Хорошей 1 и плохой самовоспламеняемости топлива.

Способность к самовоспламенению. Способность топлива к самовоспламенению является важнейшим показателем, определяющим развитие процесса подготовки топлива к сгоранию и оказывающим определенное влияние на последующее сгорание, а значит, и на экономичность двигателя, уровень тепловых и механических напряжений в деталях ЦПГ.

Процессы образования горючей смеси (распад струи топлива на капли, образование факела, его проникновение вглубь заряда воздуха, подогрев капель, их испарение и смешивание паров с воздухом), а также процессы химической подготовки смеси к воспламенению, обусловленные протеканием предпламенных реакций при слабом повышении давления и образовании холодного пламени, занимают определенное время. Этот промежуток времени, отсчитываемый от момента начала подачи НП топлива в цилиндр до момента начала быстрого повышения давления в цилиндре (рис. 1.3), принято называть периодом задержки самовоспламенения, или периодом индукции j₃ (НВС - начало видимого сгорания).

Период задержки самовоспламенения зависит от температуры и давления среды, в которую впрыскивается топливо (смесь сжатого воздуха и продуктов сгорания), относительной скорости перемещения в камере сгорания частиц топлива и воздуха, размера частиц распыливаемого топлива, концентрации кислорода в сжатом воздухе, испаряемости и химического группового состава топлива. Последние два фактора определяют связь между качеством топлива и ф_а. Ухудшение испаряемости топлива, обусловленное утяжеле­нием входящих в него фракций, требует увеличения времени напрогрев и испарение топлива, что, естественно, увеличивает продолжительность периода задержки самовоспламенения. Химический групповой состав топлив определяется соотношением между входящими в них углеводородными соединениями типа парафинов (С_nН_2n+2), нафтенов (С_nН_2n) и ароматиков (С_nН_2n-6). Топлива, в которых преобладают парафиновые соединения, имеют наименьший период задержки воспламенения. Ароматические соединения, обладающие наиболее прочными связями между атомами углерода, наиболее стойки к окислению, поэтому топлива с высоким содержанием асфальтосмолистых соединений, основу которых составляют ароматики, имеют наибольшие значения j_я. Нафтеновые углеводороды по склонности к самовоспламенению занимают промежуточное положение.

Установлено, что продолжительность периода задержки самовоспламенения при прочих равных условиях является прямой функцией цетанового числа (ЦЧ) топлива. Чем больше ЦЧ, тем меньше времени требуется на подготовительные химические реакции окисления, тем короче период задержки самовоспламенения. Таким образом ЦЧ является характеристикой способности топлива к самовоспламенению, определяющей при прочих равных условиях продолжительность периода индукции.

Дизельные топлива имеют ЦЧ = 45 - 55 ед. Тяжелые остаточные топлива, как правило, характеризуются меньшими значениями (ЦЧ = 30 - 35 ед.), поэтому требуют большего времени для подготовки к сгоранию. Цетановое число и заменяющий его дизельный индекс (ДИ) могут быть определены лишь для дистиллятных и, с известной погрешностью, для маловязких тяжелых топлив, поэтому в паспортах на тяжелые топлива эти показатели отсутствовали. Воспламеняемость тяжелых топлив, относящихся к классическим мазутам, находилась на уровне, достаточном для надежного самовоспламенения в цилиндрах мало- и среднеоборотных дизелей, поэтому отсутствие сравнительно простого метода оценки их самовоспламеняемости не создавало критических ситуаций. Множество остаточных топлив, получаемых из продуктов вторичной переработки нефти и содержащих в больших количествах асфал ьтосмолистые соединения и ароматики, потребовало поиска более надежного и доступного метода оценки самовоспламеняемости. Ранее отмечалось, что самовоспламеняемость является функцией химического группового состава топлива. Так, увеличение содержания в топливе парафиновых углеводородов и сокращение аэроматических приводит к улучшению его способности к самовоспламенению, и наоборот, рост в топливе ароматической составляющей обусловливает ухудшение его способности к самовоспламенению. Учитывая изложенное, а также основываясь на наличии прямых связей между содержанием ароматических углеводородов в топливе и его плотностью, содержанием парафиновых углеводородов и вязкостью топлив фирма «Шелл» предложила оценивать воспламеняемость топлив на основе расчетного критерия

(1.4)

Этот критерий, получивший наименование расчетного углеродно-ароматического индекса (Calculated Carbon Aromatikitu Index), как показали исследования фирмы, хорошо коррелируется с показателями самовоспламе­няемости топлив. В выражение (1.4) входят плотность топлива кг/м³

и вязкость v₅₀ мм² /с (сСт), при 50 °С, которые могут быть взяты из паспорта на топливо. Простота вычисления ССА1 и легкость нахождения определяющих его показателей выгодно отличают этот критерий от ранее применявшихся показателей ЦЧ и ДИ.

На рис. 1.4 приведена номограмма, позволяющая не только определить ССА1, но и по зоне, в которую он попадает, дать заключение о воспламеняемости топлива (например, топливо с V₅₀ = 500 сСт и = 900 кг/м³ имеет ССА1 = 848). Хорошей воспламеняемостью обладают топлива, у которых ССА1 не превышает 835 (зона 111), удовлетворительной - топлива с ССА1, лежащем в пределах 835 -865 (зона 11), и определенные затруднения при сгорании вызывают топлива с ССА1, большем 865 (зона 1).

