60 Способ улучшения пусковых качеств дизельных двигателей в

Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Способ улучшения пусковых качеств дизельных двигателей в
условиях низких температур посредством ультразвуковой
кавитационной обработки дизельного топлива
Василевский А.В.
Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени В.Ф. Маргелова
(военный институт)
Автомобильная техника является наиважнейшим звеном системы повседневного
обеспечения жизни и деятельности Вооруженных Сил. Практически все наземное
подвижное вооружение и военная техники ВС РФ монтируется на автомобильных
базовых шасси.
В условиях низких температур работа машин особенно затруднена, а более 50%
территории РФ относится к климатической зоне со среднегодовой температурой января
ниже - 20 °С. [1]
Значительное падение температуры окружающего воздуха приводит к
существенному изменению свойств дизельного топлива, ухудшает испаряемость,
затрудняет его прокачиваемость по трубопроводам и через фильтры, снижает
воспламеняемость, что затрудняет пуск и эксплуатацию автомобильной техники с
дизельными двигателями.
В условиях отрицательных температур в дизельном топливе происходит выделение
парафина, что отрицательно сказывается на работе двигателя, особенно затруднен его
пуск. Парафины, содержащиеся в топливе, при этом превращаются в студенистую массу,
которая забивает топливные фильтры, топливопроводы, что также является причиной
отказов.
В условиях низких температур намного выше вероятность отказов топливной
системы дизельных двигателей. Их причиной могут быть ледяные и воздушные пробки в
трубопроводах, которые образуются вследствие скопления мелких кристалликов льда при
замерзании воды, находящейся в дизельном топливе.
Нередки случаи застывания дизельного топлива в баке из-за интенсивного
теплообмена между его стенками и воздухом при движении автомобиля. [2]
Для обеспечения безотказной работы агрегатов, механизмов и систем автомобиля
при эксплуатации в условиях низких температур необходимо применение зимних видов
топлив, смазочных материалов, технических жидкостей, обладающих необходимыми
вязкостно-температурными свойствами и не теряющих их при температурах до - 60°С.
При эксплуатации автомобилей в суровых условиях Сибири и Крайнего Севера отказ
двигателя или зависимой от него системы отопления автомобиля в случае значительного
удаления его от населенных пунктов может представлять серьезную опасность для жизни
людей, характеризуя безопасность эксплуатации автомобиля.
По подсчетам специалистов НАТИ (Научно-технический центр отечественного
тракторостроения)
и
ГОСНИТИ
(Всероссийский
научно-исследовательский
технологический институт ремонта и эксплуатации машин тракторного парка),
количество поломок и аварий, изнашивание деталей стандартной техники на Севере в
3…5, а иногда в 8…10 раз больше, чем в условиях умеренного климата.
Применяемые средства облегчения пуска двигателя и его эксплуатации в условиях
низких температур решают эту проблему без учета вязкости дизельного топлива и его
парафинизации, как при запуске двигателя в условиях интенсивного теплообмена с
окружающей средой так и во время движения, так как с учетом обдува холодным
воздухом температура топлива значительно снижается, что позволяет предложить
ультразвуковой способ облегчения пуска и эксплуатации дизеля в условиях низких
температур.
Пусковые качества двигателя [3] оцениваются двумя основными параметрами:
- предельной температурой надежного пуска;
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
60
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
- временем подготовки двигателя к принятию нагрузки.
В соответствии с особенностями рабочего процесса дизельного двигателя, к
дизельным топливам предъявляют следующие требования:
- обеспечивать надежную и бесперебойную подачу топлива в камеру сгорания;
- иметь оптимальную воспламеняемость, обеспечивающую легкий пуск.
К основным эксплуатационным свойствам дизельных топлив оказывающим
наибольшее влияние на низкотемпературную эксплуатацию относятся [1]:
- прокачиваемость;
- воспламеняемость.
Установлено, что значительное облегчение фракционного состава вызывает
снижение вязкости дизельного топлива, что обеспечивает лёгкость прокачивания топлива
через топливную аппаратуру. Напротив, повышение вязкости сопровождается
увеличением сопротивления прокачивания топлива в системе питания дизельного
двигателя.
Исследованиями проведёнными в НАТИ и ГОСНИТИ, установлено, что на лёгкость
прокачивания дизельного топлива через фильтры, кроме вязкости и температурных
свойств, оказывает влияние содержания фактических смол и мыл нафтеновых кислот, а
также парафинов, которое характеризуется коэффициентом фильтруемости. [4] Этот
коэффициент для топлива быстроходных дизелей находится в пределах 2–3 единиц.
