CC BY
38
УДК665.753.4
ОмГИНЙ10ГуДР(И l—Hilfl университет путей
О МЕТОДАХ ОЦЕНКИ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЯХ
ПРОАНАЛИЗИРОВАНЫ ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВОСПЛАМЕНЯВШОСТИ жидких углеводородных топ/те а поршневых две. предложен расчетно-жс-ЧШёНТАПЬИЫЙ МЕГС
Г МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОСПЛАМВ1ЯЕШОСТИ ДИЗЕЛЬНЫХ ДИС-ТИЛЛЯТНЫХ ТОПЛИВ.
Основоположник химмотологии - сравнительно новой прикладной отрасли науки, основным содержанием которой являются теория и практика рационального использования топлив и смазочных материалов в технике и, главным образом, в двигателях, проф. К.К. Папок считал, что для каждого типа дизеля требуется свое вполне определенное топливо с необходимым сочетанием показателей качества.
При эксплуатации этих двигателей удается получать хорошие результаты, лишь когда топливо правильно подобрано для данного типа дизеля с учетом его особенностей.
В настоящее время рабочий процесс дизельных двигателей с точки зрения экономичности является весьма совершенным [1-5].
На рис. 1 приведены обобщенные систематизированные данные по снижению удельного расхода топлива д, по годам [1], где обозначено: 1 - снижение д, в паротурбинных; 2 - в газотурбинных; 3 - в дизельных установках.
i
%
1%0 1970 1ЭД0 1990 2000 годы ■
Рис.1
Из представленных данных следует, что дизельные установки (судовые, тепловозные, автотракторные и др.) достигли чуть более чем за столетие практически своего минимума в части снижения д(, а дальнейшее соверши овова 1ие организации рабочего процесса с целью улучшения эюномкн-ности и снюкения токсичности отработавших газов должно проводиться преимуществе»*«) методами оптимизации как конструктивных параметров, так и в направлении оптимизации топливоиспольэования; совершенствования систем наддува, смазки, охлаедения; управления и регулирован« всеми п роцвссами энергепнесюй установки.
Поэтому в связи с необходимостью расширения и соответствующей необходимой оптимизацией качества таких топлив актуальной становится задача формулирования необходимых (оптимальных) требований к ЦЧ, фракционному составу и плотности как вырабатываемых, так и перспективных топлив [4], т.к. ужесточение или смягчение указанных требований непосредственно влияют на выход дизельных топлив при их производстве, а также на их стоимость [1,5]. Несмотря на большое число данных [1,5]. надо
отметить определенную противоречивость получаемых результатов и практическое отсутствие теоретического обоснования укатанных требований.
При оценке качества дизельных топлив определяются п(Указатели, характеризующие следующие эксплуатационные свойства: прокачиваемость, испаряемость, воспламеняемость и горючесть, склонность к образованию отложений, совместимость с конструкционными материалами, про-тиаоиэносные, защитные свойства, стабильность при хранении, токсичность. Номенклатура показателей качества дизельных топлив, вырабатываемых в нашей стране, регламентируется ГОСТ 4.25-83.
Полный перечень показателей качества определяется при разработке новых дизельных топлив и постанов» их на производство.
При выработке стандартных топлив на нефтеперерабатывающих «жуу« определяются показатели, предусмотренные норматиано-тошической документацией (ГОСТ или ТУ), а при контроле качества топлива, поступающего потребителям. определяет» ограниченное число показателей. При этом перечень показателей, определяемых при контроле качества топлива, устанавливается соответствующими ведомственными инструкциями [Б].
