Обоснование требований к топливам различного фракционного состава на основе анализа рабочего цикла дизеля

В настоящее время вопросы увеличения ресурсов дизельных топлив как в Советском Союзе, так и в других странах весьма актуальны, что связано, с одной стороны, с уменьшением темпов прироста добычи нефти (а в некоторых странах и с уменьшением самой добычи), а с другой — прогрессивным ростом парка дизелей и увеличением их единичной мощности. Одним из возможных путей расширения ресурсов дизельных топлив является углубление процессов переработки нефти и вовлечение в производство дизельных топлив продуктов вторичной переработки, таких как газойли каталитического крекинга, гидрокрекинга, термического крекинга (после предварительной гидроочистки) и др. С другой стороны, с учетом особенностей эксплуатации в дизелях могут быть использованы газоконденсатные топлива, топлива расширенного (РФС) и утяжеленного (УФС) фракционного состава, а в более дальней перспективе — искусственные жидкие топлива из сланцев, каменного угля, битуминозных песков и др., а также спирты, эфиры растительных масел и продуктов переработки отходов с/х производства. Это, соответственно, приведет к изменению основных показателей дизельных топлив в сторону существенного расширения (и определенного ухудшения) их качества. Прежде всего это относится к таким параметрам, как плотность, вязкость, фракционная разгонка, цетановое число, содержание серы, температуры помутнения, застывания и предельной фильтруемости и др. Вместе с тем все указанные показатели должны удовлетворять основным требованиям к дизельным топливам, которые можно сформулировать следующим образом:

— топлива должны иметь оптимальные значения вязкости, давления насыщенных паров, плотности, поверхностного натяжения, сжимаемости и других параметров, обеспечивающие, надежное впрыскивание и качественное смесеобразование при любых климатических условиях;

— топлива должны иметь оптимальные соотношения воспламеняемости и фракционного состава, обеспечивающие надежный пуск и высокую полноту сгорания без образования сажи и токсических компонентов, иметь минимальную склонность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продуктов сгорания.

Кроме того, топливо должно сохранять свои свойства при длительном хранении и транспортировке, не содержать механических примесей, обладать возможно меньшей пожарной опасностью, иметь низкие температуры застывания и помутнения и хорошую прокачиваемость при низких температурах, быть недорогим.

Согласно новому ГОСТ 305–82 автотракторные дизельные топлива должны иметь температуру конца кипения для эксплуатации в арктических условиях не выше 330 °C, в зимних условиях — не выше 340 °C и в летних условиях — не выше 360 °C. С учетом этих требований фракционный состав дизельного топлива в настоящее время определяется как нефтяная фракция с пределами выкипания (180−200°С) — (330−360°С).

Проводимые в последние годы работы по увеличению ресурсов дизельных топлив за счет расширения фракционного состава ведутся в следующих направлениях:

— разработка дизельных топлив расширенного фракционного состава (РФС), представляющих собой смесь 60−65 $ дизельного летнего топлива с 35−40 $ бензина прямой перегонки. Применение таких топлив позволяет увеличить ресурсы дизельных топлив до 48−53 $ (по отношению к исходной нефти);

— (увеличение температуры конца кипения зимних и арктичес.

— б ких топлив до температуры конца кипения летнего топлива (~360°С), что позволило бы увеличить их выпуск на 5−10 $;

— разработка дизельных топлив утяжеленного фракционного состава с температурой конца кипения до 380−400°С и вязкостью 10−12 мм2/с при 20 °C.

Товарные дизельные топлива для автотракторных двигателей по ГОСТ 305–82 представляют собой продукты прямой перегонки нефти с добавлением до 2−10 $ газойлей каталитического крекинга. Для улучшения эксплуатационных свойств топлив используют различные присадки, содержание которых в дизельном топливе (% масс лежит примерно в следующих пределах:

— депрессорные: 0,1−0,2.

— антиокислительные: 0,002−0,1.

— антикорро зионные: 0,0008−0,005.

— антидымные: 0,25−0,5.