Низкотемпературные свойства дизельного топлива характеризуются температурой
помутнения, при которой в топливе начинают выделяться кристаллы парафина, и
температурой застывания, при которой топливо теряет подвижность. На пуск дизеля
существенно влияют смесеобразование и сгорание топлива в момент пуска. Поэтому
зимой для дизелей используется топливо меньшей, чем у летнего, вязкости. Кроме того,
оно имеет более низкую температуру застывания и вспышки по сравнению с летним
дизельным топливом.
Прогретый двигатель имеет надежный пуск, срок службы его увеличивается. Иногда
в зимний период при температурах ниже температур застывания допускается добавлять в
дизельное топливо технический керосин [4] в пределах от 10 до 50%. Дизельное топливо и
керосин смешиваются непосредственно перед заправкой машины. Но это повышает
жесткость работы дизеля, увеличивает нагарообразование и снижает ресурс
дорогостоящей топливной аппаратуры.
Исследования, проведённые в лабораториях НАТИ и ГОСНИТИ, показали, что
качество и скорость смесеобразования зависят не только от конструктивных факторов, но
и от некоторых физико-химических свойств топлива, главными из которых являются
вязкость и фракционный состав. Вязкость оказывает решающее влияние на первую
стадию смесеобразования – распыливание, фракционный состав на вторую –
испаряемость. Учитывая данное обстоятельство, предполагается разработать новый
ультразвуковой способ воздействия на дизельное топливо с целью изменения его физикохимических свойств – вязкость и фракционный состав, снижения уровня полимеризации и
улучшения его низкотемпературных свойств.
Для улучшения пуска в дизелях с непосредственным впрыском (КАМАЗ) топлива на
входе в цилиндр используется подогрев воздуха за счет свечей накаливания,
расположенных во впускном коллекторе, и электрофакельного подогревателя. Однако при
использовании более одной свечи повышается расход электроэнергии и увеличивается
аэродинамическое сопротивление впускного трубопровода. Поэтому их применяют для
облегчения пуска дизелей с непосредственным впрыском топлива при температуре не
ниже -15°С; при более низкой температуре окружающей среды – подогрев всасываемого
воздуха осуществляется электрофакельным подогревателем.
Одно из достоинств электрофакельного подогревателя – возможность его работы на
дизельном и другом топливе (для улучшения пуска рекомендуется использовать
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
61
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
легковоспламеняющееся топливо). А главным недостатком элекрофакельных
подогревателей считается то, что водитель не получает информации о наличии факела во
впускном трубопроводе в процессе пуска дизеля. Выход из строя свечи нагрева, засорение
устройства подачи топлива приведет к отсутствию воспламенения топлива во впускном
коллекторе и ухудшению пуска дизеля, однако водитель не будет знать, чем оно вызвано.
При температуре ниже -25°С для облегчения пуска дизеля иногда используют
легковоспламеняющиеся жидкости, которые впрыскивают через воздушный коллектор.
Применение этих средств для дизельных двигателей нежелательно. Двигатель при таком
пуске испытывает сильнейшие нагрузки, появляются трещины на поршнях, быстро
изнашиваются вкладыши и другие детали.
При температурах воздуха - 25°С и ниже для облегчения пуска в сочетании с
электрофакельным устройством применяют предпусковой подогреватель. Предпусковой
подогреватель имеет высокую пожароопасность и строго регламентированные условия
эксплуатации. Индивидуальные предпусковые подогреватели отличаются по типу
теплоносителя, обеспечивающего передачу теплоты двигателю, потребляемому топливу и
степени
автоматизации
рабочего
процесса.
Подогреватели
должны
быть
пожаробезопасными. Не допускается вылет пламени на выходе газов из котла в
установившемся режиме работы, скопление топлива в котле подогревателя как в период
розжига котла, так и после его остановки. Система предпускового подогрева двигателя с
жидкостным охлаждением должна надежно работать при ее заполнении
низкозамерзающей жидкостью и водой.
Применение того или иного вида вспомогательных средств облегчения пуска дизеля
зависит от температуры окружающего воздуха, а также от теплового состояния дизеля.
При холодном старте необходимо обращать внимание на отработанный газ. Если
выхлопную трубу покидают неприятные синие столпы дыма, синий дым сигнализирует о
«холодном» сгорании.
Основной показатель воспламеняемости дизельного топлива - цетановое число [5].
Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания
давления), расход топлива и дымность отработавших газов.
Чем выше ЦЧ топлива, тем быстрее произойдут процессы предварительного
окисления его в камере сгорания, тем скорее воспламенится смесь в камере сгорания и
запустится двигатель. В таблице 1 приведены данные по влиянию ЦЧ на время запуска
двигателя.
