Глава III
ДВИГАТЕЛИ ВЫСОКОГО СЖАТИЯ (ДИЗЕЛИ)
§ 8-9. Топливо для двигателей внутреннего сгорания
Правильный выбор вида и сорта топлива определяет экономичность и эксплуатационную долговечность двигателя.
В двигателях внутреннего сгорания может применяться газообразное, жидкое и твердое топливо. Оно должно обладать способностью сравнительно быстро перемешиваться с воздухом внутри цилиндра.
В продуктах сгорания не должно быть твердого остатка в виде золы или кокса, смолистых паров, а также агрессивных к металлу веществ.
Твердый остаток, попадая в смазку, усиливает износ цилиндров поршня и других деталей. Пары смолы, конденсируясь, осаждаются на клапанах и особенно на внутренних поверхностях выпускной системы. Даже незначительное количество смол способно уменьшить проходное сечение выпускного трубопровода.
Каменный уголь, дрова, торф используются только после их газификации в специальных устройствах — газогенераторах. Опыты сжигания твердого топлива в виде угольной пыли показали отрицательные результаты, так как зола и несгоревшие частицы пыли вызывали повышенный износ цилиндра и поршневой группы. Работа двигателя сопровождалась весьма высоким расходом смазки.
Для тепловозных двигателей используется только жидкое топливо. Газообразное топливо не получило распространения из-за громоздкости дополнительных устройств, необходимых для хранения и перевозки газа.
Для грузовых автомобилей, работающих вблизи газокомпрессорных станций, иногда применяется высокосжатый или сжиженный газ, содержащийся в баллонах, установленных под кузовом автомобиля.
Дизельное топливо — продукт переработки сырой нефти, в зависимости от фракционного состава оно подразделяется на ряд сортов или марок.
Для быстроходных двигателей вырабатываются четыре марки дизельного топлива: ДА (арктическое), ДЗ (зимнее), ДЛ (летнее), ДС (специальное). Такое топливо характеризуется весьма низкой вязкостью.
При использовании для двигателей топлива, имеющего высокую вязкость, его необходимо подогревать, чтобы обеспечить движение в топливопроводе и нормальную работу топливной аппаратуры. Температура подогрева равна 45—55° С.
Качество топлива определяют следующие показатели.
Зольность бензина и керосина должна быть равна нулю. Для всех видов топлива, используемых в дизелях, зольность допускается не больше 0,02—0,05%.
Содержание кокса в продуктах сгорания указывает на присутствие в жидком топливе смолистых веществ, которые из-за краткости времени сгорания переходят в кокс. Поэтому оценка величины смолистых веществ, имеющихся в топливе, производится так называемым коксовым числом. Коксовое число определяется путем нагревания пробы воздуха в тигле без доступа воздуха и выражается в процентах от первоначального веса пробы. Для топлива тихоходных дизелей коксовое число 4%, для быстроходных 0,05%.
В топливе могут быть сернистые соединения и элементарная сера. Сернистые соединения вызывают коррозию топливных баков, топливопроводов и деталей топливной аппаратуры. Особенно активен сероводород, поэтому его присутствие в топливе не допускается.
При сгорании серы образуется сернистый ангидрид и серный ангидрид. В продуктах сгорания всегда имеется водяной пар, способный конденсироваться. При соединении влаги и сернистого ангидрида образуется сернистая кислота, соединение же серного ангидрида с водой дает серную кислоту. В результате сжигания сернистого топлива в цилиндре двигателя образуется преимущественно серная кислота. Попадание серной кислоты на стенки цилиндра, поршня и поршневых колец ускоряет их коррозию, а примешивание к смазочному маслу вызывает также коррозию шеек вала и подшипников. При этом в смазочном масле повышается величина смолистых веществ, что ускоряет засорение фильтров и уменьшает срок службы масла.
С увеличением содержания серы в топливе наблюдается повышенное отложение нагара на днище поршня и его кольцах, в выпускном тракте. Поэтому содержание серы в дизельном топливе строго ограничивается.
В качестве меры, снижающей отрицательное воздействие серы, к топливу и смазке добавляют специальные присадки, количество которых составляет около 0,7% веса топлива.
Основные характеристики топлива регламентируются ГОСТами, содержащими, в частности, следующие данные (табл. 8-1).
Таблица 8-1
§ 8-10. Теплота сгорания топлива и рабочей смеси.
Коэффициент избытка воздуха
Характеристикой, определяющей энергетическую ценность топлива, является его теплота сгорания Q, под которой понимают количество тепла, выделяющегося при сжигании 1 кг топлива.