— диспергирующие: 0,026−0,I.

— повышающие ЦЧ: 0,25−2,0.

— моющие: 0,001−0,0012.

— многофункциональные: 0,1−0,5.

При массовом производстве и использовании в народном хозяйстве бензинов, реактивных и дизельных топлив на первый план выдвигаются проблемы экономии моторных топлив и расширения их, ресурсов. Это означает, что при улучшении отдельных эксплуатационных свойств топлив не должно происходить сокращения их ресурсов и увеличения их себестоимости. Уже в настоящее время в Советском Союзе ресурсы реактивных и дизельных топлив и бензинов становятся в определенной степени лимитирующими факторами в развитии автотракторной техники. Так, более глубокая очистка дизельных топлив от серы приводит к большим потерям при их получении. Согласно / / оптимальным следует считать содержание серы в дизельных топливах 0,4−0,5 $, при этом необходимо контролировать и ограничивать содержание меркаптановой серы (не более 0,01 $). .

Не менее важна оптимизация качества дизельных топлив по цетановому числу, которое по действующим стандартам не должно быть менее 45. Согласно данным ВНИИ НП снижение этого предела до ЦЧ = 40 даст возможность расширить ресурсы зимних и арктических дизельных топлив на 20−30 $ и уменьшить расход топлива в масштабах Советского Союза на 1,5−3 млн. т в год. Отметим, что согласно /56 / примерно 95 $ дизельных топлив по физико-химическим и эксплуатационным свойствам отвечают требованиям наиболее напряженных высокооборотных транспортных дизелей, потребляющих лишь 40 $ общего количества вырабатываемых топлив. Это приводит к неоправданным затратам при получении дизельных топлив и сокращению их ресурсов. Увеличение производства дизельных топлив за счет расширения их фракционного состава путем использования бензиновых фракций позволит повысить на 25−30 $ эффективность использования бензинов как топлива, поскольку дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными имеют более высокий КПД,.

Как следует из проведенного анализа в ближайшей перспективе возможно существенное расширение диапазона качеств дизельных топлив по сравнению с существующим ГОСТом, что приводит к необходимости решать соответствующие задачи совершенствования двига телей прежде всего за счет повышения эффективности рабочего цик ла дизеля. Это требует постановки и проведения специальных поис ково-исследовательских работ и конструкторско-доводочных мероприятий для получения высоких мощностно-экономических показателей дизелей без снижения их надежности и долговечности и при сохранении или снижении уровня содержания сажи и токсических компонентов в ОГ при использовании топжв с расширенными показателями качеств, оптимизированными с точки зрения увеличения их производства.

Диссертация посвящена анализу основных показателей рабочего цикла тракторного дизеля с камерой в поршне на топливах с широкими пределами показателей качеств типа расширенного (РФС) и утяжеленного (УФС) фракционного состава и обоснованию требований к этим топливам.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— теоретическое исследование испаряемости топлив различнр-го состава, включая термодинамический расчет равновесной испаряемости с учетом фракционирования и расчет динамической испаряемости;

— экспериментальное изучение показателей рабочего цикла тракторного дизеля с камерой в поршне и обоснование требований к показателям качеств при использовании топлив типа РФС и УФС;

— разработка простого расчетного цикла дизеля для предварительной оценки максимального давления сгорания (а также ряда других показателей динамики сгорания) и мощностно-экономическиз показателей дизеля в зависимости от ЦЧ и фракционного состава топлив;

— разработка модификации расчетного цикла для анализа показателей дизеля в условиях двухфазного смесеобразования при подаче на впуске различных топлив, в том числе и альтернативных кислородосодержащих компонентов;

— накопление опытных данных для выбора оптимальных соотношений между ЦЧ и фракционным составом товарных и перспективных моторных топлив;

— расчетное определение основных теплофизических и термохимических свойств топлив в широком диапазоне их изменения при использовании минимально возможного количества исходных данных.