Таблица 1 - Влияние цетанового числа на время запуска двигателя
Цетановое число
Время запуска, с
53
3
Цетановое число дизельных
отечественной
промышленностью,
представленными в таблице 2.
38
45-50
топлив различных марок, вырабатываемых
характеризуются
следующими
значениями,
Таблица 2 - Цетановые числа дизельных топлив различных марок
Марка
дизельного
топлива
Цетановое число
Л
47-51
З(-35 °С)
45-49
З(-45 °С)
А
40-42
38-40
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
62
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
Применение топлив с цетановым числом менее 40 приводит к жесткой работе
двигателя, а более 50 – приводит к увеличению удельного расхода топлива вследствие
уменьшения полноты сгорания, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя
необходимо топливо 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 (извлечением н-парафиновых
углеводородов). При этом во всех случаях снижается цетановое число.
Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел
цетанового числа – 48 единиц [7].
Расчетная формула для определения цетанового числа (ЦЧ) топлиава исходя из
углеводородного состава имеет вид.[5]
ЦЧ = 0,85 П + 0,1Н − 0,2 А ,
[1]
где П, Н, А - содержание соответственно парафиновых, нафтеновых и ароматических
углеводородов.
Как видно из формулы [1] количество парафиновых углеводородов существенным
образом влияет на значение ЦЧ и следовательно парафиновые углеводороды играют
двоякое значение в дизельном топливе: с одной стороны это ухудшение
низкотемпературных свойств, а с другой это ЦЧ топлива и просто удалить их из топлива
нельзя.
Существуют присадки для повышения ЦЧ дизельного топлива – изопропил или
циклогексилнитраты. Они допущены к применению, но их вводят в крайне ограниченных
количествах для повышения цетанового числа с 38 до 40, так как при этом понижается
температура вспышки, повышается коксуемость топлива.
Одно из важнейших требований к качеству дизельного топлива – легкая
прокачиваемость при различных температурах окружающей среды. Это качество
определяется вязкостью и температурой застывания топлива. Вязкость дизельного
топлива зависит от температуры и примерная зависимость приведена в таблице 3.
Таблица.3 - Зависимость вязкости топлива от температуры
Дизельное
топливо
Летнее
Зимнее
Кинематическая вязкость, мм²/с, при температуре, °С
20
0
-10
6,36
12,94
20,59
4,26
8,36
12,43
-20
50,92
20,6
При повышении вязкости дизельное топливо хуже проходит через топливные
фильтры, что способствует снижению подачи топлива и падению мощности.
Топливный фильтр, несмотря на его простоту, является важнейшим элементом
дизельного двигателя. Его параметры, такие, как тонкость фильтрации и пропускная
способность должны строго соответствовать определенному типу двигателя. Одной из его
функций является отделение и удаление воды, для чего обычно служит нижняя сливная
пробка. На верхней части корпуса фильтра часто установлен насос ручной подкачки для
удаления воздуха из топливной системы. Иногда устанавливается система
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
63
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
электроподогрева топливного фильтра, позволяющая несколько облегчить запуск
двигателя, предотвращающая забивание фильтра парафинами, образующимися при
кристаллизации дизельного топлива в зимних условиях, но это требует значительных
затрат электрической энергии бортовой сети.
С повышением испаряемости до определенного предела улучшается пуск двигателя,
однако, повышение испаряемости увеличивает жесткость работы дизельного двигателя,
так как значительная часть горючей смеси успевает испариться.
При малой вязкости процесс смесеобразования также ухудшается из-за снижения
скорости проникновения капель топлива в камеру сгорания, в результате чего
топливовоздушная смесь неоднородна. На вязкость также оказывает большое влияние и
давление, с повышением давления вязкость топлива возрастает.
Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле.
Слишком низкая вязкость топлива ведет к повышенному износу плунжерных пар
форсунок, слишком высокая вязкость ухудшает фильтрацию топлива и затрудняет работу
топливных насосов. Оптимальная вязкость дизельного топлива с точки зрения
распыливания и прокачиваемости – 3 … 8 мм²/с при 20°С. Низкая плотность и вязкость
обеспечивают лучшее распыливание топлива, что улучшает сгорание, но поскольку для
приборов системы питания дизельное топливо служит одновременно смазывающей
жидкостью, то использование топлива с вязкостью меньше указанных выше значений
недопустимо. В противном случае возрастает износ плунжерных пар, а также снижается
коэффициент подачи топлива в камеру сгорания из-за увеличения утечек топлива через
зазоры прецизионных пар. С повышением плотности и вязкости увеличивается диаметр
капель, ухудшается полное их сгорание, увеличивается удельный расход топлива, растет
дымность продуктов сгорания. При повышении вязкости с 3 до 8 мм²/с коэффициент
подачи топлива уменьшается на 15 … 16 % [6].