Действующими ПОСТ 305-82 'Топливодизельной", ГОСТ 1667-68 •Мотарнывтоппие* и ТУ 38 001356-88 шДиэтное гпаппиЁоугпяяшттйжир/мтщюнновоооапвва' (УФС) предусматривается определение следующих показателей качества топлив для быстроходных, средне- и малооборотных дизелей: цетановое число (ЦЧ), фракционный состав, кине-матюсиалвяэшсть при »20 *С (для моторных топлив при »50 *С), температура застывания, температура помутнения, температура вспышки в закрытом тигле, предельная температура фильгруемости (при поставке топлив на экспорт), массовая доля серы, массовая доля меркаптвновой серы, содержание сероводорода, испытание на медной пластинке, содержание водорастворимых кислот и щеленей, концентрация фактических смол, йодное число, зольность, коксуемость 10 %-го остатка (для моторных топлив-юксуемосгь), коэффициент фипьтруемосга, содоржвнио моонжеских примесей, содержание воды, содержание ванадия (в моторных топлиаах), плотность при 20 *С и цвет (у топлив УФС и поставляемых на эюпорт).Одним из основных квалификационных показателей воспламеняемости дизельных топлив является цвтаноаое число, определяемое по ГОСТ 3122-87 в специальном предкамерном одноцилиндровом дизельном двигателе ИТВ-3 (I4TB-3M) или ИТД-69 (d/S - 82,6/114, е - 7-23, Vn» 0,61 л) с переменным моментом начала впрыскивания при п ■ 900-9 ми№V Здесь обозначено соответственно: d. S, е, Vn, n - диаметр цилиндра, ход поршня (в мм), степень сжатия, рабочий объем цилиндра, частота вращения коленчатого вала. Наиболее «сто используют метод совладвнт вспышек, подбирая для испытуемого топлива степень сжатия такую, чтобы момент начала воспламенения был равен 13 градусам поворота коленчатого вала (*ПВК).
Сущность метода заключается в сравнении самовос-пламаняемости испытуемого топлива в двигателе при различных степенях сжатия с самовоспламеняемостью эталонных топлив с известными цетановыми числами в условиях испытания. Подбирается такая степень сжатия, при которой самовоспламенение испытуемого топлива в камере сгорания происходит в верхней мертвой точке (ВМТ) положения поршня при постоянном угле опережения впрыска, равном 13' до ВМТ. В качестве эталонного топлива используют смеси цетана (нормальный гексадекан -парафиновый индивидуальный углеводород, имеющий общую формулу CUHM), воспламеняемость которого принимается равной 100 цетановых единиц, и а-Метилнафтэли-на (ароматический бициклический индивидуальный угле^
водород, имеющий общую формулу С„Н10), воспламеняемость которого принята за ноль.
Определение цетанового числа топлива производится при следующем режиме работы моторной установки: Частота вращения коленчатого вала, ми*1 900±10 Степень окатия переменная От 7 до 23
Температура, 'С: охлаждающей жидкости 100±2
воздуха на всасывании 65±1
масла в картере 50-65
Давление, МПа: масла в магистрали 0,16-0,22
впрыска топлива 10,4*0,4
Kanwuti во впрыскиваемого топлива, cmVmhh 13*0,5 Моменты впрыска и начала воспламенения определяются с помощью двух неоновых беэинерционных ламп, присоединенных к датчику впрыска и индикатору воспламенения. Лампы установлены на ободе маховика со сдвигом 13 °ПКВ.
При совпадении вспышек обеих лампочек воспламенение топлива происходит точно в ВМТ.
Численное значение цетанового числа соответствует объемному содержанию цетана [6% по общему] в такой смеси с а-Метил нафталином, которая по воспламеняемости на установке ИТ9-ЭМ или ИДТ-89 при стандартных условиях испытания эквивалентна испытуемому топливу.
Результаты определения цетанового числа округляются до целых единиц. Дрпускаемые расхождения результатов определения цетанового числа одного и того же топлива на одной установке не должны отличаться от их среднего арифметического более чем на ±1,5 цетановые единицы, на различных установках - не более чем на 12 цетановые единицы.
Цетановое число при этом пересчитывают по соотношению:
ЦЧ=Ц1+(Ш-Ц1)(б1-е)/(Е1-еД (1)
где Ц, - содержание цетана в смеси с а-Метилнафтелином, дающей совпадение вспышек при большей степени окатия в ; 1.Ц - содержание цетана а смеси с а-Метилнафтвлином, дающей совпадение вспышек при меньшей степени смятия с2; е - степень сжатия при работе на испытуемом топливе.
Установлено, что наибольшее значение ЦЧ у парафиновых углеводородов и наименьшее - у ароматических. Среди парафиновых наибольшее ЦЧ имеют углеводороды нормального строения. Углеводороды с одной или несколькими боковыми цепями имеют меньшие значения ЦЧ. Особенно низкими ЦЧ обладают бициклические ароматические углеводороды. Увеличение числа атомов углерода в углеводородной молекуле ведет к росту ЦЧ топлива.