Научная новизна заключается в полученных зависимостях для определения максимального давления сгорания в дизеле на основании расчета количества топлива, подготовленного к сгоранию за период задержки воспламенения, в зависимости от изменения свойств топлив, режимов работы, скорости движения воздушного заряда, конструктивных параметров камеры сгорания и распылителя.

Научная новизна также заключается в разработанных алгоритме и программе на ЭВМ расчета кривых равновесного испарения (РИ) и равновесного выкипания (РВ) моторных топлив с учетом их фракционирования в зависимости от давления среды и отношения, топливо: воздух.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— модель фракционирования многокомпонентной смеси как в условиях характерных для впрыскивания топлива в цилиндр дизеля, так и в условиях внешнего смесеобразования, характерных для условий двухфазной подачи топлива в дизеле;

— методика расчетного определения теплофизических и термохимических свойств топлив (давления насыщенных паров, теплоты парообразования, молекулярной массы, энтальпии жидкого топлива и его паров, вязкости, поверхностного натяжения, сжимаемости и др.) в зависимости от плотности и температур! выкипания 50 $ топлива;

— результаты моторных испытаний одноцилиндрового отсека тракторного дизеля с камерой в поршне на топливах УФС и РФС по нагрузочной и регулировочной характеристикам;

— математическая модель расчетного цикла дизеля для определения максимального давления сгорания на основе количества топлива подготовленного к сгоранию за период задержки воспламенения, при работе дизеля на топливах с различными физико-химическими свойствами и при изменении его режимных и конструктивных факторов, а также при вводе добавок альтернативных компонентов на впуске.

Работа выполнялась на кафедре автотракторных двигателей Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института. Исследования были проведены в проблемной лаборатории транспортных двигателей МАДИ под научным руководством к.т.н., доцента Г. М. Камфера.

I. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ДИЗЕЛЯХ ТОПЛИВ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА.

1.1. Общие сведения.

Одним из важных преимуществ дизеля является возможность использования с высокой эффективностью топлив различного фракционного и группового состава. Это привело к развитию ряда конструкций дизелей, обеспечивающих применение жидких топлив широкого ассортимента, включающих свыше 70% топливных фракций нефти. Многотопливные дизели имеют ряд конструктивных отличий (по сравнению с базовым вариантом), обеспечивающих хорошие пусковые качества, высокие энергоэкономические и экологические показатели и надежность дизелей при работе на разных топливах, вплоть до высокооктановых бензинов. Комплекс конструктивных мероприятий может быть различным (повышение степени сжатия, принудительное зажигание, регулируемый турбо-надцув, подогрев воздуха на впуске, дополнительная смазка топливного насоса и др.) и, как правило, ставит целью решить две основных проблемы:

— обеспечить надежное воспламенение низкоцетановых топлив, особенно на пусковых режимах, а также высокие удельные показатели во всем диапазоне нагрузок и скоростных режимов;

— обеспечить надежную работу топливной аппаратуры и качество распиливания на топливах с широким диапазоном изменения плотности, вязкости, сжимаемости и др.

Сложность решения указанных проблем заключается в том, что изменение физико-химических свойств топливо-воздушной смеси оказывает влияние на все фазы рабочего процесса: впрыскивание и распиливание топлива, испарение и образование рабочей смеси, воспламенение и сгорание.

Рассмотрим возможное влияние на процессы смесеобразования, воспламенения и сгорания в дизеле вязкости, фракционного состава и химического состава применяемых топлив, примерный диапазон изменения основных свойств ряда моторных топлив дан в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Основные свойства топлив /и/. «Т ^¿-Г «Т | ~Бензин.

Плотность при.

20 °C, Г/см® 0.83−0.88 0.82−0.85 0.71−0,75.

Цетановое число 40−50 35−40 25−30.

Кинематическая вязкость при 20 °C, мм/с.

3,5−8 2,9−3 0,6−0,8.

Поверхностное натяжение при 20 °C, дйн/см 28−30 26−28 21−22.

Фракционный состав начало кипения, °С 180−200 120−140 35−60.

50 $, °С 270−290 190−220 125−140.

