака до фильтра грубой очистки помещают в трубу, и в нее
подают часть выпускных газов. Для этого между выпускным коллектором и трубой
устанавливают тройник. Количество газов, а, следовательно, и температуру
топлива регулируют заслонкой. При этом надо помнить, что нагревать топливо выше
50 °С не следует.
Существенные недостатки таких теплообменников -
сильная зависимость температуры теплоносителя от режима работы двигателя и
низкий потенциал тепла газов при работе двигателя на холостом ходу. Кроме того,
они имеют довольно сложную конструкцию, не обеспечивают подогрев топлива перед
пуском дизеля, имеют повышенную пожароопасность. Следует отметить и тот факт,
что конструкции таких подогревателей значительно повышают сопротивление выхода
отработавших газов, а это ведет к снижению мощности развиваемой двигателем.
Во избежание большого расхода электрической
энергии для подогрева топлива можно использовать тепло охлаждающей жидкости.
Теплообменники с использованием теплоты охлаждающейся жидкости выполняются в
основном по традиционной схеме "труба в трубе". Конструкции таких
теплообменных подогревателей выпускают фирмы "Даль",
"Мидко", "Давко" (США) [68]. Однако существуют конструкции
таких теплообменников, выполненных в виде змеевика, погруженного в топливный
бак. Приспособление работает следующим образом. В отверстие ниже основного
клапана в коробке термостата ввертывают штуцер. К нему присоединяют патрубок из
газовой трубы, соединенный с подводящим резиновым шлангом. Другой конец
резинового шланга присоединяют к входному штуцеру змеевика, изготовленного из четырех
витков трубы. Патрубок, соединенный с коробкой термостата, имеет вентиль,
которым можно регулировать количество горячей жидкости, поступающей к змеевику.
К выходному штуцеру змеевика подсоединяют резиновый шланг. Перед пуском
двигателя открывают вентили входного и выходного патрубков и заливают горячую
воду в рубашку блока. Вода, прогревая блок двигателя, поступает также в
змеевик. Подогревают топливо и при работе пускового двигателя, так как штуцер с
отводящим патрубком подсоединен к коробке термостата ниже основного клапана.
Основными недостатками теплообменников с
использованием тепла охлаждающей жидкости являются довольно сложная конструкция
двойного штуцера и непригодность их при запуске холодного двигателя.
Теплообменники с использованием тепла излишков
топлива могут быть выполнены по всей длине всасывающего трубопровода по типу
"труба в трубе". Аналогом такого теплообменника является очень
простое приспособление Алтайского СХИ (рис.3.3). Оно позволяет использовать
тепло излишков топлива, поступающего из головки топливного насоса.
Топливопровод от бака до фильтра грубой очистки заменяют двойной трубкой.
Топливо из бака в фильтр поступает по внутренней трубке. Топливопровод для
перепускания лишнего топлива к подкачивающему насосу снят, и оно через наружную
трубку поступает непосредственно в бак [1]. Проще в конструктивном исполнении
вариант, при котором подводящий и сливной топливопроводы размещают рядом и
обматывают текстильной лентой или другой теплоизоляцией.
Рис. 3.3. Приспособление для подогревания
топлива:
- форсунка; 2 - топливопровод высокого давления;
3 - топливный насос высокого давления, 4 -топливопровод слива топлива от
форсунки в бак; 5 - бак; 6 - заборный штуцер; 7 - перепускной топливопровод; 8
и 10 - фильтры грубой и тонкой очистки; 9 - подкачивающий насос
Заслуживает внимания схема топливоподачи,
представленная на рис. 3.4. Особенностью ее является организация непрерывного
подогревания топлива в системе низкого давления.
Для этого топливо поступает по перепускному
топливопроводу 5 к заборному штуцеру топливного бака и далее в цилиндр 4,
установленный в нижней части бака. Топливо забирается через трубопровод 3,
установленный внутри цилиндра 4 ниже уровня топлива. В верхней части цилиндра
расположен конус 2, который способствует выделению из перепущенного топлива
газовоздушых пузырьков и через центральное отверстие которого топливо поступает
и трубопровод 3.
За счет смешивания подогретого и холодного
топлива оно на участке от бака до фильтра грубой очистки 8 не теряет своей
текучести. Топливо, двигаясь к подкачивающему насосу 9 и фильтрам тонкой
очистки.
Рис. 3.4. Схема топливоподачи с автоматическим
электроподогревом:
- топливный бак; 2 - конус; З - трубопроводы; 4
- цилиндр смесителя; 5 и 14 - перепускные трубопровод и клапан; 7 -
электроподогреватель; 8 и 13 - фильтры грубой и тонкой очистки; 9-подкачивающий
насос; 10 - датчик температуры; 11 - топливный насос высокого давления; 12 -
форсунка
За счет смешивания подогретого и холодного
топлива оно на участке от бака до фильтра грубой очистки 8 не теряет своей
текучести. Топливо, двигаясь к подкачивающему насосу 9 и фильтрам тонкой
очистки 13, нагревается за счет тепла двигателя и дросселирования в каналах
системы. Если температура топлива ниже 30...40 °С, оно подогревается
электронагревателем 7, который питается от бортовой электрической сети
трактора. Электронагреватель, установленный в одном корпусе с фильтром грубой
очистки. Температура топлива в фильтре грубой очистки контролируется датчиком
10. При такой схеме перепускания топлива подогревается только небольшая часть
его около места забора. Этим предотвращается избыточное растворение воды в
топливе и выпадение ее в осадок. Клапанный узел 14 оборудован жиклером, через
который непрерывно проходят образовавшиеся паровоздушные пузырьки и небольшая
часть топлива.
К недостаткам этого способа можно отнести то,
что разрушение кристаллов парафинов будет происходить лишь при запущенном и
хорошо прогретом двигателе, однако это не исключает возможности забивания
пробками парафинов в двойном штуцере.
Все вышеотмеченные теплообменники создаются с
целью обеспечения экономии энергоносителей, более полного использования
тепловой энергии двигателя, утилизации продуктов сгорания. Однако, как и
предпусковые подогреватели, они способны лишь частично разрушать кристаллы
н-парафинов путем повышения общего теплового состояния двигателя. Поэтому
наиболее перспективными для разрушения кристаллов н-парафинов в дизельном
топливе перед пуском двигателя являются устройства с применением
электронагревательных элементов, которые имеют меньшие массообъемные
характеристики, чем теплообменники.
При использовании различных
электронагревательных устройств к.п.д. повышается в несколько раз. Кроме того,
использование таких устройств позволяет производить разогрев дизельного топлива
перед пуском дизеля. Однако и эти системы не лишены недостатка, главный из
которых - зависимость работоспособности подогревателя от надежности системы
электроснабжения.
В настоящее время электронагревательные элементы
устанавливаются в топливных фильтрах [Пат. № 4512324 США; Пат. 2009358 РФ
(рис.3.5); Пат. 2009359 РФ (рис.3.6) и др.], в специальный корпус перед
фильтром [Пат. № 4571431, США; Пат. Франции 03/025381 Al],
на выходе из топливного бака [Пат. США № 2635174; Пат. РФ 2007609 С1 и др.], в
трубопроводах [Заявка № 59-221451, Япония, М.кл. F-02 M 31/12, опубл. 1986,
подогреватель Thermoline
фирмы Raychem
(рис. 3.7) и др ], штуцерах [Заявка № 3537566, ФРГ, М.кл. F-02 M 31/12, опубл.
1986]. Для их изготовления используют свечи накаливания [Заявка № 3537566, ФРГ,
М.кл. F-02 M 31/12, опубл. 1986], разнообразные спирали, пластины,
полупроводниковые материалы, органические и синтетически волокна, обладающие
значительным электрическим сопротивлением [69, 70, 71, 72 и др.].
На рис. 3.5 представлена схема фильтра тонкой
очистки с электронагревательным устройством, выполненным из углеродных тканей
[69].
Подогреватель работает следующим образом. Перед
пуском двигателя выключателем массы замыкается цепь, и электрический ток
проходит через зажим 10, углеродную ткань 20, зажим 11, позистор 25.
Рис. 3.5. Фильтр тонкой очистки с
электронагревательным элементом:
- корпус ФТО; 3 - ось; 4 - сливная пробка; 5 -
крышка корпуса; 6 - пробка для стравливания воздуха; 7 - прокладка; 8 и 9 -
основания фильтрующего элемента; 10, 11, 12 и 24 - зажимы; 13 и 14 - отверстия;
15 и 16 - гайки; 17, 18 и 23 - диэлектрические втулки; 19, 21 и 22 - пружины;
20 - углеродная ткань; 25 - позистор
Подогреватель работает следующим образом. Перед
пуском двигателя выключателем массы замыкается цепь, и электрический ток
проходит через зажим 10, углеродную ткань 20, зажим 11, позистор 25. В
результате этого нагревается углеродная ткань, что приводит к разрушению
кристаллов парафинов, находящихся на ее поверхности, за счет чего
обеспечивается улучшение условий фильтруемости дизельного топлива. Позистор 25
предотвращает перегрев и разрушение углеродной ткани. Однако применение такого
подогревателя не позволяет обеспечить нагрев дизельного топлива на линии
всасывания, которая является наиболее критическим участком системы питания в
условиях низких температур [11], кроме того, при эксплуатации трактора ФТО
нагревается за счет тепла двигателя и данная конструкция большую часть своего
времени работать не будет.
Примерно такую же конструкцию имеет
трехфункциональный агрегат фирма Fram
Corp. Fгеgаt,
который выполняет следующие функции (рис. 3.6) [68]:
)отделяет свободную и эмульгированную воду:
первая ступень отделения происходит на фильтре 2, который коалесцирует воду в
капли, скатывающиеся в водосборник; вторая ступень - на нейлоновой сетке 6 с
кремнийорганическим покрытием, она задерживает мельчайшие капельки воды,
прошедшие через первую, ступень;
) задерживает содержащиеся в топливе твердые
частицы размером до 1,5 мкм, фильтрующий элемент - бумажный гармошковый;
) подогревает топливо для облегчения холодного
запуска
Рис. 3.6. Трехфункциональный агрегат фирмы Fram:
- вход; 2 - коалесцентный фильтр; 3 -- датчик
уровня воды; 4 - гибкая сливная трубка; 5 - сливной вентиль; 6 - сетка; 7 -
подогреватель; 8 - выход; 9 - ручная помпа
Встроенный полупроводниковый (титанат бария)
подогреватель 7 обеспечивает нормальную работу двигателя при температуре
воздуха до минус 30 °С. В конструкцию агрегата входит также ручная помпа 9,
предназначенная для вытеснения топливом воды из водосборника, во избежание
попадания воздуха в систему. Дополнительно может комплектоваться сигнализатором
слива воды и индикатором к приборному щитку.
На рис. 3.7 представлена схема фильтра грубой
очистки топлива с нагревательным элементом [70].
Рис. 3.7. Подогреватель дизельного топлива
выполненный в ФГО:
- корпус; 2, 3 - каналы; 4 - стакан; 5 -
успокоитель; 6 - пробка; 7 - воронка фильтрующего элемента; 8 - сетка; 9 -
кольцо; 10 - углеродная ткань; 11 - источник тока; 12 - позистор.
Принцип работы такого устройства аналогичен
предыдущему. К существенным недостаткам данной конструкции можно отнести
невозможность подогрева топлива на начальном участке (“топливный бак - вход в
ФГО”), т.е. на участке, который менее всего зависит от температурного состояния
двигателя, повышенный расход тепла в окружающую среду (большая поверхность
теплоотдачи).
На рис. 3.8 представлен подогреватель дизельного
топлива, устанавливаемый во всасывающем трубопроводе между топливным баком и
ФГО [71].
Рис. 3.8. Подогреватель дизельного топлива:
1-входной штуцер, 2-выходной штуцер,
3-диалектический корпус, 4-электропроводящая втулка, 5-упорная втулка,
6-натяжная шайба, 7-токопроводящая шайба, 8-пружина, 9-нити нагревательного
элемента, 10,11,12-металлические кольца, 13,15-токопровод, 14-позистор.
Поток дизельного топлива проходит через сквозные
проточки электропроводящей втулки, омывая углеродные нити нагревательного
элемента. При отрицательных температурах выпадающие кристаллы парафинов
забивают узкие места топливопроводов, тем самым затрудняя прокачиваемость
топлива. При подключении токопроводов к источнику электрической энергии
происходит интенсивный разогрев углеродных нитей, выполненных в виде
однополостного гиперболоида, что позволяет равномерно осуществить нагрев
топлива и разрушить кристаллы парафинов, находящиеся в корпусе. Подогретое
топливо, проходя через аналогичные проточки в упорной втулке и токопроводящей
шайбе, поступает в корпус отводящего штуцера и по трубопроводу в фильтр грубой
очистки. При увеличении температуры топлива на выходе из подогревателя
сопротивление позистора увеличивается, тем самым уменьшая степень нагрева
элемента.
Аналогично назначение имеет изображенный на рис.
3.9. [68] подогреватель фирмы Raychem,
Start-Pilote.
Он включает в себя гибкий пластиковый полупроводниковый нагревательный элемент,
характер температурной зависимости сопротивления которого позволяет
поддерживать постоянной температуру топлива на выходе.
Рис. 3.9. Подогреватель Thermoline
фирмы Raychem:
- проводник; 2 - полупроводниковый нагреватель;
3 - полимерное покрытие; 4 - гибкий трубопровод.
Известен электрический нагреватель дизельного
топлива рис.3.10 устанавливаемый в топливном баке и питающийся от электрической
сети бортового источника питания автомобиля [73]. Электрический
топливонагреватель содержит цилиндрический корпус 1, в котором помещен и
закреплен в его нижней части нагревательный элемент 2, выполненный в виде
металлической пластины с толстопленочным покрытием (состав которого и
технология нанесения на пластину является ноу-хау заявителей), на
противоположном конце пластины установлен сетчатый фильтр грубой очистки 3. В
нижней части корпуса 1 выполнены впускные окна 4, равномерно расположенные по
окружности, через которые топливо из бака поступает в полость топливного
фильтра 3, контактирует с нагревательным элементом 2 и получает тепло
непосредственно от него. Для удобства монтажа нагревательного элемента нижняя
часть корпуса, на которой он закреплен, выполнена съемной. В верхней части
корпуса 1 выполнен фланец 5, при помощи которого топливонагреватель
устанавливается в топливный бак, а за ним - выпускной патрубок 6 с
топливопроводом и разветвитель 7 для вывода электропровода.
Топливонагреватель помещен в бак 8, заполненный
топливом, и закреплен на верхней стенке бака при помощи фланца 5. К выпускному
патрубку 6 подсоединен топливопровод 9, а через разветвитель 7 пропущен
электропровод 10, прикрепленный к пластине нагревательного элемента 2, питание
которого осуществляется от аккумуляторной батареи автомобиля.
Рис 3.10. Топливонагреватель и его схема
подключения:
- корпус; 2 - нагревательный элемент; 3 -
сетчатый фильтр; 4 - впускные окна; 5 - фланец; 6 - выпускной патрубок; 7-
разветвитель; 8 - бак; 9 - топливопровод; 10 - электропровод; 11 - ключ; 12 -
резистор; 13 - световой индикатор; 14 - термодатчик; 15 - индикатор температуры
Известны конструкции электрических
подогревателей (ТЭНов) питающихся от внешней электросети напряжением 220В. Эти
подогреватели устанавливаются в топливных баках и работают в периодическом
режиме во время межсменного хранения автотракторной техники при низких
температурах. Один из таких подогревателей показан на рис. 3.11 [1]. Корпус 18
выполнен в виде пустотелой пробки и закрыт крышкой 19 с уплотнительным
резиновым кольцом 20. В корпусе 18 смонтировано биметаллическое регулируемое
устройство (термореле) на пластмассовом блоке 23 с фиксирующим винтом 22. В
блоке выполнены две выточки и пять отверстий: два круглых отверстия - для
проводников 26, два прямоугольных - для пластинчатых пружинных контактов 25 и
17 и одно с резьбой - для винта 24. Термореле включают и выключают с помощью
биметаллической пластины 15 с фарфоровым нажимным штырем 16.
Рис.3.11. Электрический подогреватель с
биметаллическим термореле:
- корпус индикатора; 2 и 14 - индикаторный и
нагревательный элементы; 3 и 5-корпус и крышка штепсельной вилки; 4 -
контрольная лампочка; 6 - хомут; 7 и 16 - штыри; 8 - винт-штырь; 9 -
сопротивление; 10 - заземляющий провод; 11 - гайка; 12, 13, 22, 24, и 30 -
винты; 15, 17, и 25 - детали термореле; 18 - корпус подогревателя; 19 - крышка;
20 - уплотнительное кольцо; 21 - гибкий провод (электрокабель); 23 - блок; 26
-- проводник; 27 - трубка; 28 -- нихромовая спираль; 29 - наполнитель
При достижении необходимой температуры топлива
биметаллическая пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом
расширения и размыкает пружинные контакты 25 и 17. В этот момент электрическая
цепь разрывается. Когда подогретое топливо остывает, биметаллическая пластина
возвращается в первоначальное положение, пружинные контакты реле замыкаются, и
цикл подогревания и охлаждения повторяется.
Винты 30 скрепляют проводники 26 цепи с
пружинными контактами реле 25 и 17. Квадратные прокладки под винтами
ограничивают движение пружинных контактов в блоке 23. В дно корпуса впаян
нагревательный элемент 14 (ТЭН). Он состоит из нихромовой спирали 28 и
электроизоляционного наполнителя 29, заключенных в трубку 27.
Подогреватель соединяется электрокабелем 21 с
вилкой, включаемой в переносную розетку. Это наиболее безопасно, так как
розетка не имеет оголенных контактов.
Параллельно с цепью подключения нагревательного
элемента соединена контрольная лампочка. Она загорается, когда устройство
начинает работать, и гаснет, когда топливо нагревается до заданной температуры.
Индикатор, подключенный к массе трактора,
показывает, что потребляемый устройством ток не проходит через трактор. Это дает
возможность во время подогрева в полной безопасности заниматься ежесменным
обслуживанием машины. Подогреватель снабжен заземляющим проводом.
Существенные недостатки такого типа
подогревателей: необходимость больших дополнительных капитальных вложений на организацию
сети электроснабжения, большое энергопотребление, повышенная пожароопасность.
Авторами запатентована система облечения работы
дизеля при низких температурах [74] содержащая устройство для автоматического
ввода депрессорной присадки. Использование предлагаемой системы позволяет
автоматически вводить депрессорную присадку в фильтр тонкой очистки при
забивании его парафинами на всех режимах работы дизеля, и тем самым -
предотвращает разрыв топливных фильтров и работу двигателя на неочищенном топливе.
Система работает следующим образом.
При температуре дизельного топлива, когда
процессы кристаллизации не протекают и фильтр не забит парафинами, топливо
свободно проходит из топливного бака через фильтр грубой очистки,
топливоподкачивающий насос и фильтр тонкой очистки и далее поступает к
топливному насосу высокого давления и форсункам. При этом пружина 23 удерживает
золотник 18 в крайнем правом положении. Сверление 14 крышки 12 перекрыто
золотником 18, а сверление 15 через проточку 22 золотника 18 и сверление 16
крышки 12 сообщает надпоршневую полость с всасывающим коллектором.
Двухступенчатый поршень 2 под действием пружины 3 находится в крайнем верхнем
положении. Депрессорная присадка через открытый обратный клапан 9,
Рис.3.12. Устройство для автоматического ввода
депрессорной присадки:
- корпус; 2 - двухступенчатый поршень; 3 -
пружина; 4 - штуцер; 5 - контргайка; 6 и 7 - осевое и радиальное сверления; 8 и
9 - обратные клапаны; 10 - винтом для удаления воздуха; 11 - сверление,
сообщающее межпоршневую полость с всасывающим коллектором; 12 - крышка; 13 -
осевое сверление; 14, 15 и 16 -- радиальные сверления; 17 -- винт для удаления
воздуха; 18 - золотник; 19 и 20 - осевое и радиальное сверления; 21 и 22 -
проточки; 23 - пружина; 24 - штуцер; 25 - контргайка; 26 - осевое сверление,
сообщаемое с выходом из фильтра тонкой очистки.