Теплоту сгорания можно вычислить по формуле Д. И. Менделеева, имеющей для жидкого топлива, не содержащего влаги, следующий вид:
Qн = 339 С + 1030 Н — 109 (От — S) кДж/кг. (8-11)
Дизельное топливо состоит в среднем из углерода (86%), водорода (13%), серы (до 1%), кислорода (1,0-0,1%). Теплота сгорания QH = = 42 284 кДж/кг или QH = 10 200 ккал/кг.
На железнодорожном транспорте используются виды и сорта топлива, имеющие различную величину теплоты сгорания, поэтому при учете расхода топлива вводится так называемое условное топливо, имеющее теплоту сгорания 29 330 кДж/кг (7000 ккал/кг).
Отношение теплоты сгорания действительного топлива к теплоте сгорания условного топлива называется калорийным эквивалентом. Для дизельного топлива калорийный эквивалент равен 1,43.
В цилиндр двигателя подаются топливо и воздух, содержащий кислород, необходимый для сгорания топлива. Смесь воздуха и частиц топлива или его паров называется горючей смесью.
Количество требующегося воздуха и получающееся количество газов сгорания определяется по реакциям полного сгорания всех элементов, входящих в топливо (§ 4-5, 4-6, 4-7).
Для сгорания 1 кг жидкого топлива, имеющего С =86%, Н =13%, От = 1%, требуется воздуха Lo = 14,4 кг/кг.
Величина Lo называется теоретически необходимым количеством воздуха, так как получена в предположении, что процесс сгорания происходит при полном перемешивании топлива с воздухом, когда каждая частица топлива получает количество кислорода, достаточное для полного сгорания.
В действительности, к таким условиям приближается процесс смесеобразования у двигателей карбюраторных и газовых, использующих легко испаряющееся топливо, имеющих длительный период смесеобразования (такты всасывания и сжатия). Для дизелей с весьма кратким временем смесеобразования (0,0034-0,004 с) требуется вводить в цилиндр воздуха больше теоретически необходимого. Отношение количества воздуха, поступающего в цилиндр Lд, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха α.
У двигателей с воспламенением от сжатия коэффициент избытка воздуха 1,6—1,8 (в цилиндр подается доза топлива, соответствующая номинальной мощности двигателя).
Стационарные двигатели работают при постоянной частоте вращения коленчатого вала. При понижении мощности, снимаемой с вала, регулятор уменьшает количество топлива, поступающего в цилиндр. Однако количество воздуха, засасываемого в цилиндр, при любой мощности практически остается постоянным. Поэтому при уменьшении мощности, развиваемой двигателем, коэффициент избытка воздуха увеличивается.
Мощность тепловозного двигателя зависит от частоты вращения коленчатого вала и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр. Изменение частоты вращения очень мало влияет на количество воздуха, засасываемого в цилиндр. Поэтому в данном случае можно принять зависимость величины избытка воздуха только от количества топлива, поступающего в цилиндр. Наименьшее количество топлива подается в цилиндр на холостом ходу; по мере возрастания мощности, развиваемой двигателем, доза впрыскиваемого топлива увеличивается, поэтому коэффициент избытка воздуха уменьшается и при номинальной мощности достигает расчетной величины (рис. 8-16).
Рис. 8-16 Изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки двигателя
При проектировании нового двигателя величина коэффициента α для номинального режима берется на основании опытных данных с учетом конструктивных особенностей двигателя и режима его эксплуатации. Коэффициент избытка воздуха для построенного двигателя определяется по анализу газов, забираемых из выпускных патрубков, или по расходу воздуха и топлива.
Горючая смесь, находящаяся в цилиндре при α=1, состоит из L0 кг воздуха и 1 кг топлива. Объемом жидкого топлива вследствие его малости по сравнению с объемом воздуха можно пренебречь. Тогда теплота горючей смеси Qcm при α= 1 и теплоте сгорания топлива QH
(8-12)
Для различных сортов дизельного топлива величины QH и Lo изменяются незначительно, поэтому QCM можно принять зависящей только от коэффициента избытка воздуха. Другие виды и сорта топлива имеют разную величину QH и Lo, вследствие этого теплота сгорания смеси получается разной и зависит от QH, Lo и а.
Поэтому некоторые топлива с меньшей теплотой сгорания образуют смеси с большей теплотой сгорания, например при а = 1 этиловый спирт имеет QH = 27 100 кДж/кг, Lo = 7 м®/кг, Qcm = 3866 кДж/кг; крекинг-бензин имеет QH = 43 000 кДж/кг, Lo = 11,5 м3/кг и Qcm= 3739 кДж/кг, т. е. на 3,3% меньше по сравнению с теплотой сгорания горючей смеси этилового спирта. Следовательно, мощность двигателя зависит от теплоты сгорания горючей смеси, а не топлива. Из формулы (8-12) следует, что с увеличением Lo теплота сгорания смеси уменьшается.