Конец кипения, °С 320−360 280−320 170−200.

Сопоставление характеристик основных товарных топлив показывает, что значительные различия имеют их вязкость, фракционный состав, цетановое число и плотность. Несколько меньшее отличие имеет поверхностное натяжение.

Влияние плотности на изменение массовой подачи может быть скорректировано соответствующей регулировкой топливоподающей аппаратуры. Одним из факторов, влияющих на качество смесеобразования, является также дальнобойность факела топлива, величина которой при прочих равных условиях зависит от физических свойств топлива.

В работе /б 8 / приводится обобщенная зависимость для продвижения вершины факела топлива для случаев плавного изменения скорости истечения топлива из сопловых отверстий распылителя. и = А[0.5(РфО-Фф"")-Ри, с/р" Лс1со<�Г)0'5 гдв Р<�ро, РфмахРа, со — давление начала открытия запира щего органа форсунки, максимальное перед сопловыми отверстиями, среднее в цилиндре;

— плотность воздухас (со — диаметр сопловых отверстий;

С — текущее время по отношению к моменту начала впрыскивания.

При использовании топлив с различными физико-химическими свойствами дальнобойность будет зависеть от свойств топлива и определяется по формуле/90 / i ^ ДОСоАс!* ¿-&bdquo-[^м^ ехр (-37.5 р"//Ш Ъ/*О^ее ?25 I V J где а.

А Л ^.

Со — начальная скорость капель топлива, м/сО — плотность топлива, кг/м3- 2.

— динамическая вязкость топлива, кг с/м ;

— динамическая вязкость воздуха, кг с/м^;

Daкинематическая вязкость воздуха, м^/сd — диаметр сопла, м. Плотность топлива влияет на дальнобойность, так как кинетическая энергия топлива, впрыснутого из распылителя, является одним из основных факторов определяющих мел кость распиливания. Как следует из работы /29 / цри работе дизеля на бензине дальнобойность и скорость продвижения вершины факела снижаются, а угол распиливания увеличивается по сравнению с дизельным топливом, рис. 1.1 /29/.

Качество процесса распиливания, оказывая существенное влияние на процессы смесеобразования, воспламенения и сгорания в дизеле/4,62,64,70,74,87 /также зависит от свойств топлива / 3,13,19, 58 /. Причем, распиливание тем мельче и однороднее, чем меньше вязкость, плотность и поверхностное натяжение топлива и выше скорость его истечения/47,66 /.

Основными свойствами топлива влияющими на мел кость распиливания являются вязкость, поверхностное натяжение и плотность. Высокая вязкость приводит к увеличению размеров капель, т. е. к ухудшению распиливания и увеличению дальнобойности топливного факела. Капли больших размеров медленно испаряются образуя неоднородную смесь. Размер капель зависит также от поверхностного натяжения топлива.

Так, например, при впраске штифтовой форсункой фирмы BOSCH в работе/ 90 /было установлено, что средний диаметр капель зависит от вязкости, плотности, поверхностного натяжения и молекулярной массы топлива по соотношению.

0.565 .0.737 0.06 -0.54 d52s6156y V-pr) jDa 'ДР • JU’VCi мм 80.

20 \ \ > (> о^С ч // Л —.

У /У // / / I" / // // // / А —¦ «» 0 < «1/.

Ыф, м/с.

40 30 с/, град. 20.

8 10 № кадра.

0,9 2,7 4,5 6,3 8,1 9,9 г*, град.

I I-•-1−1— .

0,4 1,2 2,0 2,8 3,6 4,4 Т, мс.

Рис. 1.1. Изменение дальнобойности £ф, скорости иф и телесного угла ос факела дизельного топлива (-) и бензина (——) /29/ где сКз. — средний диаметр капель по Заутеру, мкм;

I) — кинематическая вязкость, м2/с;

О — поверхностное натяжение, Н/мРТ ' «плотность топлива, воздуха соответственно, кг/м3- дР — перепад давления через форсунку, барл — динамическая вязкость, кг с/м — - молекулярная масса, кг.