При температуре дизельного топлива ниже
температуры помутнения протекают процессы кристаллизации высокоплавких
углеводородов. Парафины, выпадающие в виде кристаллов, забивают фильтрующий
элемент, увеличивая его гидравлическое сопротивление. При этом возникает
перепад давлений на фильтре, независящий от режима работы двигателя. За счет
разности давлений на входе и выходе из фильтра золотник 18, установленный в
крышке 12, начинает перемещаться влево, сжимая пружину 23. В результате чего
перекрывается сверление 15 крышки 12, а сверление 14 через проточку 21,
сверление 20 и 19 золотника 18, сверление 13 крышки 12 сообщается с входом в
фильтр. Топливо начинает поступать в надпоршневую полость. Поршень 2
перемещается вниз сжимая пружину 3. За счет разности площадей двухступенчатого
поршня 2 давление в подпоршневой полости, где находится депрессорная присадка,
намного выше, чем давление в надпоршневой полости и в фильтре. Под действием
этого давления обратный клапан 9 закрыт и открывается обратный клапан 8.
Депрессорная присадка по каналу 6 штуцера 4 через обратный клапан 8 и
трубопровод подается в фильтр. После впрыска присадки, когда поршень 2 упирается
в своем крайнем нижнем положении в штуцер 4, обратный клапан 8 закрывается.
Объем вводимой присадки регулируется штуцером 4 и контргайкой 5. Под действием
депрессора кристаллы разрушаются, улучшаются условия фильтруемости и
прокачиваемости дизельного топлива, тем самым снижается перепад давлений на
фильтре. Золотник 18 под действием пружины 23 перемещается в первоначальное
положение, перекрывается сверление 14, а сверление 15 через проточку 22
золотника 18 и сверление 16 крышки 12 соединяет надпоршневую полость с
всасывающим коллектором. Поршень 2 под действием пружины 3 перемещается вверх,
вытесняя топливо из надпоршневой полости. При этом открывается обратный клапан
9 и по сверлениям 7 и 6 штуцера 4 в подпоршневую полость поступает новая порция
депрессорной присадки. Перепад давлений, при котором срабатывает устройство,
зависит от положения штуцера 24 с контргайкой 25.
Установка нагревательных элементов в корпусе ФТО
и ФГО (см. рис. 3.5, 3.6, 3.7) неизбежно приводит к изменению конструкции этих
узлов и их эксплуатационных параметров. Этот недостаток присущ всем
рассмотренным выше способам подогрева топлива с нагревательными элементами,
встроенными в какой-либо агрегат системы питания двигателя. Он является
сдерживающим фактором внедрения оригинальных исследовательских разработок в
производство, поскольку КБ заводов двигателе - и тракторостроения весьма
скептически относятся к конструктивным всевозможным изменениям хорошо
зарекомендовавших себя в эксплуатации узлов и агрегатов. Поэтому для подогрева
топлива должны быть использованы индивидуальные подогреватели, которые не
вносят конструктивных изменений в агрегаты системы питания принятой схемы
топливоподачи.
3.3 Современные способы облегчения пуска
двигателей в зимнее время
С понижением температуры воздуха степень
использования и производительность техники понижаются. Особенно сложна проблема
пуска двигателей зимой при безгаражном хранении машин. Пуск двигателей в зимний
период требует значительных затрат труда и времени, а в случае отказа системы
пуска является причиной простоя автомобиля или трактора.
Автомобили и тракторы выпускаются в
универсальном исполнении, и основная масса их (около 90%) эксплуатируется в
зонах с затрудненными условиями пуска зимой, когда необходимо использовать
эффективные средства для облегчения пуска и подготовки холодных двигателей к
работе.
Эффективность использования автотракторной
техники стандартного исполнения зависит от степени ее приспособленности к
суровым климатическим и дорожным условиям. Нарушение необходимых условий эксплуатации
и отсутствие средств для соответствующей подготовки автотракторной техники к
местным условиям вызывают задержки выезда машин на работу, снижение
производительности, повышение затрат квалифицированного труда водителей, что
наносит значительный ущерб народному хозяйству. По данным автотранспортных
предприятий, выезд автомобилей по наряду на работу в зимние месяцы по сравнению
с летними снижается на 10-40% при существенном увеличении эксплуатационных
расходов. Расчетные данные показывают, что из-за потерь времени на пуск
двигателей тракторов ежегодно недовыполняется объем механизированных работ на
18% (около 130 га условной пахоты на 1 физический трактор), а с учетом пусковых
износов при низкой температуре убытки хозяйств, связанные с подготовкой техники
к работе, составляют 476 тыс.руб. на 1 физический трактор.
Особенно трудно обеспечить пуск и оптимальные
условия работы двигателей тракторов. Конструкции многих тракторов рассчитаны на
работу в летнее время, тогда как используются они в течение всего года.
Устранить влияние низких температур на работу двигателей можно модернизацией
существующих машин, оборудованием техники северного исполнения технически
совершенными и эффективными пусковыми системами и вспомогательными средствами
облегчения пуска двигателей.
Предложено и разработано множество методов и
приспособлений, облегчающих пуск холодных двигателей. Большинство из них
основано на разогреве двигателей. Разогрев двигателей с целью сокращения
времени пуска и прогрева до рабочей температуры целесообразно применять даже
при небольшом понижении температуры окружающего воздуха.
Выбор способа и устройства, облегчающих пуск,
определяется конструктивными особенностями двигателя, экономическими факторами
и условиями эксплуатации.
Вспомогательные средства для облегчения пуска
разделяются на действующие в предпусковой период и непосредственно в процессе
пуска.
К устройствам, действующим непосредственно при
пуске, относятся устройства, изменяющие характеристики отдельных систем
двигателя на период пуска, и устройства, облегчающие условия воспламенения
топлива (средства облегчения воспламенения).
Предпусковые средства облегчения пуска бывают
групповыми и индивидуальными, групповые в свою очередь - стационарными или
передвижными. Применяемые на практике средства предпускового разогрева
двигателей отличаются по способу создания и подвода тепла, типу и принципу
циркуляции теплоносителя, виду потребляемой энергии, по методам нагрева (прямой
и косвенный).
В процессе предпускового разогрева тепло
подводят к системе охлаждения двигателя, внутрикартерному пространству,
картерному маслу, системе питания, аккумуляторной батарее или одновременно к
нескольким системам. При косвенном нагреве в качестве теплоносителя используют
жидкость, пар, воздух или их комбинации. Прямой разогрев двигателя и его систем
перед пуском предпочтительнее и может осуществляться за счет электрической
энергии, теплоты сгорания топлива (газообразного, жидкого или твердого) или
механического сжатия жидкости.
Весьма эффективным средством облегчения пуска дизелей
является применение легковоспламеняющихся пусковых жидкостей, состоящих, как
правило, из смеси легкокипящих углеводородов. Основным компонентом большинства
пусковых жидкостей является этиловый эфир. Температура самовоспламенения
этилового эфира при атмосферном давлении ниже, чем у дизельного топлива.
Воспламенение этилового эфира в камере сгорания происходит при температуре
около 463-493 К, что позволяет значительно снизить предельную температуру пуска
двигателей. Однако при подаче в цилиндры чистого эфира резко возрастает
скорость нарастания давления и, следовательно, жесткость работы двигателя. В
состав пусковых жидкостей вводятся масло для обеспечения смазки деталей
цилиндро-поршневой группы и такие компоненты, как амины, нитраты, низкокипящие
парафиновые углеводороды - для уменьшения жесткости работы двигателя.
Содержание эфира в пусковых жидкостях не превышает 60-70%.
Подача пусковой жидкости в цилиндры двигателя
может осуществляться через систему питания вместе с основным топливом, однако
такой способ неэкономичен из-за большого расхода пусковой жидкости.
Наиболее эффективен способ распыливания пусковой
жидкости во впускном трубопроводе с помощью специальных устройств. В этом
случае смесь пусковой жидкости с воздухом поступает в цилиндры двигателя,
сжимается, температура ее повышается за счет сжатия и вследствие образования
продуктов предварительного окисления, которые сразу отдают свою энергию в
окружающую среду.
Подача жидкости с низкой температурой
воспламенения. Широкое распространение у нас и за рубежом нашел способ
облегчения пуска двигателей с помощью впрыска жидкости с низкой температурой
воспламенения. Для впрыска жидкостей в цилиндры двигателей разработано много
устройств различного конструктивного исполнения.
В настоящее время серийно выпускается пусковое
приспособление, разработанное в НАМИ и получившее название НАМИ 5ПП-40 (рис.
3.13). Оно состоит из трех основных частей: ручного воздушного насоса 4
двойного действия, устанавливаемого в кабине водителя для приведения его в
действие при одновременном включении электростартера или другой пусковой
системы; смесителя 5, который монтируется вертикально в месте, доступном для
установки ампулы 10 с пусковой жидкостью; распылителей 8, устанавливаемых во
впускном трубопроводе 7 двигателя.
Рис. 3.13. Пусковое приспособление НАМИ 5ПП-40:
- жиклер; 2 - воздушные каналы; 3 -
воздухопровод; 4 - воздушный насос; 5 - смеситель; 6 - тройник; 7 - впускной
коллектор; 8 - распылители; 9 - трубопровод; 10 - ампула с пусковой жидкостью;
11 - каналы для жидкости
Перед пуском двигателя с помощью этого пускового
приспособления в его смеситель вставляется ампула с пусковой жидкостью. Она
прокалывается иглой, проходящей сквозь крышку, чтобы жидкость из ампулы
вылилась в корпус смесителя. Затем делается несколько прокачек ручным воздушным
насосом, в результате воздух под давлением поступает в смеситель 5 и вытесняет
жидкость. Смесь воздуха с жидкостью поступает к жиклерам 1, образуя
жидкостно-воздушную эмульсию, которая впрыскивается во впускной трубопровод
двигателя перед включением стартера и во время пуска.
Смеситель пускового приспособления НАМИ 5ПП-40
вмещает до 70 см3 жидкости. Число воздушных отверстий в эмульсионных
жиклерах смесителя бывает разное. Для четырехтактных двигателей с рабочим
объемом до 5 л и для двухтактных до 2,5 л делают четыре отверстия, а для
четырехтактных двигателей с рабочим объемом от 6 до 14 л и для двухтактных от
2,5 до 7 л - шесть.
На двигатель рекомендуется устанавливать два или
четыре распылителя. Средняя производительность воздушного насоса при работе без
сопротивления на выходе 7-10 л/мин.
Для облегчения пуска предкамерных и
вихрекамерных дизелей, имеющих невысокую степень сжатия и температуру,
недостаточную для воспламенения топлива в конце сжатия, применяют электрические
свечи накаливания.
Свечи накаливания (рис. 3.14) бывают открытого
(открытая спираль накаливания) и закрытого (штифтовые) типа. Свечи
устанавливают в камеру сгорания таким образом, чтобы нагревательный элемент
обеспечивал воспламенение распыленного топлива. Для этого необходимо, чтобы
теоретический конус распыла топлива касался нагревательного элемента,
выступающего в камеру сгорания.
Предпринимаемые ранее попытки использовать свечи
накаливания для облегчения пуска дизелей с непосредственным впрыском приводили
к ухудшению их экономических показателей вследствие снижения вращения
воздушного заряда и ухудшения смесеобразования. Однако проведенные в последнее
время на Владимирском тракторном заводе при участии НАТИ исследования и опыт фирмы
МВМ (ФРГ) по применению на дизелях серии Д208, Д308 доказывают принципиальную
возможность установки штифтовых свечей в неразделенных камерах сгорания без
существенного ухудшения экономических показателей дизелей. При этом большое
значение имеют выбор места их установки и величина выступающей части
нагревательного элемента.
Применение штифтовых свечей накаливания
позволяет осуществить пуск двигателя Д-37Е при температуре наружного воздуха
243 К, на частоте вращения 70-80 об/мин при использовании масла М8В,
разжиженного добавкой 10% бензина.
Рис. 3.14. Свечи накаливания:
1, 2 и 3 - закрытого типа; 4 - открытого типа
Предварительный нагрев свечей накаливания
производится за 15-60 с до пуска дизеля, при этом сила тока достигает значений
30-50 А при напряжении 8 или 12 В соответственно для четырех- или
шестицилиндрового дизеля.
Для облегчения пуска дизелей путем повышения
температуры впускного воздуха применяют свечи подогрева. Выпускаемая серийно
однопроводная свеча подогрева воздуха СН-150 (рис. 3.15) устанавливается во
впускном коллекторе двигателей Д-21 и Д-37М. Нагревательный элемент свечи
(спираль) изготавливается из проволоки диаметром 2 мм высокого омического
сопротивления. Крепится свеча накидной гайкой в специальном гнезде впускного
коллектора. Герметичность при посадке обеспечивается уплотнительной шайбой.
Номинальное напряжение свечи 8,5 В, номинальный ток 45-47 А, температура
нагрева спирали за 30-40 с достигает 1173-1223 К.
Рис. 3.15. Свеча подогрева СН-150 впускного
воздуха:
- гайка контактная; 2 - шайба изоляционная; 3 -
корпус; 4 - стержень; 5 - шайба уплотнительная; 6 - слюда; 7 - спираль
Свечу подогрева СН-150 следует включать на 40-60
с, так как практически ток в цепи не превышает 42-45 А; при меньшем времени
нагрев недостаточен. Схема подключения свечи СН-150 аналогична двухпроводным
свечам накаливания. В схеме используются контрольный элемент ПД51 и
дополнительное сопротивление СЭ52. В модернизированной схеме трактора Т-28Х4
контрольный элемент заменен лампочкой. Свеча СН-150 подогревает воздух на
впуске в среднем до 298-308 К.
Место установки свечи СН-150 во впускном
коллекторе выбирается экспериментально. Для получения наибольшего нагрева
воздуха желательно максимально приблизить свечу к впускным окнам цилиндров. Для
двигателей с рабочим объемом более 4 л следует применять две свечи, а при
наличии двух впускных коллекторов устанавливать свечи в каждом из них.
Для повышения эффективности подогрева воздуха во
впускном патрубке применяют свечи подогрева фланцевого типа. У свечей
фланцевого типа при той же мощности увеличена площадь поверхности теплоотдачи
за счет увеличения длины спирали. Кроме этого, фланцевые свечи могут
устанавливаться ближе к впускным окнам, что уменьшает потери тепла. Недостатком
фланцевых свечей является отсутствие возможности унификации их конструкций для
различных типов дизелей.
Использование свечей подогрева снижает
предельную температуру холодного пуска дизеля в среднем на 5 К. Вместе с тем, эффективность
применения уменьшается с понижением температуры, что требует существенного
повышения их мощности. Целесообразно применять свечи подогрева для облегчения
пуска дизелей с неразделенной камерой сгорания до температур порядка 263 К в
сочетании с топливными насосами, имеющими увеличенную цикловую подачу топлива
при пуске.
Электрофакельные подогреватели. Схема работы
(рис. 3.16) подобных устройств достаточно проста. Топливо из основного бака
подается в специальную камеру сгорания через форсунку, где попадая на
разогретую спираль накаливания воспламеняется и нагревает охлаждающую жидкость
двигателя, которая для улучшения процесса прогрева прокачивается дополнительным
насосом.
Если же рассматривать данные устройства более
подробно, то нельзя не отметить, что современные факельные подогреватели
шагнули далеко вперед. Если раньше водитель включал спираль накаливания,
убеждался, что накал есть, затем открывал подачу топлива на форсунку,
контролировал процесс образования факела в камере сгорания и только потом
заливал заранее приготовленную воду для прогрева двигателя, то теперь все
иначе. Все современные устройства этого типа имеют собственную автоматику,
обеспечивающую самостоятельную устойчивую работу. Кроме того, практически все
устройства этого класса снабжены программируемыми таймерами включения, а
некоторые и устройствами дистанционного управления. Использование
электрофакельных подогревателей впускного воздуха одновременно с заливкой в
двигатель маловязких масел снижает в среднем температуру пуска холодного
двигателя на 10-15 К. Наиболее совершенной отечественной конструкцией является
подогреватель, разработанный Владимирским тракторным заводом совместно с НАТИ
[9]. Из зарубежных подогревателей представляют интерес конструкции фирмы «Бош»
(ФРГ) и «Лукас» (Англия). Подогреватель ВТЗ-НАТИ планируется устанавливать на
дизелях Д-37Е, Д-160 и Д-240, а подогреватель конструкции фирмы «Бош» - на
дизелях ЯМЗ-240, ЯМЗ-740 и ЯМЗ-741. Подогреватель фирмы «Лукас» устанавливается
на дизелях фирмы «Перкинс», эксплуатируемых в нашей стране.
Рис.3.16. Блок-схема электрофакельного
подогревателя.
Одним из достоинств электрофакельных
подогревателей является возможность их работы на дизельном топливе или бензине,
т. е. на том же топливе, что и двигатель, на который они устанавливаются. Это
позволяет использовать их на двигателях различной конструкции, в том числе для
облегчения пуска многотопливных двигателей. Подогреватели можно использовать и
после пуска двигателя в режиме работы его на холостом ходу. Прогрев двигателя
ускоряется, уменьшается дымность и снижается токсичность отработавших газов.
На продолжительность пуска влияет расположение
электрофакела во впускном коллекторе по отношению к впускным окнам, а также
величина выступания его нагревательного элемента. Лучшие результаты были
получены, когда колпачок подогревателя или штифт теплового элемента с защитной
сеткой выступал в коллектор примерно на 2/3 своей длины, а пламя охватывало
примерно 1/3 площади впускного коллектора.
При проектировании новых двигателей, на которых
планируется установка электрофакельных подогревателей, необходимо
предусматривать в коллекторах специальные пазухи, снижающие скорость
всасываемого воздуха и обеспечивающие устойчивое горение факела при самостоятельной
работе двигателя.
Рис. 3.17. Электрофакельный подогреватель
ВТЗ-НАТИ:
- защитный колпачок; 2 - топливный жиклер; 3 -
корпус подогревателя; 4 - катушка электромагнита; 5- топливный клапан; 6 -
пружина; 7 - фильтр тонкой очистки; 8 - гайка топливного штуцера; 9 -
изолирующая втулка; 10 -спираль накаливания
При наличии в двигателе двух впускных
коллекторов подогреватели следует располагать в каждом из них.
Электрофакельный подогреватель конструкции
ВТЗ-НАТИ (рис.3.17) состоит из спирали накаливания 10, катушки электромагнита
4, завальцованного в корпус, колпачка 1 с отверстиями, сетчатого фильтра 7
тонкой очистки, топливного клапана 5, являющегося сердечником электромагнита 4,
и топливного жиклера 2. Клапан удерживается пружиной в закрытом положении. Две
клеммы катушки (К и С) предназначены для подключения обмотки катушки
электромагнита и спирали накаливания к источнику питания. Закрепляют
подогреватель на коллекторе вертикально с помощью фланца и уплотняющей паро-нитовой
прокладки.
Топливо к клапану электрофакелыюго подогревателя
поступает от фильтра тонкой очитки системы питания дизеля через поворотный
угольник, запирающее устройство с дозирующим отверстием 0,3 мм и перепускной
клапан, обеспечивающий давление топлива перед штуцером. Топливо в штуцере
дополнительно фильтруется сеткой и дозируется. Избыточное топливо от
перепускного клапана подается к сливным трубкам форсунок.
Важной деталью подогревателя является
электронагревательный элемент, в качестве которого используется спираль
открытого типа из нихромовой проволоки диаметром 1,3 мм, имеющая внешнюю и
внутреннюю навивку. Внешняя спираль предохраняет внутреннюю от переохлаждения
впускным воздухом, скорость которого возрастает с выходом двигателя на
самостоятельный режим работы. Спираль включается параллельно обмотке
электромагнита.
Через электрофакельный подогреватель проходит
ток 18-20 А при напряжении 8,5 В, что обеспечивает нагрев спирали до
температуры 1173 К за 15-20с и повышение температуры воздуха на впуске до
300-350 К. Для контроля за работой подогревателя последовательно ему включается
контрольный элемент ПД50В, располагаемый на щитке приборов. Клеммы
подогревателя соединяются с источником питания с помощью включателя (типа
ВК-316) через добавочное сопротивление СЭ50В, которое замыкается накоротко во
время пуска, что необходимо для соответствующего нагрева спирали.
Перед пуском включается спираль накаливания.
После ее нагрева подается напряжение на катушку электромагнитного клапана,
который открывает проход топлива. Топливо проходит через жиклер, попадает на
раскаленную спираль, испаряется и перемешивается с воздухом. Топливовоздушная
смесь воспламеняется, и образующееся пламя нагревает поступающий в цилиндры
воздух. Колпачок, окружающий спираль, создает оптимальные условия для
воспламенения, сгорания топливовоздушной смеси и предотвращает попадание в
цилиндры двигателя частиц спирали в случае ее перегорания.
После пуска двигателя подогреватель отключается
от источника питания, и топливный клапан 5 под действием пружины 6 перемещается
в первоначальное положение, перекрывая входное отверстие для прохода к жиклеру
2. Горение прекращается, и исчезает пламя, нагревающее воздух.