Вязкость топлива зависит от его углеводородного состава. Стандартом на дизельное
топливо вязкость нормируется в достаточно широких пределах.[7] Вязкость топлива в
пределах 1,8 … 7,0 мм²/с практически не влияет на износ плунжеров топливной
аппаратуры современных быстроходных двигателей. При высокой вязкости наступает
нарушение процесса горения, сопровождающееся понижением КПД двигателя,
увеличением количества нагара на деталях камеры сгорания. При чрезмерно низкой
вязкости топлива возможны перегрев и деформация форсунок.[8]
На практике при эксплуатации дизельных двигателей, очень важно улучшить
низкотемпературные свойства топлива, чего можно достигнуть разными способами:
- процессом депарафинизации;
-добавлением присадок, понижающих температуру застывания;
- облегчением фракционного состава.
С целью, повышения безотказности работы системы питания дизелей, в условиях
низких температур целесообразно использовать систему ульразвуковой обработки
топлива.
Для улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива используется
кавитационная ультразвуковая обработка[9]. Именно кавитационная обработка жидких
топлив наиболее эффективный способ безреагентной модификации топлива и основная
борьба идет за способы создания таких устройств и процессов.
Достоинства ультразвукового генератора:
-отсутствием вращающихся деталей;
-высокая надёжность, малый вес и габариты, высокая производительность,
неприхотливость в эксплуатации;
-простота контроля и мониторинга.
Особенности [9] ультразвуковой обработки ДТ:
-содержание механических примесей снижается на 90%;
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
64
Секция 2 «ПОРШНЕВЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ».
-улучшается коэффициент фильтруемости на 20%, за счет снижения вязкости;
-снижается предельная температура фильтруемости на холодном фильтре и
температура застывания ДТ, за счет обработки парафинов;
-увеличивается цетановое число;
-увеличивается межремонтный период эксплуатации двигателя и топливной
системы, за счет снижения содержания примесей;
-снижается температура замерзания летнего ДТ за счет депарафинизации
углеводородов;
-снижается расход топлива, за счет предпламенной подготовки топлива путем
деполимеризации топлива.
Все исследования, проведенные после процесса ультразвуковой кавитационной
обработки, подтвердили глубокие структурные изменения в молекулярном составе
углеводородов.
Даже простая деполимеризация любого жидкого топлива уже приравнивается к его
активированию, что существенно улучшает полноту сгорания топлива, снижает вредные
выбросы, увеличивает экономичность двигателя и длину его межремонтного пробега.
Кроме этого, кавитация сопровождается и частичным разрушением самих молекул, с
образованием свободных радикалов, которые еще больше инициируют процессы
сгорания. Таким образом облегченный фракционный состав (при том же типе воздушного
потока) не только облегчает зимний пуск двигателя, но делает сгорание топлива
равномерным и экономичным.
Ультразвуковая кавитационная обработка дизельного топлива с целью повышения
его пусковых и низкотемпературных качеств является одним из эффективных способов
воздействия на топливо и обеспечивает выполнение возложенных на автомобильную
технику задач в суровых климатических условиях при низких температурах.
Литература
1.
Подчинок В.М. Эксплуатация военной автомобильной техники.- Рязань,
Рус. Слово, 2006.- 696 с.
Автомобильный транспорт.c. 38. Подогрев дизельного топлива. 2/91 ISSN
2.
0005-2345.
ОСТ 37.001.052-2000. Двигатели автотранспортных средств. Качества
3.
пусковые.
ГОСТ 19006-73. Топливо дизельное. Метод определения коэффициента
4.
фильтруемости.
Справочник под редакцией В.М. Школьникова Топлива смазочные
5.
материалы технические жидкости ассортимент и применение,1999,ISBN 5-89551-006-X.
Гуреев А.А., Иванова Р.Я., Щеголяев Н.В. Автомобильные
6.
эксплуатационные материалы. М.: Транспорт, 1974. - 275 с.
NF EN 590-2000. Automotive fuels. Diesel. Requirements and test
7.
methods(Топливо дизельное для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия).
Кириченко Н.Б. Автомобильные эксплуатационные материалы, 2003. – 208
8.
с. ISBN 5-7695-1079-X.
www.u-sonic.ru.
9.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
65