Знание ЦЧ или ССА1 топлива необходимо для того, чтобы априори можно было с известной степенью приближения оценить ожидаемое при смене топлива изменение экономичности работы двигателя, изменение уровней его тепловой и механической напряженности.

Более точная оценка этих показателей возможна лишь на основе анализа изменения следующих параметров рабочего процесса (см. рис. 1.4, 1.3): периода задержки самовоспламенения j₃, скорости нарастания давления при сгорании , максимального давления сгорания р_z, давления на линии расширения р_ехр, ориентации точки г относительно ВМТ ф_г, среднего индикаторного давления р_i температуры выпускных газов t_г.

Перечисленные параметры могут быть получены с высокой точностью с помощью современной электронной измерительной аппаратуры К-748 или НК-5, используемой в судовых диагностических комплексах.

Рис.1.5 структура тяжелого остаточного топлива.

Стабильность и совместимость топлив. Под стабильностью топлива понимают его способность противостоять образованию осадков, шламоотделению и расслаиванию при хранении и использовании (что сопряжено с перекачиванием и нагревом топлива). Склонность к осадкообразованию главным образом проявляют тяжелые остаточные топлива, крекинг-мазуты. Содержащиеся в них асфальтены, карбены и карбоиды выполняют функцию центров коагуляции высокомолекулярных соединений. Образующиеся в результате коагуляции асфальтосмолистые сгущения выпадают в осадок, забивают фильтры, сепараторы, нарушают работу всей системы топливоподачи. Иногда центрами коагуляции могут стать кристаллы твердого парафина, выпадающего из парафинистого топлива при его охлаждении. Нарушению стабильности, росту скорости осадкообразования способствуют нагрев, обводнение топлива (коагуляция происходит вокруг глобул воды) или смешивание с другими сортами, если они оказываются несовместимыми по отношению к данному топливу.

Смешиваемые топлива чаще являются совместимыми, в этом случае стабильность смеси топлив не нарушается и интенсивного осадкообразования не происходит. Чтобы понять сущность несовместимости, напомним, что нефтяные топлива представляют собой сложную органическую смесь, главным образом состоящую из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов.

Топлива, содержащие только перечисленные углеводороды (а это в основном дистиллятные нефтепродукты), образуют стабильные смеси, близкие по растворимости к идеальным. Тяжелые топлива, получаемые смешиванием остаточных продуктов с дистиллятными фракциями, помимо перечисленных групп углеводородов, содержат значительные количества высокомолекулярных соединений - асфальтеносмолистых веществ, состоящих из нейтральных смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов. Эти вещества не растворяются в основной массе более легких углеводородов, поэтому остаточные топлива в отличие от дистиллятных не являются однородными, а представляют собой коллоидную систему, состоящую из однородной среды углеводородов с относительно небольшим отношением С/Н, в которой диспергированы крупные и мелкие скопления асфальтосмол истых соединений (рис. 1.5).

Центрами скоплений (мицелл) являются асфальтены - сложные соединения, обладающие высокой молекулярной массой, большим отношением С/Н, составляющих их углеводородов. В них могут входить также в небольших количествах сера, кислород, азот. Молекулы асфальтенов благодаря своей полярности образуют ассоциаты - ядра 1 мицелл, состоящие из трех -пяти молекул и окруженные оболочками 2, 3 из растворенных в топливе смол, характеризующихся меньшим отношением С/Н. Наружный слой 4 представляют ароматические углеводороды, обладающие поверхностной активностью, поэтому легко адсорбирующиеся на мицеллах; их отношение С/Н близко к С/Н однородной фазы. Образующиеся вокруг асфальтенов сольватные оболочки предотвращают слипание и объединение мицелл и выпадение их в осадок. Более того, благодаря полярным силам ароматики способствуют появлению расклинивающего эффекта, отбрасывающего мицеллы друг от друга и тем самым удерживающего коллоидную систему в мелкодисперсном состоянии. Смешивание с высокоароматизированными топливами не нарушает стабильности смеси, более того отмечаемое увеличение толщины сольватных оболочек делает смесь более устойчивой, предотвращая шламообразование. Подобная смесь топлив является совместимой.

Когда же остаточное топливо смешивается с топливом, содержащим парафиновые соединения с малой молекулярной массой (низким отношением С/Н), которые играют роль растворителя, защитные кольца растворяются, происходят объединение и укрупнение асфальтеновых ассоциатов, и они выпадают в осадок, представляющий собой мазеподобное вещество черного или коричневого цвета. В этом случае принято говорить, что смешиваемые топлива несовместимы. Отмеченное падение стабильности смеси про­исходит вследствие уменьшения отношения С/Н окружающей мицеллы однородной фазы, результатом чего является нарушение равновесного состояния между наружной оболочкой мицелл и окружающей их фазой. Явление несовместимости может быть предотвращено, если при смешивании уменьшить долю маловязкого парафинистого компонента.

Нарушение равновесия смеси может быть также вызвано нагревом, способствующим растворению смол. Отрицательно влияет на стабильность рост количества асфальтенов, которое особенно интенсивно происходит при нагреве топлива до 300 - 350 °С (например, в электроподогревателях при контакте топлива с греющи­ми элементами температура последних не должна превышать 180°С).

Общее правило -- в целях исключения отрицательных явлений несовместимости топлив при их смешивании на борту судна рекомендуется не допускать смешивания остаточных топлив (с высоким содержанием асфальтенов) с более легкими парафиносодер-жащими сортами, а также между собой, если они имеют различное происхождение (относятся к различным бункеровкам). Перед смешиванием желательна проверка топлив на совместимость.