Электрофакельный подогреватель конструкции фирмы
«Бош» (рис. 3.18) имеет одну или две запальные штифтовые свечи, закрепляемые на
впускном коллекторе с помощью резьбового соединения, добавочное сопротивление,
включатель и электромагнитный клапан.
Рис. 3.18. Электрофакельный подогреватель фирмы
«Бош»:
- запальная штифтовая свеча; 2 - добавочное
сопротивление; 3 - выключатель; 4 - электромагнитный клапан
Запальная штифтовая свеча (рис. 3.19, а)
представляет собой устройство, в котором происходит дозирование поступающего
топлива, его испарение, смешивание с воздухом, воспламенение и горение.
Топливо, подаваемое к свече под низким давлением, дозируется жиклером,
размещенным в корпусе 1 свечи со стороны подводящего штуцера 5 и подается во
внутреннее пространство между кольцевой вставкой 6 и штифтом 2 нагревательного
элемента. Между штифтом и кольцевой вставкой расположена трубчатая мелкая сетка
8, которая смачивается поступающим топливом и обеспечивает хорошее испарение.
Это способствует равномерному распределению топлива вокруг штифта и
препятствует быстрому вытеканию топлива наружу. Штифт 2 представляет собой
однополюсную свечу накаливания, рассчитанную на напряжение 19 или 9,5 В.
Спираль свечи помещена в тонкостенную металлическую трубку, изолятором которой
служит керамический порошок.
Рис.3.19. Схемы отдельных элементов
электрофакельного подогревателя фирмы «Бош»:
а - запальная штифтовая свеча: 1 - корпус; 2 -
нагревательный элемент (штифт); 3 - топливный жиклер; 4 - топливный фильтр; 6 -
топливным штуцер;6- кольцевая вставка;7 -контргайка; 8 - испарительная сетка; 3
- защитный кожух; б - добавочное сопротивление;1 - биметаллическая пластина; 2
- корпус; 3 - контакты теплового реле; 4 - спираль добавочного сопротивления
При включении подогревателя топливо,
соприкасаясь с горячим штифтом, нагревается и испаряется. Испарившиеся частицы
топлива смешиваются с поступающим воздухом и, соприкасаясь с наружной, нагретой
до 1273-1373 К частью штифта, воспламеняются. Защитный кожух 9 с отверстиями и
внутренняя сетка 5, окружающие наружную часть штифта, предохраняют штифт от
переохлаждения при повышенных скоростях движения воздуха. Это обеспечивает
непрерывное горение топлива после начала самостоятельной работы двигателя. В
зависимости от напряжения одна свеча потребляет ток 11 или 22 А. Время
предварительного накаливания свечи до рабочей температуры зависит от
температуры окружающего воздуха и составляет 70-110 с. Запальную свечу
устанавливают в вертикальном, горизонтальном и промежуточных положениях. При
установке свечи в горизонтальном положении штуцер для подвода топлива
желательно направлять слегка вверх.
Топливо из системы питания двигателя поступает к
свече через запорное устройство, представляющее собой электромагнитный клапан.
Давление в топливной системе перед клапаном не должно превышать 5,9 кПа. При
большем давлении нарушается режим работы штифтовой свечи. В случае, если
топливная система двигателя в режиме пуска не обеспечивает давление 3,4 - 5,9
кПа, перед электромагнитным клапаном на выходе топливоподкачивающего насоса
устанавливают дополнительный клапан избыточного давления. Электромагнитный
клапан следует устанавливать ниже свечи во избежание появления воздушных
пробок, связанных с нарушением работы подогревателя. В электронагревательное
устройство входят добавочное сопротивление и тепловое реле, размещенные в одном
металлическом корпусе (рис. 3.19, б). Располагают его в любом месте, удобном
для крепления. Добавочное сопротивление служит для уменьшения напряжения на
свече при предварительном накаливании ее штифта в режиме зажигания. В момент
прокручивания двигателя электростартером оно замыкается накоротко, что
поднимает напряжение на свече. Тепловое реле с контактами на биметаллической
пластине служит для включения электромагнитного клапана и лампочки,
сигнализирующей о готовности двигателя к пуску. Величина добавочного
сопротивления подбирается в зависимости от номинального напряжения и количества
запальных свечей.
Перед пуском двигателя на свечи подается
напряжение от аккумуляторной батареи для предварительного накаливания штифта.
При этом ручку выключателя устанавливают в позицию, при которой в цепь
запальной свечи включается дополнительное сопротивление. Ток, проходящий через
дополнительное сопротивление, нагревает биметаллическую пластину теплового
реле. Пластина, изгибаясь, замыкает контакты, включающие сигнальную лампочку и
электромагнитный клапан. В результате открывается доступ топлива к запальной
свече.
После включения электростартера происходит
падение напряжения в электрической цепи. Переводом ручки во вторую позицию
дополнительное сопротивление выключается; при этом контрольная лампа,
электромагнитный клапан и свечи получают необходимое питание.
После пуска двигателя для продолжения работы
подогревателя в режиме ускоренного прогрева двигателя ручку выключателя снова переводят
в первую позицию. Время выключения электромагнитного клапана и тем самым
выключения подачи топлива определяется параметрами теплового реле. Такая схема
включения без дополнительных элементов не исключает возможность перегорания
нагревательного элемента свечи при работающем генераторе.
Электрофакельный подогреватель фирмы «Лукас»-
термостат САV-357 (рис. 3.20)
имеет корпус 1 топливного клапана с дросселирующим отверстием, которое
закрывается шариком 6, Закрытие отверстия происходит с помощью стержня 2,
проходящего внутри электрической спирали накаливания 4 открытого типа. Один
конец спирали соединен с массой через защитный колпачок 3, завальцованный в
корпус 5, другой - выведен наружу, изолирован от массы и присоединяется к
аккумуляторной батарее. Крепить подогреватель рекомендуется горизонтально или
под углом до 0,53 рад. Однако, как показали эксперименты, подогреватель можно
устанавливать и вертикально.
Рис. 3.20. Термостат САV-357
фирмы «Лукас»:
- корпус клапана; 2 - стержень клапана; 3 -
защитный колпачок; 4 - спираль накаливания; 5 - корпус термостата; в - запорный
шарик
В схеме питания топливом у термостата САV-357
предусмотрен дополнительный бачок вместимостью 25 см3. Наличие
дополнительного бачка гарантирует необходимую подачу топлива при малой частоте
вращения коленчатого вала двигателя (что имеет место при холодном пуске)
независимо от применяемой топливной системы. Однако бачок необходимо
располагать на высоте не менее 100 мм над уровнем топливного клапана
термостата, что может вызвать некоторые затруднения в компоновке его на
автомобиле или тракторе.
Перед пуском двигателя термостат САV-357
включается на 15-20 с. Спираль накаливания нагревается, удлиняется и тянет за
собой стержень, прижимающий шарик к седлу клапана. Шарик отходит, и топливо
самотеком вытекает из дополнительного бачка по стержню внутри спирали. Нагретое
топливо испаряется и смешивается с воздухом, поступающим из отверстий колпачка.
Зажигание топливовоздушной смеси происходит в нижней части спирали, имеющей
большой диаметр навивки и расположенной в закрытой части колпачка, что
способствует постоянному поддерживанию высокой температуры.
Отсутствие отдельного электромагнитного клапана
у термостата САV-357 с одной
стороны несколько упрощает топливную схему, но с другой не гарантирует пуска с
первой попытки при температуре ниже 253 К вследствие затухания пламени и не
дает возможности поддерживать горение на режиме самостоятельной работы
двигателя, что особенно важно для пуска многотопливного двигателя. Это явление
вызвано конструктивной особенностью топливного клапана, который при низких
температурах и увеличивающейся скорости потока впускного воздуха перекрывает
подачу топлива из-за охлаждения спирали накаливания. Термостат 159Ж, снабженный
отдельным электромагнитным клапаном, обеспечивает устойчивое горение топлива на
всех режимах пуска.
Термостат выключают после выхода двигателя на
самостоятельный режим работы. Как было отмечено выше, при работе термостата САV-357
могут наблюдаться явления преждевременного затухания пламени. В этом случае
пуск двигателя повторяют.
Несмотря на ряд преимуществ индивидуальных
предпусковых подогревателей, применение их связано со значительной потерей
рабочего времени смены и дополнительным обслуживанием при невысокой надежности
работы. Зимой время полной подготовки автомобилей и тракторов к работе
составляет 30- 60 мин и более. По данным Центральной
нормативно-исследовательской станции МСХ РСФСР в зимних условиях
подготовительно-заключительное время при разогреве трактора
«Кировец», имеющего индивидуальный подогреватель, составляет до 80 мин.
В настоящее время широкое распространение
получают групповые стационарные средства разогрева, которые производят разогрев
двигателей перед пуском или поддерживают их в теплом состоянии в течение всего
времени хранения с последующим доведением до рабочих температур после пуска.
В зависимости от вида теплоносителя групповые
стационарные средства разогрева делают с подачей нагретого воздуха, горячей
воды или пара, с газовыми горелками или электрическими нагревателями. Одним из
самых распространенных способов, улучшающих условия смесеобразования и
воспламенения, является проливка двигателей горячей водой. Заливку горячей воды
в рубашку охлаждения двигателя осуществляют в большинстве случаев через
радиатор. Такой способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что
вода передает большую часть тепла радиатору, которое затем отбирается
окружающей средой. Температура воды, поступающей из радиатора в блок двигателя,
оказывается примерно вдвое меньше первоначальной. Для разогрева двигателей
горячей водой с температурой 358-363 К требуется большой расход воды,
составляющий при температуре наружного воздуха ниже 253 К не менее 2,5
вместимости системы охлаждения. Такой разогрев трудоемок, неэкономичен и не
отвечает современным требованиям эксплуатации. В результате ежедневного слива
воды на территории стоянки образуются наледи, очистка от которых требует
дополнительных затрат труда.
Практикой установлено, что разогрев двигателей
проливкой горячей воды целесообразен до температур порядка 248-243 К при
наличии близкого источника воды. Поступающая в систему охлаждения горячая вода
разогревает стенки цилиндров и камер сгорания; в меньшей степени при этом
прогреваются подшипники и практически не нагревается масло в картере.
Разогрев двигателей горячей водой необходимо
сочетать с заливкой в двигатель маловязких масел или с использованием способов
понижения его вязкости.
Для сокращения расхода воды и улучшения
воспламенения топлива применяют различные средства, не связанные с
предварительным разогревом и действующие непосредственно в процессе пуска. В
данном случае разогрев двигателя осуществляют до меньших значений температур,
но после его пуска требуется дополнительное время на прогрев до рабочей
температуры.
Для подогрева воды и масла используют различные
водомаслогрейки, разогревающие воду до температуры 363-368 К с одновременным
подогревом масла до температуры 343-353 К. В качестве топлива в них обычно
используются дрова.
Агрегаты АТУ-1500В и АТУ-С конструкции ГОСНИТИ,
оборудованные жидкостными подогревателями, производят нагрев 600 л воды до
температуры 363 К за 30-35 мин. Для получения горячей воды пригодны и
водоэлектроподогреватели ВЭТ-200 (мощностью 6 кВт) и ВЭТ-400 (мощностью 10,5
кВт), которые подогревают до температуры 353 К соответственно 200 и 400 л
водопроводной воды за 4 ч.
Разогрев двигателей паром имеет много общего со
способом проливки горячей водой. Однако интенсивность разогрева двигателя выше.
Это объясняется тем, что пар содержит большее количество теплоты по сравнению с
другими теплоносителями (1 кг пара - 2100-2520 кДж).
При разогреве двигателей паром используют
дешевые источники энергии и специальные устройства для подвода пара к узлам
двигателя. Способ разогрева двигателя паром путем подвода его шлангом к
заливной горловине радиатора трудоемок и малоэффективен. Разогрев поддона
картера при этом способе осуществляется направленной струей пара из шланга.
Такой подогрев двигателей связан с большим расходом энергии и нарушением
техники безопасности.
Для устранения отмеченных недостатков пар
следует подводить непосредственно к рубашке охлаждения (к каждому из блоков
цилиндров в случае V-образного
двигателя), предусмотрев специальное устройство, исключающее утечку пара в
атмосферу. Разогрев масла в поддоне картера осуществляют с помощью
фальшподдонов. В фальшподдон пар попадает из распределительного устройства,
укрепляемого на автомобиле или тракторе. От источника пар поступает в
магистраль паропровода (наружную или скрытую в земле) с давлением не более 196
кПа; к двигателю - по шлангам с давлением не более 29,4-78,5 кПа, проходя через
штуцер с дросселирующим отверстием. Разогрев двигателей при температуре
наружного воздуха порядка 248 К обеспечивается при избыточном давлении пара в
сети 29,4- 39,2 кПа, при более низких температурах эта величина должна быть
повышена до 49-68,6 кПа. Для осуществления равномерного разогрева блока
цилиндров двигателя пар подводят к средним цилиндрам, и конденсат направляется
вниз. При этом довольно быстро прогреваются подшипники коленчатого вала
двигателя.
Применение электрической энергии для разогрева
двигателей по сравнению с другими источниками тепла имеет ряд преимуществ,
заключающихся в высокой надежности, широкой доступности, компактности нагревательных
элементов и быстроте их приведения в действие.
Во многих случаях электронагрев является
наиболее экономичным способом. Приведенные затраты на нагрев жидкости в расчете
на 1 т условного топлива составляют: при использовании электроэнергии- 173
тыс.руб., жидкого топлива - 257 тыс.руб., каменного угля - 212 тыс.руб.,
привозного газа - 220 тыс.руб.
В настоящее время электрические нагреватели
применяют для подогрева жидкости в системе охлаждения двигателя, масла в
картере, воздуха во впускном коллекторе перед пуском двигателя и в
электрокалориферах для подачи его по воздуховодам на разогрев машин.
Лучший разогрев двигателя обеспечивается при
закреплении электронагревателя в блоке двигателя.
Разогрев одного масла в большинстве случаев не
обеспечивает пуска двигателя, так как блок двигателя и подшипники не
нагреваются до необходимой температуры. Поэтому длительный нагрев и разогрев
масла перед пуском сочетают с заполнением системы охлаждения двигателя горячей
водой, нагрев которой производится отдельно, или путем установки
электронагревателей непосредственно в системе охлаждения.
Мощность нагревательных элементов для подогрева
жидкости в системе охлаждения двигателей принимают с учетом поддержания
температуры ее в радиаторе до 300 К, масла в картере - до 285 К. Обеспечить
пуск можно и при меньших температурах, но потребуется дополнительное время на
прогрев двигателя после пуска, без этого нагружать его не рекомендуется.
Для различных климатических зон необходимая
эффективность подогрева обеспечивается за счет изменения подводимой мощности и
времени нагрева, а также укрытия двигателей теплыми капотами.
Наибольший эффект при наименьшем расходе энергии
получается при подогреве охлаждающей жидкости до рабочей температуры
непосредственно в блоке двигателя с одновременным подогревом масла в картере.
При таком способе циркуляция жидкости происходит внутри блока, минуя радиатор
двигателя, что снижает расход электроэнергии, способствует ускоренному
разогреву подшипников двигателя и обеспечивает полную тепловую подготовку двигателя
к работе в соответствии с техническими условиями эксплуатации.
Время разогрева автомобильных и тракторных
двигателей зимой с применением электрических нагревателей различной мощности
изменяется в очень широких пределах - от 20 мин до 15 ч. У каждого типа
двигателей имеется свое оптимальное время разогрева, зависящее от
теплопроводности перегородок, по которым передается тепло от теплоносителя к
подшипникам коленчатого вала двигателя и каналам, пропускающим масло. При
применении нагревателя с большой теплопроизводительностью быстро повышается
температура наружных частей двигателя и происходит рассеивание значительной
части подведенного тепла. Излишний расход энергии наблюдается и при малой
мощности нагревателя, если время разогрева не соответствует оптимальному
значению. Оптимальное время разогрева двигателя 2-4 ч при мощности
нагревательных элементов, подогревающих жидкость в блоке двигателей
автомобилей: ГАЗ-51А-1,5 кВт, ГАЗ-53А -2 кВт, ЗИЛ-130-3,5 кВт, КрАЗ - 6 кВт. В
этом случае обеспечиваются равномерный разогрев всего двигателя и условия,
необходимые для принятия двигателем нагрузки сразу после пуска. В
распространенных нагревательных устройствах электронагрев производят с
применением различных ТЭНов.
Для подогрева жидкости системы охлаждения двигателя
применяют нагреватели, устанавливаемые в патрубках водяного насоса (рис. 3.21).
В цилиндрическом корпусе нагревателя с наружным диаметром, равным диаметру
патрубка водяного насоса, крепится ТЭН (мощность 2 кВт для двигателей
автомобилей ГАЗ-53А и 0,7 кВт- для автомобиля «Москвич»). Форму изгиба его и
размеры подбирают с учетом возможной установки ближе к блоку двигателя. При
этом электронагреватель не должен затруднять циркуляцию охлаждающей жидкости.
Подвод тока к ТЭНу производится трехконтактной вилкой штепсельного разъема,
которую крепят на двигателе в удобном для включения месте. Корпус
электронагревателя заземляется дополнительным контактом штепсельного разъема.
Нагревание жидкости происходит преимущественно в
водяной рубашке двигателя за счет термосифонной циркуляции, так как
дополнительный патрубок корпуса нагревателя соединен специальным шлангом с
отверстием для сливного краника цилиндров левого ряда.
На двигателе ЗМЗ-53 электронагреватель ставится
вместо серийного жидкостного подогревателя и обеспечивает интенсивный нагрев
двигателя при экономичном расходе энергии. Электронагреватель постоянно включен
в систему охлаждения двигателя с помощью двух штуцеров и рассчитан на подогрев
двигателя, заправленного жидкостью с низкой температурой замерзания. В
специальный бачок электронагревателя установлен ТЭН мощностью 2 кВт,
соединенный проводом с вилкой трехконтактного штепсельного разъема для
включения в электрическую сеть напряжением 220 В. Бачок верхним штуцером
присоединяется к отверстию для сливного краника цилиндров левого ряда, нижним -
для сливного краника цилиндров правого ряда; сливной краник в этом случае
устанавливается на соединительной трубке. Такая конструкция нагревателя
позволяет ограничить циркуляцию нагреваемой жидкости в объеме водяной рубашки
без образования воздушных пробок и улучшить использование подводимого тепла.
Одновременный нагрев жидкости в блоке и масла в
картере двигателя позволяет осуществить электронагреватель, смонтированный в
картере двигателя (рис. 3.22). В это устройство входят универсальный
электронагревательный котел и соединительные детали. Котел крепится в картере
двигателя и соединен трубками с наружными отверстиями водораспределительных
каналов цилиндров. Из верхнего патрубка котла нагретая жидкость поступает в
блок двигателя и возвращается с другой стороны его, интенсивно нагревая масло и
жидкость.
Рис. 3.22. Установка электронагревателя в
картере двигателя ЯМЗ-238 для подогрева масла и жидкости системы охлаждения:
- трубка подвода холодной жидкости; 2 - корпус
нагревателя; 3 - нагревательный элемент; 4 - уплотнительные кольца; 5 - днище
нагревателя; 6 - защитный колпак; 7 - привод вилки штепсельного разъема 8 -
трубка отвода горячей жидкости
При мощности электронагревательного устройства 6
кВт такое крепление обеспечивает полную тепловую подготовку всего двигателя к
пуску и принятию нагрузки за 3-4 ч подогрева при окружающей температуре до 233
К. Разогрев одиночно стоящих или группы машин можно осуществлять автоматически
с помощью реле времени по установленной программе. Электронагревательное
устройство с автоматическим управлением имеет преимущества перед другими
способами подогрева и применимо при заправке системы охлаждения жидкостями с
низкой температурой замерзания. В этом случае установка электрического котла
связана с внесением некоторых изменений в конструкцию поддона картера
двигателя.
Обеспечение полной тепловой подготовки
двигателей к пуску и работе возможно и при установке на двигатель съемного
электрического котла (рис. 3.23) унифицированной конструкции с включением его в
систему охлаждения блока двигателя при одновременной установке специального
электронагревателя в картере для подогрева масла.
Учитывая значительный расход энергии при
подогреве металлоемких двигателей, в электрокотел целесообразно устанавливать
два ТЭНа, что позволяет выровнять нагрузку и повысить надежность установки. Для
включения удобна четырехконтактная розетка штепсельного разъема, монтируемая на
облицовке радиатора; ее четвертый контакт служит для заземления электрокотла и
шкафа управления.