Для определения воспламеняемости ниэкоцета новых углеводородов, входящих в состав товарных бензинов, а также самих бензинов, в ФРГ предложена модификация метода измерения ЦЧ на установке BASF, отличающаяся от стандартного метода подогревом всасываемого воздуха до 200±0,5 "С. В связи с этим вводят понятие температурной чувствительности углеводородов по характеристике их воспламеняемости и новую шкалу ЦЧ:
ЦЧ«0,835ЦЧяв+1в.19, (2)
где ЦЧ,,,, - цетановое число, определенное при температуре воздуха на впуске 1-200 °С для смеси цетана и а-Метил нафталина; ЦЧ* - цетановое число, из которого исключена величина температурной чувствительности смеси цетана са-Метилнафталином.
Известно^ что дги моторных топлив сущвсгерт корреляция между ЦЧ и ж основными свойствами J2-4]
Однако типичный характер взаимосвязи моеду величиной ЦЧ, фракционным составом, плотностью, ккостъю, углеводородом и элементарным составами и др. моют нарушать« в зависимости от группового состава топлива, что определяется, тавшм обрезом, месюрсидоиом нвфта итвхютхмей ее переработки.
При отсутствии стандартных моторных установок опредр-гаюг опытным путем ряд поюаагелей качества топлива и затем переемитыввюг ЦЧ. Наиболее часто используют эмпирические соотэдшавямрцу^игпотностъю, футовым составом, фракционной разгонкой, ажлиноеой точкой А, (температура помутнения раствора испытуемого татл« в анигию в пропорции 1:1 и
ДОродов) Рассмотрим род известных соотношений, которые ранее в работах [2,4,7] не быт проанализированы, в том числе:
ЦЧ = 256,1 «-0.445Аг -10,44^- ^^,
(3)
где р - плотность топлива, ю/м3 при 20 *С: I - средняя температура выкипания 10, 50 и $0% фракции:
^.эЬо.бЗ^*).^
Для образцов нефтяных и синтетических топлив в работе [3] рассмотрено уравнение:
ЦЧ - 5,7008 1,200В ЦИ - 0,0011497 (ЦИ)3.
где цетановый индекс (ЦИ) равен: ЦИ=77,1785А2 -11,6150К. * 0.5844К,,1 - О.бЗвОу,; А, выражается в °С; кинематическая вязкость V • в ммг1с при 40 С. р - в кг/л; коэффициент К = (1,0 + ^♦ ^ ♦ 820У(200р ).
Заметим, что за рубежом для характеристики воспламеняемости топлива наряду с цетановым числом также используют показатель цетановый (дизельный) индекс (ЦИ).
В отечественной технической документации показатель ЦИ нормируется для дизельного топлива по ТУ 38 001162-85, поставляемого не экспорт.
Для определения ЦЧ бензинов и не нефтяных топлив. например спиртов, можно использовать уравнение:
ЦЧ » 25,881п - [12,79р - 0,835] * 76,941п Н, - 294,3, (5)
где Ц,, выражается в 'С; р - г/см3; Н2 - содержание водорода, % (мае ).
Фирма "Этил" разработала ряд уравнений для расчета цетанового числа дизельных топлив в широком диапазоне их марок:
ЦЧ = 16,419 -1,332 (А./100) + 12,9676 (А/100)2 - 0,205 (А^ЮО)3 * 1,723 (АуЮО)1; (в)
ЦЧ = 21.843 - 0,33924 (ЦИ) + 0,018669 (ЦИ)3;
(Г)
Последние уравнения позволяют производить расчет с примерно одинаковой точностью. Здесь ЦИ определяют по АБТМ 976-80 по соотношению:
ЦИ = 0,9187 [(141,5/р[) +131,5],Л"'[(1ДИ ♦ ЗгуЮОГ«1" (8)
В [8] приведена номограмма для определения ЦИ
При введении в топливо присадок, улучшающих воспламеняемость, повышение ЦЧ можно подсчитать по соотношению [3]:
Д ЦЧ = 0,17402[(141,5/р)- 131.5Р44 [(1,81. ♦ 32 у 100]1Ю%1 (1-И7,534(1), (9)
где <1 - количество присадки, % (об ).
Последнее уравнение справедливо в диапазоне а* 0,05-0,3 %(об).
Наиболее точные результаты получены для топлив, содержащих 0,05-0,15 % присадки. Для определения цетанового числа топлива с присадкой необходимо к цетаново-му числу "чистого топлива" прибавить величину ^ЦЧ.