Данная зависимость отмечается в работе/ 90 /дает удовлетворительное согласование с экспериментом.

Утяжеление фракционного состава топлива ведет к ухудшению качества распиливания и равномерности распределения топлива в объеме камеры сгорания, вследствие повышения вязкости и поверхностного натяжения топлива/ 2 / Увеличение доли бензиновых фракций улучшает качество распиливания и испаряемость топлив /25 /так, например, уменьшение вязкости топлива с 22,15 сст до 5,59 сст ведет к уменьшению среднего диаметра капель/13 / с 67 мкм до 34,4 мкм и изменению основных показателей рабочего процесса. Так, из рис. 1.2 следует, что с уменьшением среднего диаметра капель период задержки воспламенения уменьшается. Отсюда следует, что в случае определяющего влияния мелкости распиливания на величину, применение легких топлив., должно привести к уменьшению периода задержки воспламенения. Вместе с тем результаты исследовании/8,29,50, 74 /и, в частности, данные на рис. 1.3 свидетельствуют об обратном, а именно, об увеличении продолжительности периода задержки воспламенения при работе дизеля на легких топливах, что указывает на преобладающее влияние химических свойств топлива на период задержки воспламенения по сравнению с физическими.

Рис. 1.2. Параметры сгорания в зависимости от среднего диаметра капли при различных температурах воздоха /13 /.

Г<, мс.

1,5.

1,0 0,5.

Т, К.

Яе,.

250 у ч < х ^ ^ * - X о — —.

X К.

4 — X * у о.

Л— 0— хX. V у О Ух /.

А / чх— // 1 ч —*.

I 4.

20 22.

0,7.

0,6.

0,5 0,4 мах.

МПа/1.

•о.

Па.

10 8.

Эоп.В, °пкв о—в Дизтопливо х Бензин.

Рис. 1.3. Изменение параметров опытного двигателя 14 13/16 с камерой в поршне при работе по регулировочной характеристике /29/.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ.

1. Экспериментально установлено, что расширение фракционного состава путем снижения температуры начала кипения до = = 70 °C и увеличение температуры конца кипения до ^^ = 380 °C и 420 °C при сохранении ЦЧ на уровне не ниже 40 оказывает положительное воздействие на все основные показатели рабочего цикла (на номинальном режиме).

2. Для исследованных образцов топлив увеличение температуры конца кипения при неизменной температуре начала кипения приводит при постоянном угле опережения впрыскивания к ухудшению топливной экономичности и увеличению содержания сажи в 0 Г. Так, при р£ = 0,85 МПа 4/= 0,459 для образца 180−360°С и 0,434 для образца 180−420°С.

3. Подтверждено преобладающее влияние ЦЧ на период задержки воспламенения: с ростом ЦЧ уменьшаетсяпри этом одновременное изменение фракционного состава не оказывает заметного влияния.

4. Полученный нетрадиционный (неоднозначный) характер изменения максимального давления и максимальной скорости нарастания давления при сгорании в зависимости от ЦЧ позволил сделать вывод об определяющем влиянии не собственно ЦЧ, а характера взаимного изменения кривой фракционной разгонки, ЦЧ и плотности топлива.

5. Количественная оценка максимального давления цикла Рты и максимальной степени нарастания давления УР/М) ты при неоднозначном характере изменения фракционного состава и ЦЧ может быть с наибольшей достоверностью проведена по величине.

ГП"/£- Ни, характеризующей количество теплоты, подведенной в первой фазе сгорания.

6. Разработанная простая расчетная модель цикла дизеля позволяет количественно оценить величину изменения максимального давления сгорания в зависимости от конструктивных параметров камеры сгорания, скорости движения воздушного заряда, свойств топлив, режимов работы дизеля с максимальной погрешностью не более 10%,.

7. Разработанная расчетная модель цикла, развитая для случая двухфазного смесеобразования, может быть использована для расчета Р мл* при подаче на впуске альтернативных компонентов с погрешностью не более 10%.