Рис. 3.23. Оборудование трактора «Кировец К-701»
электронагревательным устройством:
- трубка отвода горячей жидкости; 2 - трубка
подвода холодной жидкости; 3 - электрический котел; 4 - защитный колпак; 5 -
штепсельный разъем
Опыт эксплуатации существующих машин показывает,
что в хозяйствах возникает необходимость использовать в зимний период весь
автотракторный парк, даже недостаточно приспособленный к работе зимой. Проведением
дополнительных организационно-технических мероприятий можно значительно снизить
влияние холодного воздуха зимой на условия эксплуатации, на показатели
использования автотракторных двигателей и облегчить их обслуживание.
4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ТОПЛИВНОЙ АППРАТУРЫ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Низкая температура в системе питания дизеля
вызывает выпадение из топлива высокоплавких углеводородов в виде кристаллов
различной формы, которые способны забивать фильтрующие элементы, узкие места
топливопроводов и штуцеров.
В настоящее время существует три способа,
предотвращающее это нежелательное явление:
. Воздействие на свойства дизельного топлива в
процессе его производства и потребления;
. Адаптацией конструкции топливной системы
дизеля к отрицательным температурам;
. Созданием условий, смягчающих негативное
воздействие внешних факторов, как на работу агрегатов топливоподающей системы,
так и на свойства самого топлива.
Первая группа в основном сводится к добавлению
депрессорных присадок, которые повышают текучесть и прокачиваемость топлив при
низких температурах. Однако эффективность действия депрессорных присадок
зависит от их концентрации в топливе, его углеводородного состава и наличия в
нем асфальто-смолистых веществ. Ввод присадок в дизельное топливо с
присутствием воды, которая всегда содержится в условиях эксплуатации,
неблагоприятно сказывается на эффективности их применения. Поэтому эффект от
депрессорных присадок в реальных условиях всегда оказывается ниже, чем при
специальных целевых испытаниях.
Вторая группа - направлена на улучшение
низкотемпературной прокачиваемости дизельного топлива. Реализация программы
IGF-3 европейского координационного совета по совершенствованию методов
испытаний смазок и моторных топлив позволит лишь определить арсенал средств
улучшения работоспособности дизельных топлив при низких температурах, а также
количественно оценить влияние того или иного фактора.
Третья группа может реализоваться как на стадии
создания дизельных установок (размещение агрегатов в местах защищенных от
обдува холодным воздухом), так и в эксплуатации. Однако самый радикальный
способ этой группы -- подогрев топлива. Применение электроподогревателя
позволяет решить проблемы как прокачиваемости, так и фильтруемости дизельного
топлива. Кроме того, подогрев топлива позволит снизить выброс вредных веществ в
атмосферу с отработавшими газами и расход топлива дизелем, поскольку улучшается
процесс сгорания.
.1 Определение пределов работоспособности
топливной системы при низких температурах
Температура окружающего воздуха оказывает
существенное влияние на процесс топливоподачи дизеля, это связано с
зависимостью вязкости дизельного топлива от температуры и кристаллизацией
парафинистых углеводородов. Одной из причин снижения надежности автотракторных
дизелей в условиях отрицательных температур, является выпадение кристаллов
парафинов в топливе, повышение сопротивления линии низкого давления системы
питания, и как следствие уменьшение коэффициента наполнения насоса высокого
давления. Согласно нашим [10] исследованиям наиболее критическим участком
топливной системы дизеля, работающего в условиях отрицательных температур,
является линия всасывания топливоподкачивающего насоса (ТПН) с фильтром грубой
(ФГО) очистки, который одним из первых забивается образующими кристаллами
Н-алканов.
Для изучения процесса образования Н-алканов в
дизельном топливе нами были поведены исследования по определению количества
кристаллов парафинов в дизельном топливе марки «Л» [10].
Анализ физико-химических свойств углеводородов,
приведенный в таблице 2.12, показывает, что в дизельном топливе имеются
кристаллы углеводородов с очень высокой температурой плавления, например,
гексаметилбензол С12Н18 плавится при температуре 165.5 0С;
бутилнонан С13Н28 имеет температуру плавления 70 0С
и т.д. Содержание таких углеводородов в дизельном топливе составляет не более
0.6%. Углеводороды с высокой температурой плавления практически находятся в
твердом состоянии при любой температуре окружающей среды.
Отдельные нафтеновые и ароматические
углеводороды, например, изопропил декалин С13Н26,
н-гексилбензол и др., плавятся при температуре -94.8...-66.8 0С.
Следовательно, углеводороды с низкой температурой плавления практически
находятся в жидком состоянии при эксплуатации дизеля в любой климатической
зоне. В дизельном топливе марки «Л» углеводороды с низкой температурой
плавления составляют около 1,5%, обеспечивая относительную его подвижность [20,
37].
Тяжелые углеводороды парафиновой и ароматической
групп в летнем дизельном топливе занимают около 57%. Температура плавления этих
углеводородов находится в пределах от -13 0С до -2 0С. По
данным табл. 2.12 нами построена интегральная кривая (рис. 4.1) застывания
углеводородов дизельного топлива в зависимости от температуры окружающей среды.
Рис.4.1.Интегральная кривая застывания
углеводородов дизельного топлива
Анализ интегральной кривой позволяют сделать
выводы:
1 с
понижением температуры окружающей среды от 28 0С до 0 0С
количество кристаллов твердых углеводородов плавно нарастает и при t=00C
составляет около 25% в единице объема топлива.
2 при
температуре окружающей среды t=0...-5
0C интенсивность
образования кристаллов резко нарастает. При температуре t=-5
0C около 50%
углеводородов дизельного топлива из жидкого состояния переходят в
кристаллическую фазу, чем и объясняется помутнение топлива.
3 при
дальнейшем понижении температуры окружающей среды от t=-5
0C до t=-13
0C наблюдается резкий
переход дизельного топлива из жидкого состояния в твердое. При t=-13
0C около 86% углеводородов
дизельного топлива находятся в кристаллическом состоянии.
4 при
дальнейшем понижении температуры от t=-13
0C до t=-28
0C наблюдается
замедленный рост кристаллов в дизельном топливе. При температуре t=-28
0C около 98%
углеводородов находится в твердом состоянии.
Для определения минимальной температуры топлива
[92-98], при которой возможна работа топливной системы дизеля, воспользуемся
уравнениями неразрывности потока и Бернулли для реальной жидкости. Рассмотрим
линию всасывания топливной системы дизеля, работающего по традиционной схеме,
когда ФГО расположен перед ТПН. В этом случае уравнение Бернулли будет иметь
следующий вид
|
 ,(4.1)
|
|
где Z1,
Z2
- высота расположения выхода из топливного бака и входа в
ТПН, отсчитанная от произвольной горизонтальной
плоскости сравнения;
Н - высота столба топлива в баке;
a1, a2
- коэффициенты Кориолиса в рассматриваемых сечениях;
J1, J2
- средние скорости потока топлива в рассматриваемых сечениях;
g - ускорение
свободного падения;
r - плотность топлива;
åh - суммарные
потери напора между рассматриваемыми сечениями;
Рвак - вакуумметрическое давление,
создаваемое ТПН.
Уравнение неразрывности потока будет выглядеть
следующим образом
|
 ,(4.2)
|
|
где w1,
w2
- площади потока в рассматриваемых сечениях; Q
- расход топлива через ТПН.
Условие обеспечения работоспособности линии
низкого давления дизеля с учетом уравнений (4.1) и (4.2), а также тем, что
коэффициент Кориолиса для ламинарного движения в трубах равен 2.0, можно
записать следующим образом
|
 .(4.3)
|
|
Суммарные потери напора складываются из потерь
напора по длине трубопроводов åhдл
и
потерь от местных сопротивлений åhм
Потери напора по длине трубопроводов
определяются по формуле
|
 ,(4.5)
|
|
где l
- суммарная длина трубопроводов от бака до ТПН;
dтр-
диаметр трубопровода;
Jтр- средняя скорость
движения топлива по трубопроводам;
l- коэффициент гидравлического трения
(коэффициент Дарси).
При ламинарном движении топлива по трубопроводам
круглого сечения коэффициент Дарси можно определить
|
 ,(4.6)
|
|
где Re
- число Рейпольдса.
Число Рейпольдса для труб круглого сечения
|
 ,(4.7)
|
|
где v
- кинематическая вязкость дизельного топлива.
Суммарные потери от местных сопротивлений при
ламинарном движении топлива определим по следующей зависимости:
|
 ,(4.8)
|
|
где xкв. i
- коэффициент местного i-го
сопротивления квадратичной
области;
Rei
-- число Рейнольдса для i-ro
местного сопротивления;
Ai
- коэффициент i-ro
сопротивления;
Ji
- средняя скорость топлива в i-том
сопротивлении.
Вязкость дизельного топлива зависит от
температуры и может быть определена по формуле
|
 ,(4.10)
|
|
где m, mо-
динамическая вязкость дизельного топлива при температуре Т и Т0;
b - коэффициент, значение которого для дизельного
топлива изменяется в пределах 0,025. ..0,03.
Общеизвестна зависимость между динамической и
кинематической вязкостью m=nr. Считаем, что
плотность топлива в рассматриваемом нами интервале температур является
величиной постоянной, тогда с учетом формулы (4.10) будем иметь
|
 ,(4.11)
|
|
где v0
- кинематическая вязкость дизельного топлива при +20 °С (293 К).
После подстановки формулы (4.11) в выражение
(4.9) и далее (4.8), а также (4.11) в зависимости (4.7), (4.6) и (4.5), с
учетом уравнения (4.4) и неравенства (4.3), после соответствующих
преобразований получим:
|
 .
(4.12)
|
|
В формуле (4.12) обозначено
, (4.13) 
, (4.13)
, (4.14) 
, (4.14)
По зависимости (4.13) с достаточной степенью
точности может быть определена минимальная температура, при которой
обеспечивается нормальная подача топлива по линии низкого давления.
.2 Методика расчета теплоемкости дизельного
топлива при температурах ниже температуры помутнения
Для определения теплоемкости топлива стоп
находим количество теплоты, которое необходимо сообщить дизельное топливу
массой mо
для того, чтобы изменить его температуру от Тт (текущей температуры
топлива) до Тп (температуры помутнения топлива) , если Т3
≤ Тт ≤ Тп .
Для бесконечно малого изменения температуры
справедливо выражение
|
 ,
(4.15)
|
|
где dQт
- теплота, сообщаемая дизельному топливу для изменения его
температуры на dTТ;
dQ1
- теплота, идущая на плавление кристаллов н-алканов в
интервале температур dTТ;
dQ2
- теплота, идущая на изменение теплосодержания расплавлен-
ной фазы в интервале температур dTТ
;
dQ3
- теплота, идущая на изменение теплосодержание
кристаллической фазы в интервале температур dTТ
.
Удельная теплота плавления для органических
соединений определяется по формуле
|
 ,(4.16)
|
|
где Тпл - температура плавления.
Введя средний мольный объем кристаллической
фазы, имеем
|
 ,
(кДж/м3) (4.17)
|
|
Тогда, количество теплоты, необходимое для
плавления кристаллической фазы объемом
|
 .
(4.18)
|
|
Объем кристаллической фазы, которая плавится
|
 ,
(4.19)
|
|
где mкр
-- масса кристаллической фазы, которая плавится при температуре
Тт (кг);
ρкр
-- средняя плотность кристаллической фазы (кг/м3).
Предполагаем, что процесс плавления непрерывный
в интервале температур от Тз до Тп , а масса кристаллов,
которая плавится при температуре Тт - есть близкая к линейной
функции температуры ( рис. 4.2).
Суммарная масса кристаллов при температуре
топлива, равной температуре замерзания Тз
|
 ,
(4.20)
|
|
где 
-- масса кристаллов, которая
плавится при температуре топлива,
равной температуре замерзания Т3
.
Предполагаем, что суммарная масса
кристаллов mкр при
температуре Тт - есть также близкая к линейной функции температуры
(см. рис.4.2), отвечающая следующим допущениям: при Тт = Тп
; mкр= 0, а при ТТ
= Тз ; mкр = m0 , где m0 - масса
всего топлива. Тогда с учетом рис. 4.2 и формулы (4.20) имеем
|
 ,
(4.21)
|
|
Рис 4.2. Процесс плавления кристаллов парафина
Аналогично (рис. 4.2)
|
 .
(4.22)
|
|
Массу расплавленной фазы определяем как разницу
массы всего топлива и массы кристаллической фазы
|
 ,
(4.23)
|
|
С учетом (4.22), после преобразования имеем
|
 .
(4.24)
|
|
Подставляя выражение (4.20) в формулу (4.19) и
далее в уравнение (4.18), получим
|
 .
(4.25)
|
|
В формуле (4.25) Тпл заменена на
текущую температуру топлива. Количество теплоты, идущее на плавление кристаллов
в интервале температур dТт
|
 .
(4.26)
|
|
Количество теплоты, идущее на изменение
теплосодержания расплавленной фазы в интервале температур dТТ
определятся как
|
 ,
(4.27)
|
|
где ср -- средняя теплоемкость
расплавленной фазы в интервале температур от Тт до Тп
(кДзж/кг °К).
С учетом уравнения (4,24), имеем
|
 ,
(4.28)
|
|
Количество теплоты, идущее на изменение
теплосодержания кристаллической фазы
|
 ,
(4.29)
|
|
где скр -- средняя теплоемкость
кристаллической фазы в интервале температур от Тт до Тп (кДж/кг
°К).
С учетом выражений (1.18) и (1.19) получим
|
 ,
(4.30)
|
|
Подставляя выражения (4.26), (4.28) и (4.30) в
уравнение (4.15), проинтегрировав и преобразовав, имеем
|
 ,
(4.31)
|
|
Общеизвестно 
. (4.32)
Тогда теплоемкость топлива в
интервале температур от Тз до Тп
|
 .
(4.33)
|
|
Скорость топлива Vтоп через нагретую
углеродную ткань определяется из гидродинамического расчёта всасывающей линии
топливоподкачивающего насоса при известном расходе топлива через последний.
.3 Методы расчета нагревательных элементов,
установленных в топливной системе дизеля
Основная доля нефти, добываемой в странах СНГ,
парафинистого основания, а в дизельном топливе, полученном из нее, содержится
от 15 до 30% углеводородов нормального ряда (н-алканов), обладающих более
высокими температурами кристаллизации, чем все остальные углеводороды топлива.
Это является причиной образования в дизельном топливе при низких температурах кристаллической фазы.
Кристаллообразование ведет к ухудшению
низкотемпературных свойств топлива, его прокачиваемости и фильтруемости.
Коэффициент фильтруемости, как показывают наши исследования, при температуре
топлива на 2…30 ниже температуры помутнения, достигает 8...10
единиц, тогда как для нормальной прокачиваемости топлива этот же коэффициент
должен находиться в пределах 2...3 единиц. Для Республики Беларусь зимние сорта
топливе практически не применяются, поэтому в условиях зимней эксплуатации
автотракторной техники необходимо обеспечить запуск и работу дизельных
двигателей на летних сортах топлива.
Для повышения эффективности работы фильтров
дизельных двига-телей при отрицательных температурах нами предложены
конструкции электроподогревателей [69,70,71] с использованием углеродных нитей
и тканей. Однако отсутствие теоретических исследований теплообмена между
нагревательным элементом и дизельным топливом при низких температурах затрудняет использование этого перспективного
направления в обеспечении надежной зимней эксплуатации дизелей.
Данные теоретические исследования направлены на
решение задачи: до какой температуры t0
в начале трубопровода необходимо подогреть дизельное топливо, чтобы его
температура в сечении x=l
(l- длина трубопровода)
соответствовала требуемой tx,
если температура окружающей среды равна tc.
Физические свойства дизельного топлива таковы,
что подогревать его выше температуры t=40...45
0C не рекомендуется
из-за интенсивного выделения смолистых веществ. Известно, что при температуре
близкой к t=0 0C
в дизельном топливе марки “Л” образуются кристаллические структуры, которые
снижают его прокачиваемость по трубопроводам. Следовательно, решение
поставленной задачи позволит ответить на вопрос - до какой температуры следует
подогревать дизельное топливо на начальном участке системы питания, чтобы в
потоке не образовывались кристаллы твердых углеводородов при его движении по
всей системе, в том числе была обеспечена его фильтрация в ФГО и ФТО.
Поставленная цель может быть достигнута только
составлением и решением дифференциального уравнения движения топлива и
уравнением переноса тепловой энергии на участке трубопровода низкого давления.
.3.1 Дифференциальное уравнение конвективного
теплообмена
Выделим в потоке жидкости неподвижный
(относительно координатной системы XYZ)
(рис. 4.3), элементарный параллелепипед с ребрами dx,
dy, dz,
параллельными координатным осям. Через грани параллелепипеда теплота
переносится теплопроводностью и конвекцией. В рассматриваемом объеме может выделяться
теплота внутренними источниками за счет внешней энергии по отношению к
рассматриваемому источнику. Например, теплота от трения частиц топлива о стенки
трубопровода и молекул между собой.
Рис. 4.3. Расчетная схема переноса тепла в
потоке жидкости на ось OX
Количество теплоты, которая подводится к граням
элементарного объема за время dt
в направлении осей OX,
OY и OZ
обозначим соответственно через dQX,
dQY и dQZ.
Количество теплоты, которое будет отводиться
через противоположные грани в тех же направлениях, обозначим соответственно
через dQX+dX,
dQY+dY
и dQZ+dZ.
Количество теплоты, подводимой к грани dydz
в направлении оси Х за время dt
равно
dQX=qXdydz
dt, (4.34)
где qX - проекция
вектора плотности теплового потока 
dQX+dX=qX+dX×dydzdt.
(4.35)
Если dQX>dQX+dX,
то элементарный объем будет нагреваться, т.е. аккумулировать тепловую энергию.
Если dQX<dQX+dX,
то элементарный объем будет остывать, т.е. отдавать в окружающую среду тепловую
энергию.
Количество теплоты, аккумулированной
элементарным объемом в направлении оси OX
равно
dQX1=dQX-dQX+dX=(qX-qX+dX)×dydzdt.
(4.36)
Величина qX+dX
есть непрерывная функция, координаты х и ее можно разложить в ряд Тейлора
|
 .(4.37)
|
|
Так как, по условию величина dx
нами принята как бесконечно малая, то dx2,
dx3
также величины бесконечно малы высшего порядка и ими можно пренебречь.
Если ограничиться двумя первыми членами ряда
Тейлора, то выражение (4.36) примет вид
|
 .
(4.38)
|
|
Аналогичным образом можно найти количество
теплоты, подводимой к элементарному объему в направлении осей OY
и OZ. Количество
теплоты dQ, подводимое
к элементарному объему составит
|
 .
(4.39)
|
|
Обозначим количество теплоты, выделяемое
внутренними источниками в единице объема за единицу времени через qV,
тогда
dQ2=qVVdt.
(4.40)
В случае рассмотрения изобарного процесса вся
теплота, подведенная к элементарному объему, расходуется на изменение
внутренней энергии дизельного топлива, заключенного в этом объеме
|
 ,
(4.41)
|
|
где cV
-теплоемкость единицы объема топлива.
Подставляя в (4.34) значения (4.40), (4.41), а
так же (4.35) получим
|
 .
(4.42)
|
|
Проекция плотности теплового потока 
на
координатные оси OX, OY, OZ в
соответствии с законом конвективного теплообмена [41] равны
|
 .(4.43)
|
|
Подставляя значения qX,
qV
и
qZ в уравнение (4.43)
получим
|
 .
(4.44)
|
|
Для несжимаемых жидкостей r=const,
тогда
|
 .
(4.45)
|
|
После преобразований уравнения (4.44) с учетом
(4.45) и (4.36) получим уравнение энергии
|
 ,
(4.46)
|
|
|
 ,
(4.47)
|
|
где 
- коэффициент температуропроводности
[77].
Многочлен, стоящий в левой части
уравнения (4.47) представляет собой полную производную от температуры по
времени, величина 
характеризует
изменение температуры во времени в какой-либо точке жидкости. Член уравнения
(4.47) 
-
характеризует изменение температуры при переходе от точки к точке.
В уравнении (4.47) оператор Лапласа
обозначим
|
 .(4.48)
|
|
Если t=t(x,y,z,t),
то
|
 ,
(4.49)
|
|
где 
- проекция вектора скорости
жидкости на оси координат (рис.4.3).
С учетом (4.48) и (4.49) уравнение
энергии (4.47) примет вид
|
 .