Для ЦЧ среднедистиллятных топлив, выкипающих в пределах 150-350 *С, предлагается использовать уравнение Р]:
ЦЧ • 18,4 + 0,2303у * 0,0078/,
(10)
где у = 44,71 - 18,041р +18.1 И,„ -1,32р' -1.53РЯ
В последнее время высказывается мнение о целесообразности использования фактического цетанового числа (ФЦЧ), определяемого для данного дизеля нв д анном режиме, сопоставлением величины периода задержки воспламенения (ПЗВ) на испытуемом топливе с зависимостью ПЗВ для эталонных смесей цетана с а - Метилнафталином (или для смесей вторичных эталонов).
Использование ФЦЧ позволяет получить более объективную информацию о воспламеняемости исследуемого топлива в данных конкретных условиях.
Фирма 'Шелл* предложила оценивать воспламеняемость топлив на основе расчетного критерия:
ССА1«р',5 - 140,71£ (У5в +0,85 )-80,6 (11) Этот критерий, получивший наименование рвочегпно-
го угпвродно-ароматичвского индекса (Calculated Carbon Aromatlcty Index), как показали исследования фирмы, хорошо коррелируется с показателем самовоспламеняемс^и топ-лив. В выражение (11) входят плотность топлива р,5, кг/м3, и вязкость п№ мм3/с (сСт), при 50 'С, которые могут быть взяты из паспорта на топливо. Простота вычисления CCAI и нахсмщения определяющих его показателей выгодно отл»мают этот критерий от применяющихся показателей ЦЧ и ЦИ, хотя и носит преимущественно качественный характер.
300 400 500 TW
рис.2
рис.3
На рис. 2 приведена номограмма, позволяющая не только определить ССА1, но и по зоне, а которую он попадает, дать заключение о воспламеняемости топлива (например, топли-
во с v..
500 сСт и
'15
900 кг/м3 имеет CCAI = 84В).
Хорошей воспламеняемостью обладают топлива, у которых CCAI не превышает 835 (зона III), удовлетворительной-топлива с CCAI, лежащем в пределах 835-865 (зона II); определенные затруднения при сгорании вызывают топлива, имеющие значения CCAI более 865 (зона I).
В связи с применением топлив утяжеленного, облегченного и расширенного фракционного состава в дизелях возникает вопрос о выборе необходимой скорости движения воздушного заряда в зависимости от свойств топлива Поэтому данному сорту топлива должна соответствовать определенная интенсивность движения воздушного заряда Согласно результатам исследований, выполненных в ЦНИ-ТА, для всех типов топлив увеличение интенсивности вихревого движения ведет к уморению процесса воспламенения при высоких температурах (t^MOO 'С) и оказывает обратное влияние в низкотемпературной области. Обсуждение этого вопроса в литературе практически отсутствует, хотя некоторые опубликованные экспериментальные данные позволяют сделать определенные качественные выводы, которые сводятся к тому, что для достижения минимального расхода топлива при облегчении его фракционного состава необходимо снижать скорость движения заряда и наоборот. Это следует из смещения g в область меньших частот вращения при использовании оолее легких топлив.
Вместе с тем, увеличение интенсивности вихря ведет к росту плотности теплового потока в стенки камеры сгорания (КС), то есть к повышению температурного уровня КС. Указанные факторы должны вести к интенсификации воспламенения и улучшению многотопливных свойств дизеля. На основании опыта разработки семейства многотопливных дизелей с непосредственным впрыскиванием целесообразно увеличение скорости движения зарода для облегчения процесса воспламенения [5].
Сотаоодругим днык [2,4] характер югнж ЦЧ ш мощ-носгные и экономические появвтели не является однозначным и зависит от конструкции двигателя и типа смесеобразования, и при снижении ЦЧ ниже 40 при неизменном фракционном составе удельный расход топлива может увеличиться. Так, по результатам испытаний многотопливного дизеля D-B ОМ 636 установлено [3], что с уменьшением ЦЧ удельный расход топливе увеличивается, а мощность падает, что особенно про-
является при снижении частоты вращения коленчатого вала
Установлено [1,2,4], что утяжеление фракционного состава, как правило, ведет к увеличению удельного расхода топлива, дымности ОГ. Так, в дизеле с непосредственным впрыскиванием удельный расход больше примерно не 4% при использовании утяжеленных топлив [2-5].