(4.50)
|
|
Выражение (4.50) является дифференциальным уравнением
переноса энергии по трубопроводу низкого давления, кроме того, оно - уравнение
трех независимых переменных: температуры t,
скорости J и времени t. Для решения
уравнения (4.50) относительно искомой температуры на выходе из подогревателя,
составим замыкающее условие - уравнение движения топлива по трубопроводу
низкого давления.
.3.2 Уравнение движения жидкости в трубопроводе
Для составления уравнения движения дизельного
топлива в трубопроводе низкого давления воспользуемся вторым законом Ньютона.
Предположим, что скорость движения жидкости
изменяется только в направлении оси ОХ, тогда второй закон Ньютона примет вид
|
 .
(4.51)
|
|
Выделим в потоке вязкой жидкости элементарный
объем с размерами ребер dx,
dy, dz
(рис. 4.4). На выделенный объем действуют три вида сил: сила тяжести,
равнодействующая сил давления отброшенной части жидкости и равнодействующая сил
трения.
Рис. 4.4 Схема сил, действующих на элементарный
объем в потоке жидкости
Найдем проекции этих сил на ось ОХ. Сила тяжести
приложена в центре масс выделенного объема и ее проекция на ось ОХ равна
dG=rqdV.
(4.52)
Равнодействующая сил давления определяется из
следующих соображений: если на грани abcd
(рис. 4.4) давление жидкости равно r, то сила Р
действующая на площадку dydz
составит
dP1=pdydz.
(4.53)
На нижней грани a1b1c1d1
с точностью до второго члена разложения в ряд Тейлора давление составит p1=p+(dp/dx)dx,
и на эту грань действует сила противоположно направленная скорости движения
жидкости
dP2=-(p+dp/dx)dydz. (4.54)
Равнодействующая сил давления равна их
алгебраической сумме
|
 .
(4.55)
|
|
Так как скорость изменяется только в направлении
оси Х, то силы трения возникнут на боковых гранях aba1b1
и dcd1c1
выделенного объема. При этом
|
 ,
и  ,
(4.56)
|
|
где J - скорость
движения топлива вдоль оси ОХ.
Равнодействующая сил трения, отнесенного к
единице объем
|
 ,
(4.57)
|
|
где m - динамическая
вязкость топлива;
dV=dxdydz
- элементарный объем.
Суммируя силы dG,
dP и dF
получим проекцию равнодействующей силы на ось О
|
 .
(4.58)
|
|
Учитывая, что масса выделенного объема m=rdV,
и, подставляя (4.58) в (4.51), после преобразований получим уравнение движения
жидкости вдоль оси ОХ
|
 .
(4.59)
|
|
Все слагаемые уравнения (4.59) имеют размерность
силы, отнесенной к единице объема. На основании понятия о полном дифференциале
имеем
|
 .
(4.60)
|
|
В выражении (4.60) производная 
характеризует
изменение скорости по времени в какой-либо точке жидкости; остальные слагаемые
правой части уравнения характеризуют изменение скорости при переходе от точки к
точке.
При установившемся движении топлива
в трубопроводе ускорение равно нолю, т.е.
a=dJ/dt=0. (4.61)
Подставляя (4.60) в (4.50) после
приведения подобных и преобразований, получим
|
 .
(4.62)
|
|
Если трубопровод расположен горизонтально и ось
ОХ совпадает с осью трубопровода, то проекция силы тяжести на ось равна нолю.
Тогда уравнение (4.62) примет вид
|
 .
(4.63)
|
|
Левая часть уравнения (4.63) не зависит от
координаты х, так как скорость может изменяться только вдоль осей OY
и OZ, а вдоль оси OX
J=const.
Правая часть уравнения (4.64) зависит от
координаты х, поэтому обе части данного уравнения могут быть равны только
постоянной величине, т.е.
|
 ,
(4.64)
|
|
где l
- длина трубопровода.
С учетом (4.63) уравнение движения примет вид:
|
 .
(4.65)
|
|
Уравнение (4.65) является незамкнутым, так как
помимо скорости J в него входит еще неизвестная
давления р, поэтому необходимо составить еще одно уравнение, связывающее
параметры J и р. Таким уравнением является уравнение
неразрывности потока жидкости.
.3.3 Уравнение неразрывности потока жидкости
Выделим в потоке движущейся жидкости неподвижный
элементарный параллелепипед со сторонами dx,
dy, dz
и определим массу жидкости, протекающей через него в направлении осей OX,
OY, OZ
(рис. 4.5).
В направлении оси OX
в параллелепипед втекает масса жидкости за единицу времени равная
dmX=rJX
dydzdt.
(4.66)
Из противоположной грани вытекает масса:
dmX+dX=rJX+dX
dydzdt,
(4.67)
где JX,
JX+dX
- соответственно величина скорости на входе в грань abcd
и на выходе из грани a1b1c1d1.
Рис. 4.5. Расчетная схема неразрывности потока
жидкости
Ограничиваясь первыми двумя членами разложения в
ряд Тейлора, получим, что масса dmX+dX,
вытекающая из элементарного объема в направлении оси ОХ равны
|
 .
(4.68)
|
|
Вычитая (4.66) из (4.67), получим излишек массы
жидкости, вытекающий из элементарного объема в направлении оси ОХ
|
 .
(4.69)
|
|
Аналогичным образом в направлении осей OY
и OZ имеем
|
 ,
(4.70)
|
|
|
 .
(4.71)
|
|
Суммируя (4.69) и (4.70) получим полный избыток
массы жидкости, вытекающий из элементарного объема
|
 .
(4.72)
|
|
Этот избыток обуславливается изменением
плотности жидкости в объеме dV
за время dt
|
 (4.73)
|
|
При совместном решении (4.72) и (4.73) получим
дифференциальное уравнение потока жидкости. Для несжимаемой жидкости r=const:
|
 ,
или  .
(4.74)
|
|
Таким образом, конвективный теплообмен в
декартовой системе координат описывается системой уравнений (4.50), (4.65) и
(4.74).
Применим эти уравнения для исследования потока
жидкости в цилиндрической трубе.
4.3.4 Дифференциальное уравнение конвективного
теплообмена в цилиндрических координатах
Если с геометрической осью трубопровода
совместить ось ОХ, а начало системы отсчета поместить в начало трубопровода
(рис. 4.6), то температурное поле будет изменяться только с изменением
координаты х, а температура в любой точке М трубопровода будет зависеть только
от координат Y и Z,
т.е. t=t(y,z,t).
Рис. 4.6. Расчетная схема движения топлива в
трубопроводе низкого давления
При равномерном охлаждении трубопровода
окружающим воздухом, температура в любой точке К, находящейся на расстоянии r
от оси цилиндра, будет одинаковой. Следовательно, изотермические поверхности
будут представлять собой цилиндрические поверхности коаксиально расположенные к
поверхности трубопровода. В этом случае температурное поле будет зависеть от
координат j, r,
x. Между радиальной
координатой r и координатами y
и z существует связь
|
 .
(4.74)
|
|
Тогда оператор Лапласа (4.49) в цилиндрической
системе координат примет вид
|
 .
(4.75)
|
|
С учетом (4.73) уравнение конвективного
теплообмена примет вид
|
 .
(4.76)
|
|
Предполагая, что перенос теплоты
теплопроводностью в радиальном направлении во много раз больше, чем в осевом,
т.е.
|
 .
(4.77)
|
|
Тогда членом 
можно
пренебречь как величиной бесконечно малой. Кроме того, предположим, что поток
дизельного топлива движется только в направлении оси трубопровода, а в
радиальном направлении перемещение частиц топлива отсутствует, тогда Jr=0.
Измерением температуры дизельного
топлива в трубопроводе низкого давления на выходе из подогревателя, на входе в
ФГО и в среднем сечении нами установлено, что при заданном режиме работы
подогревателя, температура потока жидкости не меняется во времени.
Следовательно, поток топлива в трубопроводе низкого давления следует
рассматривать как стационарный, и в уравнении (4.75) слагаемое
|
 .
(4.78)
|
|
С учетом (4.76)-(4.78) Уравнение (4.75) примет
вид
|
 .
(4.79)
|
|
уравнение (4.79) имеет вид:
|
 .
(4.81)
|
|
Это незамкнутое дифференциальное уравнение
второго порядка с двумя независимыми переменными x
и r. Уравнение (4.81)
может быть решено только совместно с замыкающими уравнениями (4.62) и (4.73).
Система уравнений (4.75), (4.82), (4.83)
описывает бесчисленное множество процессов теплообмена между жидкостью и
окружающей средой, изменяющихся в пространстве и времени. Для того чтобы
выделить рассматриваемый процесс и однозначно его определить, необходимо
дополнительно задать начальные и граничные условия, которые определяют
единственность решения задач конвективного теплообмена. Начальные и граничные
условия однозначности, которые в совокупности называются краевыми условиями,
содержат информацию о распределении температуры внутри жидкости в начальный
момент времени; о закономерности взаимодействия между потоком дизельного
топлива трубопроводом; между трубопроводом и окружающей средой; о характере
изменения температуры топлива во времени и пространстве; о скорости течения
жидкости в трубопроводе.
.3.5 Режим течения дизельного топлива в
трубопроводе
Интегрируя уравнение (4.79) получим
|
 .
(4.84)
|
|
В силу симметричности профиля скорости
относительно оси трубопровода (r=0),
величина dJ/dr=0,
тогда с1=0.
Интегрируя (4.74), имеем
|
 .
(4.85)
|
|
На внутренней стенке трубы (r=R),
J=0, т.е.
|
 .
(4.86)
|
|
Тогда закон изменения профиля скорости по
сечению трубопровода опишется уравнением:
|
 .
(4.87)
|
|
Средняя скорость течения дизельного топлива
|
  , (4.88)
|
|
где R=D/2
- внутренний радиус трубопровода;
Dр - разряжение в трубопроводе;
- длина трубопровода.
Из (4.88) находим
|
 .
(4.89)
|
|
Подставив в (4.87) значение 2JCP/R2,
получим закон распределения скоростей по сечению трубопровода, выраженный через
среднюю скорость
|
 .
(4.90)
|
|
Анализ зависимости (4.90) показывает, что
скорость потока дизельного топлива по сечению трубопровода изменяется по
параболическому закону (рис. 4.6) (Паузелевское распределение скоростей [78,
79]). При этом на границе соприкосновения потока жидкости со стенками
трубопроводов [J]Г=0.
Среднюю скорость движения дизельного топлива в
трубопроводе определим исходя из цикловой подачи при номинальном режиме работы
двигателя.
Объем трубопровода занятый цикловой подачей
|
 (4.91)
|
|
где dT
- внутренний диаметр трубопровода низкого давления для
топливной аппаратуры дизелей принят равным 8 мм;
- длина трубопровода занятого
цикловой подачей.
Исходя из условия, что за время
цикла t, выделенный
объем должен переместиться на величину 
по трубопроводу, тогда средняя
скорость движения дизельного топлива по трубопроводу составит:
|
 ,
(4.92)
|
|
где qЦ
- цикловая подача ТНВД;
nH
- частота вращения кулачкового вала топливного насоса.
Средняя скорость движения топлив в трубопроводе
будет изменяться с изменением его температуры и вязкости.
Режим движения жидкости в трубопроводе
определяется соотношением сил инерции и вязкости [21], т.е. числом Рейнольдса.
|
 ,
(4.93)
|
|
где n - кинематическая
вязкость;
m - динамическая вязкость.
Для номинального режима работы двигателя (t=20
0C, n=4
cCт, dT=8
мм, JCP=0.015
м/сек) число Рейнольдса составит 440. Исследованиями [81] установлено, что при
движении жидкости в круглой трубе с числом Рейнольдса Re<2000
имеет место ламинарное течение.
Выполненный нами анализ позволяет утверждать,
что в трубопроводе низкого давления при номинальном режиме работы двигателя,
движение дизельного топлива можно рассматривать как ламинарное течение, а
процесс конвективного теплообмена - как стационарный изотермический.
Анализ уравнений (4.82) и (4.90) конвективного
теплообмена указывает на то, что температурное поле в трубопроводе зависит от
физических параметров дизельного топлива (l, с, r,
n,
m),
геометрических параметров трубопровода (R,
l, D
- стенки), кинематических и динамических характеристик потока (J,
r, qЦ),
температуры окружающей среды tC,
коэффициента теплоотдачи a и др. Многие из этих параметров
взаимосвязаны так, что изменение одних приводит к изменению других. Например,
изменение давления в трубопроводе автоматически приводит к изменению цикловой
подачи qЦ,
скорости движения J, вязкости, плотности и т.д.
Влияние отдельных факторов, представленных
различными величинами, проявляется совместно. Поэтому при решении
дифференциальных уравнений конвективного теплообмена следует рассматривать не
отдельные физические величины, а их безразмерные совокупности и комплексы,
число которых будет меньше числа размерных величин.
Приведем уравнения (4.82) и (4.90) к
безразмерному виду. Обозначим через x=r/R
-безразмерный радиус, тогда текущее значение радиуса будет
Подставив (4.94) в (4.90), получим
|
 ,
 .
(4.95)
|
|
Замечая, что
|
 и
|
|
|
 ,
(4.96)
|
|
и в (4.82), переходя к безразмерному аргументу x,
с учетом (4.94) и (4.93) получим
|
 .
(4.97)
|
|
В (4.97) обозначим JСРR/a=Pe
- число Пекле, мера конвективного переноса тепла в потоке [81], а в качестве
безразмерного аргумента Х вдоль оси ОХ (рис. 4.6) примем
|
 .
(4.98)
|
|
Тогда
|
 .
(4.99)
|
|
Подставляя в (4.97) значение (4.99) после
преобразований получим
|
 (4.100)
|
|
где a=l/cr
- коэффициент температуропроводности.
На основании вышеприведенных преобразований, можно
считать, что в любом сечении трубопровода, температурное поле является функцией
безразмерных аргументов x и Х, т.е. t=t(x,X).
.3.6 Граничные условия и краевая задача
конвективного теплообмена
Считая, что при выходе из подогревателя (t=0)
и (Х<0) температура по всему сечению остается постоянной и равной tC
, тогда начальные условия примут вид
|
 .
(4.101)
|
|
Принимая, что температура потока на оси
трубопровода не меняется со временем, тогда
|
 .
(4.102)
|
|
Допуская, что теплообмен между внутренней
поверхностью трубопровода и потоком дизельного топлива осуществляется по закону
Ньютона, то количество тепла, передаваемого в единицу времени с единицы площади
поверхности трубопровода в окружающую среду с температурой tC
в процессе охлаждения, прямо пропорционально разности температур между
поверхностью трубопровода и потоком жидкости. Это математически можно записать
|
 ,
(4.103)
|
|
где aТ
- коэффициент теплоотдачи стенок трубопровода;
R - радиус
трубопровода;
l - коэффициент теплопроводности дизельного
топлива;
j(Х) - температура внутренней стенки в сечении х;
T(x,X)
-температура дизельного топлива на границе
соприкосновения со стенкой трубопровода в
сечении х.
По зависимости (4.103) выражение aTR/l=Nu
- принято называть безразмерным коэффициентом теплоотдачи Нуссельта [81,82,83].
С учетом вышесказанного выражение (4.103) примет вид
|
 .
(4.104)
|
|
Уравнения (4.101), (4.102) и (4.104) образуют
краевую задачу конвективного теплообмена [78]. Совместное решение этих
уравнений позволяет однозначно определить температурное поле потока дизельного
топлива в трубопроводе низкого давления без использования источника внутренней
энергии (qV=0),
и с его использованием (qV¹0)
(расчет параметров подогревателя).
Для облегчения определения температуры подогрева
топлива решение уравнений (4.101), (4.102) и (4.104) нами представлено в виде
номограммы рис.4.7.
Рис.4.7. Номограмма расчета температуры
подогрева топлива
Данная номограмма позволяет определить
температуру топлива в любом сечении трубопровода, находящегося на расстоянии Х
от агрегата, в котором нагревается топливо до входного штуцера фильтра тонкой
очистки (ФТО). Так, например, на рис.4.7 стрелками указана последовательность
определения температуры подогрева топлива в фильтре грубой очистки (ФГО) при
температуре окружающей среды tC=-20
0C, требуемой
температуре на входе ФТО tХ=-5
0C и длине
трубопровода Х, соединяющего выход ФГО с входным штуцером ФТО.
Следовательно при температуре окружающей среды tC=-20
0C и длине
трубопровода Х=0,5 м для того чтобы топливо в ФТО поступило с температурой tХ=-5
0C, оно должно быть
нагрето в ФГО до температуры не ниже tФ=6,3
0C. При длине
трубопровода Х=2,5м и tC=-20
0C в топливном баке
следует подогревать топливо до температуры не ниже 30 0C.
4.3.7 Расчет геометрических размеров
подогревателя дизельного топлива
Оптимальным вариантом сбережения энергоресурсов
при эксплуатации двигателя в зимних условиях следует считать тот, при котором
объемы подогреваемого и расходуемого топлива за единицу времени равны. Расход
топлива двигателем определяется из условия требуемой цикловой подачи.
Следовательно, производительность подогревателя должна соответствовать цикловой
подаче. Из этого следует, что для подогрева топлива в зимних условиях
необходимо использовать специальные нагревательные приборы, которые:
) не нарушают принятую схему подачи топлива;
) не требуют значительных конструктивных
изменений в системе питания;
) автоматически поддерживают температуру
подогрева топлива при изменении температуры окружающей среды.
Основным технологическим параметром подогревателя
является производительность, т.е. объем топлива подогреваемого в единицу
времени до заданной температуры. Для расчета параметров подогревателя в
качестве оптимальной производительности нами принята цикловая подача топливного
насоса.
Если объем цикловой подачи представить как
недеформированный цилиндр диаметром dT,
то в трубопроводе низкого давления он будет иметь высоту хЦ (рис.
4.8).
Рис. 4.8. Схема к расчету
геометрических параметров подогревателя
|
 ,
(м) (4.105)
|
|
где qЦ
- объем цикловой подачи, мм3/цикл.
Из условия непрерывности потоков жидкости в
трубопроводе низкого давления будет находиться N
таких цилиндров
|
 ,
(4.106)
|
|
где dT,
lT - соответственно
диаметр и длина трубопровода, м.
За время движения циклового объема от входного
штуцера подогревателя до входного штуцера ФТО в активном объеме подогревателя
должен произойти полный обмен массы топлива.
В этом случае расчетный объем активной части
подогревателя составит
|
 .
(4.107)
|
|
Нашими расчетами, а так же данными [42,77, 82]
установлено, что нагревательные элементы, их крепежное и натяжное устройства,
токопроводящая система в общей сложности занимают около 50% от объема VP.
С учетом этого, фактический объем подогревателя составит
|
 ,
(4.108)
|
|
где К=1.5 - коэффициент, учитывающий объем,
занимаемый нагревательным элементом.
Если принять объем активной части подогревателя
больше VП,
то температура топлива на входе в ФГО будет выше требуемой. Это благоприятно
отразится на работе двигателя, однако приведет к перерасходу энергии
аккумуляторной батареи во время пуска.
Если подогреватель изготовить в виде короткого
цилиндра с внутренним диаметром dП
и длиной lП,
то объем активной части подогревателя определится по формуле
|
 .
(4.109)
|
|
Из (4.109) следует, что объем подогревателя,
является функцией двух независимых переменных: внутреннего диаметра dП
и длины активной части lП.
Основным требованием, предъявляемым к геометрическим размерам, следует считать
минимальный теплообмен с окружающей средой через наружную поверхность
подогревателя.
Исследуя площадь поверхности на минимум, с
учетом (5.5) получим внутренний оптимальный радиус подогревателя и его длину
|
 ,
 (4.110)
|
|
В таблице 4.1 приведены рекомендуемые параметры
подогревателя, рассчитанные по (4.109) с учетом (4.110) при К=1,5. Для сравнения
здесь же приведены параметры экспериментальных подогревателей с диаметром dП=0,038
м.
Таблица 4.1. Рекомендуемые параметры
подогревателя
|
lT, м
|
1.0
|
1.5
|
2.0
|
2.5
|
3.0
|
3.5
|
|
VП,
м3
|
0.76×10-4
|
1.1×10-4
|
1.53×10-4
|
1.87×10-4
|
2.26×10-4
|
2.64×10-4
|
|
dП,
м
|
0.046
|
0.052
|
0.058
|
0.062
|
0.066
|
0.069
|
|
lП,
м
|
0.046
|
0.052
|
0.058
|
0.062
|
0.066
|
0.069
|
|
SПОВ,
м2
|
0.97×10-3
|
1.27×10-2
|
1.58×10-2
|
1.81×10-2
|
2.07×10-2
|
2.29×10-2
|
|
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
|
|
dП,
м
|
0.038
|
0.038
|
0.038
|
0.038
|
0.038
|
0.038
|
|
lП,
м
|
0.067
|
0.097
|
0.135
|
0.165
|
0.199
|
0.233
|
|
SПОВ,
м2
|
1.02×10-2
|
1.38×10-2
|
1.83×10-2
|
2.19×10-2
|
2.60×10-2
|
3.01×10-2
|
|
DS,
%
|
2.3
|
8.66
|
15.8
|
21
|
25.7
|
31.4
|
Анализ данных таблицы показывает, что при
увеличении длины активной части, площадь теплоотдачи возрастает. Так, при
объеме V=1,53×10-4
м3 площадь поверхности экспериментального подогревателя отличается
более чем на 15% по сравнению с поверхностью подогревателя с оптимальными
размерами.
Анализ физико-химических свойств топлива (см.
табл. 2.12) показывает, что при любой температуре окружающей среды, в топливе
имеются две фракции: жидкая и кристаллическая. С понижением температуры объем
жидкой фракции уменьшается, а кристаллической - возрастает. Основная цель
подогрева - разрушение кристаллических структур, т.е. превращения
кристаллической фракции в жидкую. Условно процесс превращения кристаллической
фракции можно разделить на два этапа:
) подогрев и плавление кристаллов от температуры
окружающей среды до температуры помутнения топлива;
)подогрев жидкой фракции от температуры
помутнения до требуемой температуры на выходе из подогревателя.
Соответственно и тепловая энергия подогревателя
будет расходоваться на плавление кристаллов и подогрев топлива до требуемой
температуры
Q=QП+QH,
(4.111)
где QП
- требуемое количество тепла на подогрев и плавление кристаллов, Дж;
QH
- количество тепла, необходимое для подогрева жидкой фракции до требуемой
температуры, Дж.
Каждый из отмеченных подогревов топлива будет
протекать по различным термодинамическим законам.
При охлаждении дизельного топлива ниже
определенной температуры в его отдельных микроскопических объемах начинается
возникновение и рост кристаллов гибких молекул. Соединяясь между собой, они
образуют гибкие нити длиной до 60 мм [84,85], которые могут принимать различные
конфигурации с различными минимумами потенциальной энергии. При понижении
температуры ниже критической на 3...40С (критическая - температура
начала кристаллизации гомологического ряда углеводородов) только полностью
вытянутые углеводородные нити упаковываются в кристаллическую решетку. В таком
виде кристаллическая решетка углеводородных нитей имеет минимум потенциальной
энергии [85].
При отрицательных температурах окружающей среды
резко возрастает кристаллическая фракция и убывает жидкая. Процесс плавления
можно представить состоящим из двух стадий: большая часть теплоты плавления
расходуется на отделение молекул от кристаллических нитей. Вторая стадия
состоит в превращении одной конфигурации, соответствующей кристаллу, в
несколько, соответствующих расплаву, что ведет, в конечном итоге, к образованию
смеси углеводородов [85]. Во всех этих теориях рассматриваются вопросы
разрушения кристаллических решеток на уровне атомов, молекул или ионов [85].
Целью нашей работы является определение усредненных затрат тепла на плавление
кристаллов дизельного топлива при различной температуре окружающей среды. Для
решения этой задачи воспользуемся теорией плавления твердых тел [86,87], с
учетом особенностей кристаллизации углеводородов и упрощений при расчетах.
.3.8 Математическая модель расчета расхода
тепловой энергии на плавление кристаллов углеводородов дизельного топлива
Рассмотрим решение простейшей задачи плавления
кристаллов топлива, заключенных в объеме V
(рис. 4.9) при нагревании его от температуры окружающей среды tC
до температуры t1,
при достижении которой 80...90% топлива составит жидкая фаза.
При этом примем следующие упрощения:
1)систему координат V,
T поместим в точку T0,
где температура топлива равна температуре окружающей среды;
)дизельное топливо представляет собой однородную
смесь углеводородов со средней плотностью r кг/м3;
Рис. 4.9. Схема расчета затрат энергии на
плавление кристаллов в элементарном объеме
3) плоскостями А-А и В-В выделим элементарный
объем DVj,
так, что в начальный момент слева от плоскости А-А топливо находится в жидком
состоянии, а справа от плоскости В-В - кристаллическая фаза дизельного топлива
при температуре T0;
4) в объеме DVj
сосредоточены углеводороды в твердом состоянии с температурой плавления от Tj
до Tj+1=Tj+Dt;
) пусть TПj
средняя температура плавления кристаллов углеводородов массой mj
сосредоточенных в объеме DVj.
Если теперь весь объем дизельного топлива V
нагревать до температуры TПj,
то:
) вся жидкость находящаяся левее плоскости А-А
будет нагреваться от температуры T0
до температуры TПj,
на что затратится Qжj
тепла;
) вся масса кристаллов, находящихся правее
плоскости В-В будет подогреваться (оставаясь в твердой фазе) от температуры T0
до температуры Tj+1,
на что потребуется QTj
тепловой энергии;
3) масса кристаллов, сосредоточенных в объеме DVj
при температуре TПj
из твердого состояния перейдет в жидкую фазу и на плоскости В-В установится
температура Tj+1,
на что расходуется QПj
тепла.
Последовательно выделяя объемы DVj
в интервале температур от T0
до Т1 и определяя затраты тепла на подогрев топлива в жидком
состоянии в объеме DVж=DV0+DVj,
на плавление кристаллов DVj
и их подогрев в объеме DVT=V-DVж-DVj,
определяются затраты тепловой энергии на плавление кристаллов в выделенном
объеме.
В предлагаемой работе в качестве исходных данных
принято:
T0
=249 К - температура окружающей среды, при которой 80...88% дизельного топлива
находится в твердой фазе;
Т1=277 К - температура, при которой
90...95% дизельного топлива находится в жидкой фазе;
Dt=4
- температурный интервал перехода кристаллов “гибких нитей” в упакованную
кристаллическую решетку;
V=qЦ=63.7
мм3/цикл - рассматриваемый объем жидкости (принят равным цикловой
подаче насоса УТН-5 для дизеля Д-240).
4.3.9 Расчет тепла на плавление кристаллов
Средние значения объема в процентах и
температуры плавления принимаются равными соответственно средней арифметической
объема в % и температуры плавления всех углеводородов, входящих в расчетный
объем:
|
 ,
и  (4.112)
|
|
где Ti
- температура плавления i-того
элемента углеводорода, входящего в расчетный объем;
Vi
- процент объема, занимаемый i-тым
элементом;
k - число элементов
в расчетном объеме;
j - номер расчетного
объема.
Следует отметить, что с изменением агрегатного
состояния топлива, меняются его термодинамические характеристики [17, 44, 88]:
удельная теплота плавления, теплоемкость в жидком и твердом состояниях. Для
определения этих параметров по химической формуле строения молекулы нами определена
молекулярная масса всех элементов, входящих в расчетный объем (см. табл. 5.3)
по формуле [37]
|
 ,
г/моль (4.113)
|
|
где а=12 - атомный вес углерода;
b=1 - атомный вес
водорода;
nC,
nH - число атомов
углерода и водорода образующих молекулу.
Если в качестве единицы объема принять цикловую
подачу qЦ,
то j-тый расчетный
объем составит
|
 ,
м3 (4.114)
|
|
Масса дизельного топлива в j-том
расчетном объеме
|
 ,
кг(4.115)
|
|
где r - средняя
плотность дизельного топлива, кг/м3.
Удельная теплота плавления для j-того
объема определяется по зависимости [34]
|
 ,
Дж/моль (4.116)
|
|
где 54.4 - количество тепла, расходуемого на
перевод одной молекулы органического вещества из твердого состояния в жидкое
при изменении температуры на 1 градус [34];
TПj
- температура плавления j-того
расчетного объема.
Затраты тепла на плавление кристаллов в j-том
расчетном объеме определим по формуле [81]
|
 (4.117)
|
|
Теплоемкость органических веществ в j-том
объеме при постоянном давлении определим по зависимости [17]
|
 ,
Дж/кг×град
(4.118)
n - число атомов i-того
элемента в молекуле. Для углерода иводорода атомная теплоемкость равна [84]:
в твердом состоянии Сi=7.53
Дж - для водорода;
Сi=9.62
Дж - для углерода;
в жидком состоянии Сi=11.72
Дж - для водорода;
Сi=17.99
Дж - для углерода.
Количество тепла, расходуемого на подогрев
жидкости от температуры Toj
до Tпj,
определим по формуле [84]
|
 ,
(4.119)
|
|
где СЖj
- средняя теплоемкость жидкости в расчетном j-том
объеме, которая определяется как средняя арифметическая величина теплоемкости
элементов, входящих в j-тый
объем.
|
 ,
(4.120)
|
|
где k
- количество элементов в рассматриваемой группе.
Количество тепла, расходуемого на подогрев
кристаллов топлива в j-том
объеме, определяется по зависимости
|
 (4.121)
|
|
где Tj+1,
Tj - соответственно
температура кристаллов в начале и конце подогрева j-того
объема;
 - средняя теплоемкость кристаллов в
j-том объеме.
Расход энергии на плавление
кристаллов определим по уравнению
|
 (4.122)
|
|
По зависимостям (4.112)-(4.122) рассчитано
количество тепла, необходимое для плавления кристаллов в цикловом объеме и в
объеме подогревателя от температуры Т=248 К до Т=277 К, при которой 80...85%
дизельного топлива переходит из твердого состояния в жидкое. Результаты
расчетов представлены в таблицах 4.2 и 4.3.
Таблица 4.2. Расход тепловой энергии на подогрев
циклового объема топлива в зависимости от температуры окружающей среды
|
tC, 0C
|
-24
|
-20
|
-16
|
-12
|
-8
|
-4
|
0
|
4
|
|
Подогрев жидкости QЖ, Дж
|
1.76
|
1.73
|
1.67
|
1.6
|
1.41
|
1.12
|
0.69
|
-
|
|
Плавление кристаллов QК, Дж
|
3.87
|
3.77
|
3.64
|
3.31
|
2.49
|
1.77
|
1.23
|
1.21
|
|
Подогрев кристаллов QT, Дж
|
0.2
|
0.15
|
0.12
|
0.085
|
0.051
|
0.028
|
0.013
|
0.004
|
|
Суммарный
расход энергии QП,
Дж
|
5.83
|
5.65
|
5.43
|
4.99
|
3.95
|
2.92
|
1.93
|
1.21
|
Анализ данных табл. 4.2 показывает, что на
плавление кристаллов в среднем расходуется около 68%, на подогрев жидкой фазы
около 29% и подогрев кристаллов около 3,5% от общего количества тепла. Это
можно объяснить:
1) при плавлении кристаллов происходит
разрушение гибких нитей молекул, на что требуется большой расход энергии (см.
табл. 4.3)
Таблица 4.3. Расход тепловой энергии на
плавление кристаллов топлива в подогревателе объемом VP
(табл. 4.1) в зависимости от температуры окружающей среды
|
tC, 0C
|
-24
|
-20
|
-16
|
-12
|
-8
|
-4
|
0
|
4
|
|
VP, м3
|
Суммарный
расход энергии QП,
Дж
|
|
0.76×10-4
|
6959
|
6742
|
6479
|
5954
|
4713
|
3484
|
2303
|
1443
|
|
1.10×10-4
|
10068
|
9757
|
9378
|
8618
|
6822
|
5043
|
3333
|
2090
|
|
1.53×10-4
|
14004
|
13572
|
13043
|
11986
|
9488
|
7014
|
4636
|
2906
|
|
1.87×10-4
|
17116
|
16588
|
15942
|
14650
|
11597
|
8573
|
5666
|
3552
|
|
2.26×10-4
|
20686
|
20047
|
19267
|
17705
|
14015
|
10361
|
6848
|
4293
|
|
2.64×10-4
|
24164
|
23418
|
22506
|
20682
|
16372
|
12103
|
8000
|
5015
|
) незначительный расход энергии на подогрев
кристаллов объясняется тем, что энергия образования кристаллических решеток из
гибких молекулярных нитей сопровождается выделением тепла;
)расход тепла (около 30%) на подогрев жидкой
фракции обусловлен тем, что молекулы при нагревании изменяют свою кинетическую
энергию.
4.3.10 Расчет удельной мощности подогревателя для
подогрева топлива в заданном интервале температур
В данном разделе определим затраты тепловой
энергии на подогрев единицы объема от температуры помутнения t0
до
температуры tk
(температура топлива на выходе из подогревателя).
Дифференциальное уравнение конвективного
теплообмена с внутренним источником тепла в относительных параметрах имеет вид
|
 .
(4.123)
|
|
Постоянство температуры топлива на входе в
подогреватель (Х,0) описывается начальными условиями
|
 .
(4.124)
|
|
Неизменность температуры топлива в центре любого
сечения трубопровода описывается уравнением
|
 .
(4.125)
|
|
Условие теплообмена на границе “жидкость-твердая
стенка подогревателя” описывается уравнением теплопередачи
|
 ,
(4.126)
|
|
где  - относительная длина подогревателя,
 - относительный радиус
подогревателя,
r - текущее
значение радиуса,
 - число Пекле,
JП - средняя скорость движения топлива
в подогревателе,
а - коэффициент
температурапроводности топлива,
l
- коэффициент теплоемкости топлива,
Nu - число
Нуссельта.
Уравнения (4.123) -- (4.126)
совместно образуют краевую задачу конвективного теплообмена топлива в
трубопроводе с внутренним источником qV тепла.
Поставленную задачу решим методом преобразований Лапласа совместно с методом
ортогональных проекций. Для практических инженерных расчетов задачу (4.123) --
(4.126) достаточно решить во втором приближении. В качестве базисных координат
примем степенные функции относительно безразмерной переменной x
|
 .
(4.127)
|
|
После преобразований Лапласа по координате Х
краевая задача (4.123) -- (4.126) полей температур приводится к функциям
изображения этих полей вида
|
 .
(4.128)
|
|
|
 .
(4.129)
|
|
|
 .
(4.130)
|
|
Приближенное решение задачи (4.128), точно
удовлетворяющее граничным условиям (4.129) и (4.130), находится в семействе
функций
|
 ,
(4.131)
|
|
где F(S)
- функция изображения температуры внешней среды,
ak(S)
- функция изображения температурного поля в сечении х, которая находится из
системы линейных уравнений по общей схеме ортогонально-проекционным методом
|
 .
(4.132)
|
|
Коэффициенты Ajk,
Bjk, Dj
- являются однозначными функциями безразмерной длины Х и радиуса x.
Решая систему (4.132) по формуле Крамара
относительно a1(S)
и a2(S)
получим
где D(S)
- определитель составленный из коэффициентов aj(S)
системы (4.132);
Djk(S)
- алгебраическое дополнение, составленное путем замены в определителе D(S)
j-того столбца
свободным членом dj
системы (4.132);
 ,(4.135) - слагаемое свободного
члена Dj
системы (4.132) ;
 , (4.136) - слагаемое свободного
члена Dj системы
(4.132).
Приняв, что температура окружающей
среды и мощность внутреннего источника энергии величины постоянные, то и их
изображения так же будут постоянными, т.е.
|
 ,
(4.137)
|
|
|
 .
(4.138)
|
|
Из соотношения (4.133) с учетом (4.136) и
(4.137) по теореме свертки [89] получим
|
 ,
(4.139)
|
|
Где
|
 ,
(4.140)
|
|
|
 ,
(4.141)
|
|
|
 ,
(4.142)
|
|
|
 (4.143)
|
|
|
 (4.144)
|
|
В выражениях (4.140)-(4.144) Si - корни
полинома D(S)=C2S2+C1S+C0=0,
составленного из коэффициентов системы (4.132);  - численное значение производной
полинома при Si=-Si;  - численное
значение алгебраического дополнения, составленного путем замены j-того
столбца полинома D(S) слагаемым
(4.135) свободного члена;  - численное
значение алгебраического дополнения, составленного путем замены j-того
столбца полинома D(S) слагаемым
(4.136 свободного члена; D(S)=SD(S) - полином
степени n+1;  - численное
значение производной полинома D(S) при Si=-Si .
Относительная избыточная температура
в сечении Х определяется из соотношения
|
 ,
(4.145)
|
|
где t(x,X)
- температура топлива на выходе из подогревателя;
tC
- температура окружающей среды;
t1=tП
- температура топлива на входе в подогреватель, принята равной температуре
помутнения.
Из (5.43) определяем удельную мощность источника
тепла
|
 .
(4.146)
|
|
Выражение (4.146) позволяет определить удельную
мощность источника тепла в зависимости от температуры окружающей среды,
заданной температуры начала подогрева топлива и требуемой температуры на выходе
из подогревателя.
5. Эксплуатационные
испытания электронагревательного устройства
5.1 Показатели
качества пусковых процессов дизеля
Индицирование дизеля 4Ч 11/12,5 при температурах
10...20 0С показывает, что при таких условиях начало процесса пуска
начинается на первом-втором рабочих циклах и продолжается равномерно весь
период разгона. На рис. 5.1 представлена осциллограмма первых циклов дизеля при
температуре 20 0С. Из нее видно, что сначала процесс сгорания
начался в третьем цилиндре. За период времени от первого до третьего рабочего
циклов частота вращения коленчатого вала возросла с 180 до 690 мин-1.
При этом период задержки самовоспламенения t1
сократился, а максимальное давление сгорания PZ,
скорость нарастания давления dP/dj
и степень повышения давления l увеличились.
Рис. 5.1. Осциллограмма первых циклов пуска
дизеля 4Ч 11/12,5:
температура окружающей среды -20 0С,
пусковая частота вращения - 200 мин-1,
угол опережения впрыска - 26 град до ВМТ
Отмеченный характер изменения показателей
рабочего процесса обусловлен улучшением качества распыливания топлива с
увеличением частоты вращения коленчатого вала и уменьшением потерь теплоты от
газов в стенки цилиндра. За период пуска дизеля давление при сгорании топлива
максимально перед его выходом на режим самостоятельной работы.
С понижением температуры первые вспышки
начинаются при более поздних рабочих процессах, неравномерность их чередования
увеличивается по отдельным циклам и цилиндрам. Так, при температуре 0°С первая
вспышка отмечается через 1...2 с после начала прокручивания коленчатого вала
(7...14 цикл), сгорание в отдельных цилиндрах чередуется с пропуском вспышек, а
все цилиндры вступают в работу в конце периода разгона перед выходом на режим
самостоятельной работы.
Понижение температуры до минус 5°С проводит к
еще более позднему возникновению первой вспышки (через 5...8с) и более
длительному периоду разгона с чередованием вспышек в части цилиндров, а выход
на режим самостоятельной работы при этой температуре осуществляется, как
правило, без включения в работу всех цилиндров.
На рис 5.2 показано влияние угла опережения
впрыска Q
на пусковые качества дизеля. Величина (Qопт)
обеспечивающая лучшие пусковые качества дизеля, уменьшается с понижением
температуры окружающего воздуха, а также пусковой частоты вращения коленчатого
вала. При холодном пуске величина Qопт
меньше установочного угла, выбранного для номинального режима работы.
10 14 18 22 24 Θ
Рис.5.2. Влияние угла опережения топлива на
пусковые качества дизеля 4Ч 11/12,5:
-температура 0 оС, n=200
мин-1; 2-температура 0 оС, n=150
мин-1;
-температура 0 оС, n=125
мин-1; 4-температура -10 оС, n=200
мин-1; 5-температура +20 оС, n=200
мин-1
На режиме пусковой частоты вращения n=200
мин-1 Qопт
для дизеля 4 Ч 11/12,5 при температуре 0 оС составляет 24 град. до
ВМТ (кривая 1), на режиме 150 мин-1-Qопт=22
град (кривая 2), на режиме 125 мин-1-Qопт=20
град (кривая 3), при температуре -10 оС -Qопт=18
град. до ВМТ (кривая 4).
При температуре -10 оС существенные
влияния на пусковые качества начинает оказывать значение частоты вращения, при
которой отключается пусковой обогатитель топливного насоса - увеличение Nобог
от 400 до 500 мин-1 снижает минимальную пусковую частоту вращения nmin
на 40...70 мин -1, а продолжительность пуска на одном пусковом
режиме сокращается на 20с (рис. 5.3).