При испытаниях бензинов, топлив УФС и мазутов проявляется их чувствительность к определенным типам смесеобразования. Бензины предпочтительнее применять в двигателях с непосредственным впрыскиванием, тяжелые топлива - в двигателях с предкамерным смесеобразованием. а также в дизелях большей размерности [1-3,5].
Однако воэшкшие на пректикв затруднения в оценке значений ЦЧ для реальных образцов дизельных топлив по формулам (3-10) потребовали поиса и разработки более простых и достоверных методов определения значения ЦЧ топлива.
Выполненные нами расчетно-экспериментальные исследования и оценка воспламеняемости различных образцов топлив, в том числе на специальном одноцилиндровом дизеле ИТ9-3 [4,71 по определению значений ЦЧ этих образцов из Западно-Сибирских нефтей, перерабатываемых на Омском нефтезаводе, а также обобщение данных других авторов П2.51. позволило предложить графическую зависимость ЦЧ = ((ЦИ). приведенную на рис. 3.
Проверочные расчеты значений ЦЧ по эмпирическим формулам, приведенным выше, а также в работах [2-4.7], позволили нам рекомендовать для определения значения ЦИ для среднедистиллятных топлив формулу:
ЦИ=454, 74-1641, 41р'Ч774.74 (р15)2--0, 544^+97, 803 (1д1:5о)2, 4 (12>
где значение плотности топлива р^5 = + 5у ;д-срадняя температурная поправка плотности топлива на 1 "С (ГОСТ 3900-85).
Преимуществом формулы (12) является то. что значения плотности (при поставке топлива на экспорт) и температура выкипания 50% фракции, как правило, приводятся в сертификате (паспорте) на топливо.
Заметим что, для указанных образцов топлив приемлемую сходимость расчетных и экспериментальных данных между значениями А> и ЦИ дает предполагаемое нами
ЦИ р\5 -32
(13)
соотношение:
А „ =
т 0,4224(1,0 76 - pi5)
Тек, для образца дизельного топливе марки "Л* по ГОСТ 305-82 [4,7] формула (12) дает значение ЦИ, равное 49 цета-новым единицам Тоща по графику (рис 3) значение ЦЧ составит 45 единиц, что совпадает с точностью до ±2 единиц по сравнению с опытом на установке ИТ9-3 [4].
Для топлива УФС значения ЦИ и ЦЧ составили соответственно 57 и 52 единиц. Значения А при этом составили соответственно 90,7 и 189,6 *С.
Таким образом, предложена расчетно-экспериментальная зависимость ЦЧ = Г(ЦИ), позволяющая непосредственно расчетом с необходимой точностью оценивать воспламеняемость дизельных среднедистиллятных топлив в условиях дизельного процесса.
Добавим в заключение, что одним из возможных путей улучшения многотопливных свойств дизелей при использовании низкоцетановых топлив является разделение фаз впрыскивания на 'основную* и "вспомогательную*. Это достигается применением двух насосов высокого давления, двойного или ступенчатого впрыскивания, что, однако, усложняет конструкцию дизеля.
ЛЛВШУНД
1.Большаков В.Ф., Г и н с б у р Л. Г. Применение топлив и масел в судовых дизелях, м.: Транспорт, 1976
2. С о м о в В.А., Боткин П.П. Топливо для транспортных дизелей. Л.: Судпромгиз, 1963.366с.
3. Г у р.е е в A.A., Аз е в B.C., К а м ф е р Г.М. Топливо для дизелей. Свойства и применение: Учебное пособие М.: Химия, 1993.336с.
4 Вед ру ч в нкоВ.Р Топливо использование в тепловозных дизелях. Системные методы исследований: Учеб-I пособие/Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1990.89с
5. С о м о в В.А., И щ у к Ю Г Судовые мноп------------
дизели. Л.: Судостроение, 1984.240с.
6.ГуреевАА.,СерегинБ.П.,АзевВС Квалифи кационные методы испытаний нефтяных топлив. М.: Химия, 1984.200с.
7. В ед ру ч е н ко В.Р., Б л ю д е но в П.Я., О вся н н и ко в В.В топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости: Учебное пособие /Омский гос. ун-т путей сообщения Омск, 1999.108с.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович - доктор технических наук, профессор кафедры 'Теплоэнергетика"
6.12.99 г
ное
5. Со мо в В.А., Й Щ yjcjO Г^С^довы е многотопливные