Как показали проведенные исследования,
наибольший эффект улучшения пуска достигается при комплексном изменении
параметров топливной аппаратуры, влияющей на пусковые качества. Так, на дизеле
4Ч 11/12,5, состыкованном с трансмиссией трактора, при температуре минус 10оС
и использовании топливного насоса 4УТНМ-Т лучшие пусковые качества
обеспечиваются при изменении Q=26 град до ВМТ и nобог=550
мин-1 (рекомендуемая регулировка завода-изготовителя) до значения Q=18
град до ВМТ и nобог=750
мин-1(рис.5.4). При температуре минус 10оС пуск в
диапазоне пусковой частоты вращения 135...235 мин-1 осуществляется
за 17...20с, а при температуре -15 оС - за 39...40с. Увеличение
оптимального значения nобог=750
мин-1 объясняется влиянием дополнительного сопротивления от узлов
трансмиссии, которые не отключаются от двигателя при пуске.
Существенное влияние на оптимальное для пуска
значение nобог
оказывает также вязкостно-температурная характеристика масла. Оптимальное для
пуска значение nобог
увеличивается из-за дополнительного сопротивления разгону коленчатого вала
дизеля, создаваемого при использовании в дизеле моторного масла, имеющего
высокую вязкость при низких температурах.
Для обеспечения пуска при отрицательных
температурах в конструкцию дизелей вводят электрофакельные устройства (ЭФУ) и
приборы для подачи в цилиндры двигателя легковоспламеняющей жидкости (ЛВЖ).
Характерная осциллограмма первых циклов разгона
при пуске с использованием ЭФУ и ЛВЖ, снятая при температуре -20оС,
приведена на рис.5.5.
Рис.5.5. Осциллограмма первых циклов разгона
дизеля при пуске с использованием ЭФУ и ЛВЖ. Температура -20оС, n=109
мин-1:1,2,3,4 - давление в первом, втором третьем и четвертом
цилиндрах соответственно; 5 - частота вращения коленчатого вала дизеля
Как видно из осциллограммы, при этой температуре
условия для начала сгорания топлива создаются после 15-ти и более циклов сжатия
в одном цилиндре. При n=109
мин -1 четыре первые вспышки в третьем, четвертом, втором и первом
цилиндрах разогнали коленчатый вал со 101 до 232 мин -1. Увеличение
скорости воздуха во впускном коллекторе приводит к уменьшению подогрева
воздушного заряда цилиндра и сопровождается пропуском вспышек в последующих
циклах с уменьшением частоты вращения до 128 мин -1. Со снижением
частоты вращения подогрев воздуха, поступающего в цилиндры, увеличивается, и
процесс повторяется при более высоких значениях частоты вращения. В результате
пуск дизеля осуществляется за 200 и более циклов.
Максимальное давление сгорание Pz1
ВСП = 5,7 МПа, жесткость сгорания dP/dj
= 0,76 МПа/град, у второй вспышки Pz2
ВСП = 6,5 МПа, dP/dj
=0,84 МПа/град. По мере разгона дизеля Pz
увеличивается до 8...9,5 МПа, а перед выходом дизеля на режим самостоятельной
работы достигает 10,5... 11 МПа.
Использование ЭФУ и ЛВЖ при оптимальных
регулировочных параметрах позволило снизить Tmin
дизеля 4Ч 11/12,5 до температуры минус 25°С. Пуск в этих условиях
обеспечивается за 35...40с при n>150...
160 мин -1.
Значения n,
требуемые для осуществления пуска в этих условиях, обеспечиваются только при
использовании системы пуска номинальным напряжением 24В. Однако характер
протекания рабочего процесса при температуре минус 25°С свидетельствует о
граничных условиях применения этих устройств при этой температуре.
Для обеспечения пуска при температурах ниже
минус 20°С наиболее эффективным является использование подогревателей топлива
[69-71]. На рис 5.6 приведена осциллограмма первых циклов разгона дизеля при
температуре минус 20°С.
Рис.5.6. Осциллограмма первых циклов разгона
дизеля при пуске с использованием подогревателей дизельного топлива.
Температура -20оС, n=109
мин-1: 1,2,3,4 - давление в первом, втором третьем и четвертом
цилиндрах соответственно; 5 - частота вращения коленчатого вала дизеля
Как следует из приведенной на рис 5.6
осциллограммы первых циклов разгона дизеля при температуре минус 20°С, при
пуске с использованием подогревателей топлива, установленных в топливной
системе дизеля, процесс сгорания начинается уже на втором цикле сжатия одного
из цилиндров, а остальные цилиндры включаются в работу достаточно равномерно в
следующих после первой вспышки циклах, что обеспечивает уверенный и быстрый
разгон коленчатого вала. Поэтому анализ влияния различных факторов на
протекание рабочего процесса при использовании подогревателей топлива
целесообразно проводить по параметрам второго рабочего процесса. При n=106
мин-1 четыре первых вспышки в первом, третьем, четвертом и втором
цилиндрах обеспечили разгон дизеля до 480 мин-1, еще через два цикла
частота вращения составила 546 мин -1.
Пуск дизеля при использовании подогревателей
топлива осуществляется за 25...35 циклов. В этом случае Pz1
ВСП = 3,3 МПа, dP/dj
=0,43 МПа/град, у второй вспышки Pz2
ВСП = 5,3 МПа, dP/dj
=0,7 МПа/град. По мере разгона дизеля Pz
увеличивается до 9... 11 МПа, достигая в отдельных циклах перед выходом дизеля
на режим самостоятельной работы 11,5... 12,5 МПа.
Сравнение рабочего процесса при использовании
подогревателей топлива с процессом при пуске с ЛВЖ и ЭФУ показывает значительно
большую эффективность первых как по условиям возникновения первой вспышки, так
и по развитию процесса сгорания при разгоне коленчатого вала. При этом
некоторое увеличение нагрузок на детали в сравнении с пуском при ЭФУ и ЛВЖ
отмечается только при выходе на режим самостоятельной работы, а на первых
рабочих циклах пуска Pz
и dP/dj
практически одинаковы.
Применение электроподогревателей топлива
обеспечивает высокие пусковые качества дизеля в широком диапазоне температур.
Как следует из приведенных на рис.5.7. пусковых характеристик, при n=106
мин-1 применение электроподогревателей обеспечивает пуск дизеля на
масле класса вязкости 4З/8 при температуре минус 25°С за 4с, а при
температуре минус 2°С - за 3 с. На масле класса вязкости 8 дизель с применением
подогревателей топлива при минус 15°С , а на масле класса вязкости 10 - при
минус 10°С .
На пуск дизеля при низких температурах
значительное влияние оказывает пусковая частота вращения. Так, увеличение n
c 110 до
мин-1 при температуре минус 5°С сокращает
продолжительность пуска дизеля 4Ч11/12,5 без использования дополнительных
средств с 18...20 до 10... 11с, при температуре минус 20°С и использовании
электроподогрева топлива - с 20...40 до 16... 18с. Эта же тенденция сохраняется
и при пуске с ЛВЖ, но в указанном диапазоне частоты вращения коленчатого вала
сокращение продолжительности пуска не так значительно.
Рис. 5.7. Пусковые характеристики дизеля 4 Ч
11/12,5 с установкой электроподогревателей при различных сортах топлива и
масла:
- Токр=-25 оС, масло М-4З/8
Г2, топливо «З»;
- Токр=-20 оС, масло М-4З/8
Г2, топливо «З»;
- Токр=-15 оС, масло М-8 Г2,
топливо «З»;
- Токр=-10 оС, масло М-10
Г2, топливо «Л»
Снижение нагрузок на детали дизеля при
увеличении пусковой частоты вращения отмечается и более низких температурах. В
связи с этим при использовании электроподогревателей топлива перспективным
является применением систем пуска напряжением 24 В, обеспечивающим значительное
увеличение n в сравнении c
12-вольтной системой.
.2 Влияние
подогрева топлива на пусковые качества дизелей работающих на летнем топливе
При проведении испытаний электронагревательных
устройств [69-71] на тракторе МТЗ -80 с двигателем Д-240 Л была снята
характеристика продолжительности пуска по ГОСТ 18509-88.
Испытания проводились на дизельном топливе марки
“Л” ГОСТ 305-82 с температурами помутнения и застывания -50С и -120С
соответственно. Характеристика снималась при значениях температуры окружающего
воздуха с интервалом между ними не менее 50С. Температура
охлаждающей жидкости в головке и блоке цилиндров дизеля, масло в поддоне до
начала испытаний не отличалась от температуры окружающей среды не более чем на
1 0С. После проведения каждого пуска дизель выдерживался в камере не
менее 2 часов. Пуск осуществлялся попытками общей продолжительностью 3 мин для
каждой температуры. Продолжительность пуска определялась до момента отключения
пускового двигателя, при этом после выхода дизеля на устойчивую частоту
вращения холостого хода он должен был работать не менее 2 мин. На каждом
температурном режиме проводилось не менее 3 пусков. Были сняты также пусковые
характеристики дизеля Д-240 с предлагаемыми электронагревательными
устройствами.
При снятии каждой характеристики пуск проводился
не менее чем при четырех значениях частоты вращения коленчатого вала.
Температурное состояние дизеля выдерживалось аналогично, как и при снятии
характеристики продолжительности пуска. Частота вращения коленчатого вала
устанавливалась изменением напряжения на клеммах электростартера и определялась
при предварительном прокручивании коленчатого вала без подачи топлива в течение
10с, измерение производилось после 5с. Пуск дизеля осуществлялся через 1 мин
после установления частоты вращения коленчатого вала без изменения ЭДС на клеммах
стартера не более чем с трех попыток продолжительностью не более 20 с каждая с
интервалом между ними 1,5 мин. Перед пуском дизелей, имеющих
электронагревательное устройство между топливным баком и ФГО, предварительно
производился разогрев нагревательных элементов в течение 30 с.
При проведении сравнительных испытаний
двигателей с электронагревательными элементами и без них были получены
следующие сравнительные характеристики продолжительности пуска, которые
представлены на рис. 5.8. Согласно рис. 5.8 продолжительность пуска двигателя
без электронагревательного элемента в системе питания при 0 0С
составляет 3 с, при -6 0С увеличивается до 4 с, возрастает до 10 с
при -11 0С, дальнейшее снижение температуры окружающего воздуха
ведет к резкому нарастанию времени пуска. При -13 0С
продолжительность пуска составляет 23 с.
Рис. 5.8. Характеристики продолжительности
пуска:
- дизель без электронагревательного элемента;
- дизель с электронагревательным элементом.
Для дизеля с электронагревательным элементом
кривая имеет плавный характер. Для температуры -4 0С
продолжительность пуска составляет 3 с, плавно возрастает до 10 с при
температуре -14 0С и достигает значения 24 с, когда температура
окружающего воздуха составляет -18 0С. Дизельный двигатель без
электронагревательного элемента при -14 0С не запускается, тогда как
дизель, оснащенный предлагаемым нагревателем, не запускается при температуре
-19 0С, что ниже температуры застывания дизельного топлива на 7...8 0С.
Пусковые характеристики дизельного двигателя без
электронагревательного устройства представлены на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Пусковые характеристики дизеля без
электронагревателя:
- при tС=-6
0C, 2 - при tС=-8
0C, 3 - при tС=-12
0C.
Согласно рис. 5.9 при температуре окружающего
воздуха tС=-6
0C время пуска дизеля
составляет 2,1с для частоты вращения 250 мин-1, увеличивается до 8,5
с при n=150 мин-1
и достигает 19,5с при n=125
мин-1. Для температуры окружающего воздуха tC=-8
0C время пуска для
частоты вращения 250 мин-1 составляет 3,7с, плавно увеличивается до
4,2с при n=200 мин-1,
а затем резко возрастает до 19 с при n=150
мин-1.
Снижение температуры окружающего воздуха до -12 0С
приводит к увеличению времени пуска до 4с при n=250
мин-1, возрастает до 6,5с при n=200
мин-1 и достигает 17,5с при снижении частоты вращения до n=175
мин-1.
Пусковые характеристики двигателя с
электронагревательным элементом в системе питания представлены на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Пусковые характеристики дизеля с
электронагревателем
1— при tC=-12
0C, 2- при tC=-14
0C, 3- при tC=-17
0C.
Как следует из рис. 5.10 при температуре
окружающего воздуха tC=
-120C время пуска
составляет 2,2с для частоты вращения 240 мин-1, увеличивается до 4
с, когда частота составляет n=180
мин-1 и достигает 19с при n=140
мин-1. Для температуры воздуха tC=-14
0C время пуска при n=240
мин-1 равно 3,7с, для n=180
мин-1 - t=6,1 с и достигает 22 с при n=150
мин-1. При дальнейшем понижении температуры окружающего воздуха до tC=-170С
время пуска соответствует 5с для n=240
мин-1, при n=200
мин-1 оно возрастает до 8, с, а затем резко увеличивается до 18,2 с
при n=180 мин-1.
Таким образом, как видно из выше представленного
применение предлагаемых электронагревательных элементов в системе питания
дизельного двигателя Д-240/240 Л позволяет:
. Снизить температуру пуска дизеля на летнем
топливе на 5...7 0С в сравнении с двигателем обычного исполнения.
Это в свою очередь расширяет температурный диапазон использования топлива марки
“Л” на 7...8 0С.
.Уменьшить пусковую частоту на 30 % в отношении
к двигателю без электронагревательного элемента.
5.3 Результаты использования предлагаемых
устройств для обеспечения надежной и безотказной работы автотракторной техники
в условиях реальной эксплуатации хозяйствами АПК
В хозяйствах Брестской области, ОАО
“Лидсельмаш”, а также на производственном объединении АО
"Амкодор-Пинск" в осенне-зимние периоды 1995...1997 гг. были
проведены испытания предлагаемого электронагревательного устройства, которое
устанавливалось в топливную систему дизелей Д-240/240 Л и 1Д12БМ, применяемых на
тракторах МТЗ -80/82 и шнекороторном снегоочистителе ДЭ-226 на базе автомобиля
“Урал-4320”. На рис. 5.11 представлена электрогидравлическая схема установки и
подключения электронагревательных устройств на тракторах типа МТЗ.
При работе дизельного двигателя в условиях
отрицательных температур окружающего воздуха топливо, содержащее кристаллы
Н-алканов, из бака 1 поступает в подогреватель 2, проходит через кран 3 и
попадает в ФГО 4. Далее, через топливоподкачивающий насос 5, ФТО 6, ТНВД 7
подается к форсункам 8. Электронагревательный элемент подогревателя 2 через
переключатель 9 и позистор 10, размещенный в подогревателе 4, подключен к
источнику тока 11.
Рис. 5.11. Электрогидравлическая схема
подключения подогревателей в систему питания трактора МТЗ-80/82:
- топливный бак; 2 - электроподогреватель; 3 -
кран; 4 - ФГО; 5 - топливоподкачивающий насос; 6 - ФТО; 7 - ТНВД; 8 - форсунка;
9 - переключатель; 10 - позистор; 11 -источник тока.
Проходя через подогреватель 2, дизельное топливо
нагревается, вследствие чего кристаллы Н-алканов разрушаются. Этим самым
обеспечивается нормальное функционирование и работоспособность топливной
системы дизеля при низких температурах. Степень нагрева электронагревательного
элемента регулируется за счет позистора 10. При увеличении температуры топлива
в ФГО сопротивление позистора 10 возрастает, тем самым, снижается сила тока в
цепи электронагревательного элемента 2 и степень его нагрева. Переключатель 9
предназначен для поочередного включения в цепь источника тока 11
электронагревательных элементов 2, в зависимости от того, какой из кранов 3
открыт.
В ходе проведения исследований определялась
минимальная температура пуска дизелей, работающих в условиях отрицательных
температур окружающего воздуха, при межсменном хранении автотракторной техники
на открытых площадках, а также осуществлялся контроль работоспособности
топливной системы двигателей в течение смены.
При проведении испытаний электронагревательного
элемента [71], установленного между топливным баком и фильтром грубой очистки
на тракторе МТЗ -80 с двигателем Д-240 Л была снята характеристика
продолжительности пуска по ГОСТ 18509-88 (рис. 5.12).
Рис. 5.12. Подогреватель топлива, установленный
на тракторе МГЗ-80
При определении минимальной температуры пуска
степень заряженности аккумуляторных батарей находилась в пределах не ниже 75%
от номинальной. Пуск дизелей с помощью электростартера осуществлялся с трех
попыток продолжительностью не более 10...15 с с интервалами между ними 3 мин.
Для дизелей, имеющих пусковые двигатели, время пуска составляло не более 3 мин.
В случае неудачной попытки пуска двигателя с первого раза, осуществлялось еще
два пуска. Двигатели перед пуском не имели специальной тепловой подготовки, а
также не применялись специальные средства облегчения пуска, входящие в
комплект. У дизелей, оснащенных электроподогревателями, производился
предварительный разогрев топлива в течение 30 секунд. Пуск двигателя
фиксировался, если после отключения пускового устройства и выхода дизеля на
устойчивую частоту вращения холостого хода он проработал не менее 3 минут. В
ходе испытаний все двигатели работали на дизельном топливе марки “Л” ГОСТ
305-82.
В результате проведенных исследований в
хозяйствах АОА «Лидсельмаш» и на АО «Амкодор-Пинск» были получены следующие
результаты (табл. 5.1.).
Таблица 5.1 Минимальная температура пуска
автотракторных дизелей
|
Минималь-ная
|
Д-240
|
Д-240 Л
|
1Д12БМ
|
|
температура пуска, 0С
|
с подогрева -телем
|
без подогрева-теля
|
с подогрева-телем
|
без подогрева-теля
|
с подогрева-телем
|
без подогрева-теля
|
|
-5
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
-8
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
-10
|
+
|
+
|
+
|
-
|
+
|
+
|
|
-11
|
+
|
+
|
+
|
-
|
+
|
-
|
|
-12
|
+
|
+
|
+
|
-
|
+
|
-
|
|
-14
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
|
-15
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
|
-17
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
|
-18
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
+
|
-
|
|
-20
|
+
|
-
|
-
|
-
|
+
|
-
|
|
-21
|
+
|
-
|
-
|
-
|
+
|
-
|
|
-23
|
-
|
-
|
-
|
-
|
+
|
-
|
|
-25
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
Примечание: “+” двигатель запускается, " -
" двигатель не запускается.
Анализ таблицы 5.1 показывает, что до
температуры окружающего воздуха tC=
-8 0C пуск всех
двигателей осуществляется, и они выходят на устойчивую частоту вращения
холостого хода. Начиная с температуры tC=
-10 0C, двигатель
с пуском от электрического стартера (Д-240 Л) без электроподогревателя в
топливной системе не запускается, тогда как для дизеля 1Д12БМ предельная
температура пуска составляет tC=-11
0C. Дизель Д-240 без
электроподогревателя, оснащенный пусковым двигателем, перестает запускаться при
температурах ниже tC=-14
0C.
Установка предлагаемого электронагревательного
устройства в топливной системе дизеля позволяет существенно снизить
температуру, при которой возможен пуск двигателя. Согласно табл. 5.1
минимальная температура пуска дизеля Д-240, оснащенного электроподогревателем,
составляет -21 0С. Двигатель с электрическим стартером (Д-240 Л) с
нагревателем в топливной системе имеет минимальную температуру пуска -19 0С.
Пуск дизеля 1Д12БМ с нагревательным элементом возможен до температуры -23 0С.
Таким образом, использование предлагаемого
электронагревательного устройства позволяет снизить минимальную температуру
пуска на 7...9 0С по сравнению с двигателями обычного исполнения.
В ходе испытаний, кроме определения минимальной
температуры пуска, нами осуществлялся контроль работоспособности топливной
системы дизеля в зимний период эксплуатации при работе энергетической единицы в
течение смены. Испытания проводились в хозяйствах Брестской области и ОАО
“Лидсельмаш” на тракторах МТЗ-80/82.
Результаты испытаний проанализированы, обобщены
и представлены на рис. 5.13.
Рис. 5.13. Зависимость времени безотказной
работы топливной системы дизеля от температуры окружающей среды:
- двигатели обычного исполнения;
- двигатели с электроподогревательными
устройствами
Анализ рис. 5.13 показывает, что время
безотказной работы (до остановки двигателя из-за прекращения подачи топлива
линией низкого давления) для двигателей обычного исполнения при tC=-10
0C составляет 0.2
часа, при tC=-8
0C двигатели в
среднем работают один час. Температура, при которой обеспечивается
работоспособность топливной системы в течение смены (7...8 часов), составляет tC=-5
0C, что соответствует
температуре помутнения дизельного топлива. Подача топлива, как свидетельствует
опыт эксплуатации и наши исследования, прекращалась из-за засорения кристаллами
Н-алканов в узких местах штуцеров, топливопроводов и кранов, а так же
фильтрующего элемента ФГО.
Для двигателей с электронагревательными
устройствами, установленными на выходе из топливных баков и питаемых от
бортовой сети трактора, топливная система работоспособна в течение смены до
температур -16 0С, дальнейшее снижение температуры окружающего
воздуха ведет к плавному снижению времени безотказной работы.
Таким образом, при эксплуатации дизельных
двигателей с использованием предлагаемых электронагревательных устройств
обеспечивается нормальное функционирование системы питания в течение смены до
температуры окружающего воздуха на 9...10 0С ниже температуры
помутнения топлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Опыт эксплуатации дизельных двигателей в зимних
условиях свидетельствует о том, что в условиях отрицательных температур в 3…7
раз увеличивается число отказов, при сильных морозах продолжительность тепловой
подготовки повышается в 12 раз, а эксплуатационные расходы - в 16 раз, время,
затраченное на прогрев и пуск двигателя, составляет 1…1,5 часа. Учитывая
взаимовлияние систем и механизмов трактора, решать проблему зимней эксплуатации
необходимо комплексно. Исследования работы топливоподающей аппаратуры дизелей
сельскохозяйственных тракторов в условиях отрицательных температур показали,
что наиболее критическим участком топливоподающей системы является линия
всасывания топливоподкачивающего насоса, которая забивается кристаллами
Н-алканов при температуре окружающей среды ниже -8.5 0С. Наиболее
надежный и экономически выгодный способ обеспечения безотказной работы
дизельного двигателя в зимних условиях - тепловое разрушение кристаллов
Н-алканов с помощью индивидуальных приборов, устанавливаемых на начальном
участке системы питания двигателя и включенных в бортовую электросеть трактора.
К наиболее перспективным средствам облегчения пуска и эксплуатации в условиях
отрицательных температур можно отнести: легковоспламеняющиеся пусковые жидкости
(ЛВЖ), применение присадок-депрессоров, использование электрических
подогревателей впускного воздуха, дизельного топлива и охлаждающей жидкости.
Теоретический анализ проведен с учетом
характерных особенностей рассматриваемых сред - полимолекулярного состава
нефтепродуктов, их полифазности и полидисперсности при низких температурах. При
теоретических расчетах температуру подогрева и затраты энергии на подогрев
топлива следует определять решением системы дифференциальных уравнений в первом
приближении. При решении практических задач, температура подогрева топлива определяется
по номограмме.
Проведенная экспериментальная проверка
подтвердила основные положения теоретических исследований. Полученные данные
говорят о том, что в современном тракторостроении наблюдается отставание и
решении актуальной проблемы обеспечения надежной эксплуатации АТД в условиях
низких температур. Не уделяется должного внимания привлечения к решению этой
проблемы научных, конструкторских и технологических разработок, имеющихся в
других областях производства, использованию новых материалов и запатентованных
технических решений.
Авторы данной монографии надеются, что
предложенные в ней результаты исследований привлекут внимание работников
конструкторских бюро в машиностроении и внесут весомый вклад в решение проблемы
обеспечения надежной и безотказной работы автотракторной техники в условиях
отрицательных температур.
Литература
автотракторный дизель эксплуатация
1. Власов П.А. Особенности эксплуатации
дизельной топливной аппаратуры. - М.: Агропромиздат,1987. 126 с.
2. Бородич А.М. Исследование работы
тракторного дизеля при эксплуатации в условиях низких температур. Дис. на
соиск. канд. тех. н.: 05.20.03. - Иркутск, 1969. 167 с.
3. Головин А.М. Зависимость износа
гильзы цилиндров дизеля А-41 от температуры окружающей среды и степени загрузки
при пуске-прогреве.// Работа дизельных двигателей при низких температурах. -
Иркутск, 1977. С.12...16.
4. Суранов Г.И. Уменьшение износа
автотракторных двигателей при пуске.- М., Колос, 1982. 141 с.
5. Придорогин В.К. Об износе дизельного
двигателя Д-37М при работе в условиях низких температур окружающего воздуха. //
Работа дизельных двигателей при низких температурах. - Иркутск, 1977. С.
3...12.
6. Пахомов Э.А. Влияние температурного
режима дизеля Д-37 М на скорость изнашивания цилиндров и колец. // Тракторы и
автомобили - 1969. N0 3. С. 15...19.
7. Бардышев О.А. Эксплуатация
строительных машин зимой. - М.: Колос, 1976. 189 с.
8. Березовский С.В., Марамошкин А.В.
Испытание автомобилей на севере. // В сб. тр. Полигонные испытания,
исследование и совершенствование автомобилей. - Тр. НАМИ. - М.,1985. С.
11...12.
9. Тракторные дизели. Справочник. //
Под ред. Взорова Б.А. - М., Машиностроение, 1981. 535 с.
10. Гордеенко А.В. Улучшение пусковых
свойств и условий работы автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации: Дис.
кан. тех. наук: 05.20.03., 05.04.02. - Минск, 1997. 183 с.
11. Цуцоев В.И. Зимняя эксплуатация
тракторов и автомобилей. - М.: Колос, 1993. 173 с.
12. Пасечников Н.С., Болгов И.В.
Эксплуатация тракторов в зимнее время. - М.: Россельхозиздат, 1972. 142 с.
13. Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков
Ю.П. Пусковые качества и системы пуска АТД. - М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
14. Усольцев Ф.Т. Исследование процесса
пуска тракторного дизеля при эксплуатации его в условиях низких температур:
Автореф. дис. на соиск. степ. канд. техн. наук: 05.20.03.-Иркутск, 1967. 24 с.
15. Работа двигателей в условиях зимней
эксплуатации. // Сб. н. тр. - Иркутск СХИ, 1986. 37 с.
16. Семенов Н.В. Эксплуатация
автомобилей в условиях низких температур. - М.: Транспорт,1993. 190 с.
17. Нефтепродукты: свойства, качества,
применение. Справочник под редакцией Лосикова Б.В. - М.: Химия, 1966. 776 с.
18. Семенов Н.В. Эксплуатация
автомобилей в условиях низких температур. - М.: Транспорт,1993. 190 с.
19. Топлива, смазочные материалы, технические
жидкости. Ассортимент применение. Справочник.//Под ред. Школьникова В.М. - М.:
Химия, 1989. 431 с.
20. Васильева Л.С. Автомобильные
эксплуатационные материалы. - М.,Транспорт,1986. 279 с.
21. Топлива, смазочные материалы,
технические жидкости. Ассортимент и применение: Т 581 Справочник / И.Г.
Анисимов, К.М. Бадыштова, С.А. Бнатов и др.; Под ред. В.М. Школьникова. Изд.
2-е перераб. и доп. - М.: Издательский центр "Техинформ", 1999. 596
с.
22. Итинская Н.И. Кузнецов Н.А. Топлива,
масла и технические жидкости. Справочник. - М.: Агропромиздат, 1989. 303 с.
23. Никифоров А.Н. Научные основы
использования топлива и смазочных материалов в сельском хозяйстве. - М.: ВО
Агропромиздат, 1987. 248 с.
24. Гуревич А.:М. Тракторы и автомобили.
- М.: Колос, 1983. 243 с.
25. Мелентьев Ю.К. Влияние низких
температур окружающего воздуха на эффективные показатели однокамерных и
предкамерных дизельных двигателей воздушного охлаждения. // Работа дизельных
двигателей при низких температурах. - Иркутск, 1977. С. 30...39.
26. Кривцов В.Г. и др. Проблема запуска
двигателей строительных и дорожных машин в условиях низких температур и
перспективы ее решения.// Двигателестроение, 1991. № 4 С. 55...56.
27. Данилов А.М. Присадки к топливам.
Разработка и применение в 1996-2000 г.г. // Химия и технология топлив и масел.
2002. №6. С. 43…50.
28. Топливо дизельное автомобильное.
ГОСТ 305-82.
29. Топливо дизельное автомобильное (EN
590) ТУ 38.401-58-296-2001.
30. Митусова Т.Н., Полина Е.В., Калинина
М.В. Современные дизельные топлива и присадки к ним - М.: Издательство
«Техника». ООО«ТУМА ГРУПП», 2002. 64 с.
31. Башкатова С.Т. Присадки к дизельным
топливам: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук:
02.00.13)/Всерос. НИИ по перераб. нефти. - Москва, 1995. 50 с.
32. Гуреев А.А., Лебедев С.Р. и др.
Улучшение низкотемпературных свойств дизельных топлив. -- М.: ЦНИИТЭнефтехим,
1980. 49 с.
33. Башкатова С.Т. и др. Присадки к
дизельным топливам. - М.: Химия, 1994. 251 с.
34. Казакова Л.Л. Твердые углеводороды
нефти. - М.: Химия, 1986. 174 с.
35. Богданов Н.Д., Переверзев А.Н.
Депарафинизация нефтяных продуктов. - М.: Гостоптехиздат, 1961. 247 с.
36. Нефтепродукты. Свойства, качество,
применение. Справочник под ред. Лосикова Б.В. - М.: Химия, 1966. 176 с.
37. Справочник химика. Основные свойства
неорганических и органических соединений. - М.:Химия, 1973. 223 с.
38. Карташевич А.Н. Комплексное
повышение эксплуатационных показателей дизелей сельскозяйственных тракторов:
Дис. … д-ра техн. наук: 05.20.03, 05.04.02. Горки, 1992. 437 с.
39. Переверзев А.Н., Богданов Н.Д.,
Рощин Ю.Н. Производство парафинов. - М.: Химия, 1973. 223 с.
40. Цой П.В. Методы расчета задач
тепломассопереноса. - М.:Энергоатомиздат, 1984. 415 с.
41. Поляков Ю.Т., Халеев Д.Х. Подогрев и
подогреватели дизельного топлива. //Автомобильная промышленность, 1983, № 8. C.
16...19.
42. Лосавио Г.С. Эксплуатация
автомобилей при низких температурах. - М.: Транспорт, 1973. 116 с.
43. Мирский Я.В. и др. Синтетические
цеолиты и их применение в нефтепереработке и нефтехимии. - М.: ЦНИТЭ
нефтехимии, 1967. 89 с.
44. Энглин Б.А. Применение жидких топлив
при низких температурах. - М.: Химия, 1980. 208 c.
45. Brown G.J., Tack
R.D., Chandler J.E. // SAE Techn Pap. - 1988. -№ 881652. C.1...15.
46. Антонюк С.Д. Принципиальные
возможности повышения стабильности топливоподачи и долговечности однокамерного
насоса типа НД, выбор и обоснование конструктивных рекомендаций. //Сб. н. р.
Саратовского института механизации сельского хозяйства. - Саратов, 1978. №116.
47. Морозов Г.А. Применение топлив и
масел в дизелях. - Л.:"Недра",1964. 330 с.
48. Гуреев А.А., Серегин Е.П., Азев B.C.
Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. М, Химия, 1984. 200 с.
49. Тертерян Р. А., Башкатова С.Т.
Депрессорные присадки к дизельным топливам. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1987. 60 с.
50. Данилов А.М. и др. Применение
присадок в топливах для автомобилей. Справочник. - М.: Химия, 2000. 225 с.
51. Митусова Т.Н., Веретенникова Т.Н. и
др. //Химия и технология топлив и масел. 1984 №5. С. 22…23.
52. Бранцевич В.С. Повышение пусковых
качеств тракторных дизелей путем защиты топливной аппаратуры от парафинов в
условиях низких температур: Дис... кан. тех.. наук:0.5.04.0.2- Санкт-Петербург,
1995. 166 с.
53. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.,
Бранцевич В.С. Повышение эффективности работы линии низкого давления системы
питания дизеля в условиях отрицательных температур //Тезисы докладов XXI
научно-технической конференции в рамках проблемы “Наука и мир”.- Брест, 1994.
С.51...52.
54. Кацельман А.Я., Яркий А.А.
Подогреватели двигателей строительных и дорожных машин // Строительные и
дорожные машины. 1988, - №12. С. 3...6.
55. Бакуревич Ю.Л., Толкачев С.С.
Шевелев Ф.Н. Эксплуатация автомобилей на севере.- М.: Транспорт, 1973. 180 с.
56. Карташевич А.Н., Бранцевич В.С.,
Гордеенко А.В. Определение пределов работоспособности топливной системы дизеля
при отрицательных температурах //Engineering
proceedings-Kaunas-Akademija,
1996. Р.131...139.
57. Гордеенко А.В. Повышение
низкотемпературной прокачиваемости дизельного топлива путем его подогрева//
Механизация мелиоративных работ.-Горки,1997. с.32-36.
58. Карташевич А.Н., Бранцевич В.С.,
Гордеенко А.В. Повышение эффективности работы системы питания дизеля в зимних
условиях // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и
автомобилей. Тез. докл. конф. - Санкт-Петербург, 1995. С.40...41.
59. Альтгаузен А.П. и др.
Низкотемпературный электронагрев. - М.:Энергия, 1968. 184 с.
60. Крутов В.И., Горбаневский В.Е.,
Кислов В.Г. Топливная аппаратура автотракторных двигателей. - М.: Машиностроение,
1986. 207 с.
61. Jones M. The
development of sele regulating positive temperature coefficient (PTC) diesel
fuel heating systems. Forum int. nouv. technol. automob., Monte - Carlo, 1985.
P. 257... 264.
62. Savage J.
Deisel-fuel quality. "Transp. Eng.", 1986. P. 18…20.
63. Кривов В.Г., Гулин С.Д., Глухенко
Н.В., Сорокин А.А. Проблема запуска двигателей строительных и дорожных машин в
условиях низких температур и перспективы ее решения // Двигателестроение. - 1991,
- №4. С. 55...56.
64. Микулин Ю.В., Карницкий В.В., Энглин
Б.А. Пуск холодных двигателей при низкой температуре. - М.: Машиностроение,
1971. 211 с
Тайц
В.Г., Новиков В.И., Беркут А.А. Опыт эксплуатации пусковых подогревателей на БАМе// Строительные и дорожные
машины. - 1989, -№6. С. 25...27.
65. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.,
Бранцевич В.С. Исследования работы топливоподающей системы дизеля с
электроподогревателем в трубопроводе при низких температурах // Материалы
международной 51-ой научно-технической конференции.- Мн., 1995. Ч.3. С.73-74.
66. Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А.,
Чернявский А.Н. Трубчатые злектрические нагреватели и установки с их
применением. - М.:Энергоатомиздат,1989. 159 с.
67. Николаев Е.А. Зарубежные средства
фильтрации и подогрева топлива дизелей // Проблемы совершенствования тракторных
и комбайновых двигателей; развитие конструкций топливной аппаратуры
автотракторных двигателей. - Л.: 1986 С.228...234.
68. Пат. 2009358 РФ, МКИ F-02
М 37/00. Фильтр тонкой очистки топлива. /В.С. Бранцевич, А.Н. Карташевич, В.М.
Рогочевский, А.А. Новиков (Беларусь).-№ 48663722/06; Опубл. 15.03.94; Бюл. №5.
69. Пат. 2009359 РФ, МКИ F-02
М 37/00. Фильтр грубой очистки топлива. /В.С. Бранцевич, А.Н. Карташевич, В.М.
Рогочевский, А.А. Новиков (Беларусь).-№ 48663723/06; Опубл. 15.03.94; Бюл. №5.
70. Пат. 2007609 РФ, МКИ F-02
М 31/12.Подогреватель дизельного топлива. / А.Н. Карташевич, В.С. Бранцевич,
В.Д. Прудников (Беларусь).-№ 4896914/06; Опубл. 15.02.94; Бюл. №3.
71. Заявка РФ № 95-100042/06 (000797),
МКИ F-02 М 31/12.
Подогреватель дизельного топлива. / А.Н. Карташевич, В.С. Бранцевич, А. В.
Гордеенко (Беларусь).- Опубл. 17.03.96; Бюл. №1.
72. Пат. РФ 2168650 С2. Нагреватель
дизельного топлива / И.Ю. Ходыревская, С.Э Саукум; Опубл. 10.06.1998; Бюл. №5.
73. Веременникова Т.Н., Энглин Б.А.,
Николаева В.Г. и др. Восприимчивость дизельных топлив и депрессорной присадки
ВЭС-238 в зависимости от их углеродного состава // Химия и технология топлив и
масел - 1978,№11 С.17…20.
74. Пат. РБ № 1766 U.
Система облегчения работы дизеля при низких температурах / А.Н. Карташевич, А.
В. Гордеенко, Д.С.Разинкевич; Опубл. 22.03.2004; Бюл. №2.
75. Жукавскас А.А. Конвективный перенос
в теплообменниках.- М.: Наука,1982. 818 с.
76. Бурштейн А.И. Физические основы
расчета полупроводниковых термоэлектрических установок.- М.: Фитмагиз,1962. 133
с.
77. Исаченко В.П., Осинова в.А., Сукомел
А.С. Теплопередача.-М.: Энергия,1975. 485 с.
78. Лыков А.В. Теория теплопроводности.
- М.: Высш. шк., 1967. 600 с.
79. Варгафтик Н.Б.., Филиппов Л.П.,
Тарзиманов А.А. и др. Теплопроводность жидкостей и газов. - М.: Изд-во
стандартов, 1978. 470с.
80. Кирилов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков
В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. - М.: Энергоиздат, 1990. 283 с
81. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое
сопротивление. Справ. пособ. - М:Энергоатомиздат,1990. 365 с.
82. Оболенцев Р.Д. Физические константы
углеводородных жидких топлив и масел. - М.: Гостоптехиздат, 1953. 398 с.
83. Петров А.Д. Химия моторного топлива.
М.: Изд-во СО АН СССР, 1953. 510 с.
84. Уббелоде А. Плавление и
кристаллическая структура. Пер. с англ. С.Н. Горилина и А.М. Зацеляпина. - М.:
Мир, 1969. 419 с.
85. Ильюшин А.А. Механика сплошной
среды. М.: Машиностроение, 1990. 303 с.
86. Сивухин Д.В. Общий курс физики.
Термодинамика и молекулярная физика. Том 2. - М.:Наука,1990. 592 с.
87. Гусак Г.М. Система алгебраических
уравнений. - Мн.: Колос,1983. 234 с.
88. Кухаренок Г.М. Методы и средства
совершенствования рабочего процесса высокооборотных дизелей: Дис. д-ра техн.
наук: 05.04.02. Минск, 2000. 291 с.
89. Гордеенко А.В., Гордеенко В.К.
Уравнение конвективного теплообмена дизельного топлива в топливопроводе низкого
давления// Механизация мелиоративных работ. - Горки,1997. С.37…40.
90. Гордеенко А.В. Расчет количества
тепла, затрачиваемого на плавление кристаллов углеводородов дизельного
топлива// Эксплуатация, ремонт и восстановление с.-х. техники. Горки,1997.
С.48…51.
91. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.,
Бранцевич В.С. Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний
период эксплуатации // Traktorio
ir automobiliu
bei ju
agregatu
darbo procesu
tyrimai. Mokslo
darabai - Kaunas,
1997. Р.60…67.
92. Гордеенко А.В. Улучшение пусковых
качеств и условий работы автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации.
Автореферат на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Минск,1998. 22 с.
93. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.
Совершенствование системы топливоподачи автотракторных дизелей в зимний период
эксплуатации // Повышение эффективности использования с.-х. техники: Материалы
международной науч.-практ. конф., посвящ.70-летию акад. С.И. Назарова. - Горки,
1998.- Ч.2. С. 107…110.
94. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В. Об
оптимальной вязкости топлива для АТД в условиях зимней эксплуатации //
Материалы междунар. 53-й науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, науч.
работников и аспирантов Белорус. гос. политехн. академии. - Минск, 1999.-Ч.1.
С. 92.
95. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.
Расчет нагревательного элемента топливоподающей системы дизеля при низких
температурах //Bijgrotechnical
Systems Engineering:
Materialy 7 Miedzynar.
Simpoz. - Plock,
2001. -№ 8. P. 132…137.
96. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.
Расчет подогревателя топливоподающей системы дизеля при низкой температуре //Commission
of motorization
and energetics
in agriculture:
Polish academy
of sciences
Branch in
Lublin. - 2001. Vol.1.
P. 137…143.
97. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.,
Иржигитов И.В. Математическая модель процесса топливоподачи в условиях
отрицательных температур //Актуал. проблемы механизации с.-х. пр-ва: Материалы
международной науч.-практ. конф., посвящ. 160-летию Белорус. гос. с.-х.
академии и памяти акад. С.И. Назарова. - Горки, 2001.- Ч.1 С. 93…98.
98. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В.
Расчет нагревательного элемента топливоподающей системы дизеля при отрицательных
температурах // Актуал. проблемы механизации с.-х. пр-ва: Материалы
международной науч.-практ. конф., посвящ. 160-летию Белорус. гос. с.-х.
академии и памяти акад. С.И. Назарова. - Горки, 2001.- Ч.1. С. 99…102.
Похожие работы на - Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации
|