§ 3.4. Теплофизические свойства топлив

К теплофизическим свойствам топлив, оказывающим влияние на рабочий процесс и условия эксплуатации двигателя, относятся: вяз­кость, плотность, низкотемпературные свойства, теплоемкость и теп­лопроводность жидкого топлива и его паров, теплота парообразования, а также комплекс свойств, влияющих на распыл топлива.

В язкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивление скольжению одного ее слоя относительно другого — силу трения между слоями жидкости. При этом сила T препятст­вующая перемещению с относительной скоростью du слоев жидкости, находящихся на расстоянии dy друг от друга, определяется зависимо­стью

где F— площадь поверхности соприкосновения слоев; р — ко­эффициент динамической вязкости.

При исследовании топлив и масел обычно используют ко­эффициент кинематической вязкости v, определяющийся отно­шением

где р — плотность жидкости.

Это объясняется, в частности, тем, что опытное определение кинематической вязкости (в отличие от динамической) не представ­ляет особых затруднений и выполняете в приборах, называемых вискозиметрами (рис. 3.36). В нормативных материалах и результа­тах экспериментальных данных используют также сравнительные величины вязкости по отношению к воде. Относительной вязкостью называется отношение вязкости жидкости к вязкости воды при одина­ковых температурах, удельная вязкость — отношение к вязкости воды при 0 °С.

Вязкость является основным показа­телем, характеризующим смазывающие и противоизносные свойства топлив.

Вязкость углеводородных топлив возрастает при увеличении их молярной массы, снижении температуры и росте давления. Изменение вязкости топлива в эксплуатационных условиях вызывает ряд нежелательных отклонений в процессе смесеобразования и работе системы топливоподачи. Например, в дизелях уменьшение вязкости топлива ведет к уменьшению среднего диаметра капель и изменению геометрии факела распыла топлива (см. рис. 3.37), увеличению подтекания через фор­сунки, приводящего к их закоксовыванию, ухудшению смазки плунжерной пары в топливном насосе и увеличению утечки топлива по зазору в ней. При повышении вязкости дизельного топлива

возрастает средний диаметр капель и увеличивается дальнобойность факела распыла, что вызывает на­рушение заданных условий смесе­образования и приводит, в частности, к ухудшению пусковых свойств двигателя, снижению топливной экономичности и мощ­ности, а также к дымлению отра­ботавших газов. Работа топливного насоса характеризуется коэффициентом подачи k_n- 1 —ΔV/V_H, где ΔV— утечки через зазо­ры в плунжерной паре топливного насоса; V_H — объем нагнетатель­ной полости насоса. Объем топлива, действительно подаваемого насосом к форсункам V_n, определяется зависимостью Vn= k_nV_H. При изменении вязкости топлива изменяется величина AV (рис. 3.38), а, следовательно, и количество топлива, впрыскиваемого форсунками в цилиндр. Эти отклонения нарушают нормальную работу двигателя. При изменении вязкости топлива изменяются гидравлические сопротивления жиклеров и соответственно расход топлива через них (рис. 3.39). В результате в карбюраторных двигателях нарушается работа топливодозирующих элементов. Повышенная вязкость топлив при низких температурах ухуд­шает их прокачиваемость по коммуникациям и через фильтры системы топливоподачи. Поэтому эксплуатаци­онное изменение вязкости топлива должно быть ограниче­но.

В дизелях для стабилизации режима работы двигателя при изменении вязкости топлива применяют автоматические вяз­костные корректоры, обеспе­чивающие постоянство массовой цикловой подачи в зависимости от изменения вязкости топлива.

Изменение вязкости топлива по температуре определяется его вязкостно-температурными характеристиками (ВТХ) (рис. 3.40 и 3.41). Чем более полого проходит ВТХ, тем лучше вязкостно-температурные свойства топлива. ВТХ топлив в основном зависят от фракционного состава.

Чем тяжелее фракционный состав, тем сильнее вязкость топлива зависит от температуры. Маловязкие топлива обладают лучшими ВТХ по сравнению с более вязкими. Бензины не содержат высоко­вязких углеводородов, поэтому они имеют вполне удовлетворитель­ную ВТХ и не требуют регламентации вязкости (при — 60°С вязкость бензинов не превышает 3 мм²/с). Вязкость дизельных топлив при 20°С должна находиться в диапазоне: при летней эксплуатации 3,0— 8,0 мм²/с, при зимней 2.2—6,0; при эксплуатации в арктических условиях 1,5—4,0 мм²/с.

Вязкость углеводородных топлив повышается с увеличением дав­ления (рис. 3.42). В отдельных случаях это позволяет ком­пенсировать снижение вязкости вследствие увеличения температуры.

Плотность является важной характеристикой топлива, определя­ющей, в частности, характер работы топливодозирующих систем двигателя. Величина плотности топлива зависит от его группового и фракционного составов, температуры и давления.

Плотность нефтяных топлив практически линейно возрастает при понижении температуры (рис. 3.43). Увеличение плотности топлива при снижении температуры вызывает увеличение массового расхода топлива при его объемном дозировании. Например, топливный насос дизеля дозирует количество впрыскиваемого топлива по объему нагнетательной полости насоса. Следовательно, при снижении темпе­ратуры масса топлива, впрыскиваемого форсункой, возрастает пропорционально увеличению плотности топлива. Кроме того, при увеличении плотности дизельного топлива вследствие повышенного максимального давления в трубопроводе возрастает действительная подача впрыска.

В двигателях с принудительным воспламенением топливодозирующие устройства карбюратора — жиклеры — дозируют объем­ный расход топлива, используемого для образования горючей смеси. При уменьшении температуры вязкость топлива возрастает, что снижает его объемный расход через жиклер. Наряду с этим при снижении температуры повышается плотность топлива, что увеличивает его массовый расход. Таким образом, влияние вязкости и плотности топлива на работу жиклера противоположно. Количес­твенно влияние вязкости является превалирующим (с понижением температуры вязкость возрастает почти в 10 раз быстрее, чем плот­ность) — с уменьшением температуры расход топлива через жиклер уменьшается (рис. 3.44), что соответствует обеднению горючей смеси.

Из рисунка 3.44 следует практический вывод, состоящий в том, что в конструкции современных карбюраторных двигателей не предус­мотрено регулирование карбюратора по температуре топлива. На­стройка карбюратора по составу смеси выполняется из условия обеспечения всесезонной устойчивой работы двигателя, т.е. на ус­ловия зимней эксплуатации. В соответствии с изложенным при повы­шении температуры топлива возникает избыточное обогащение смеси, а, следовательно, и перерасход топлива. Введение коррекции топливодозирующих систем карбюратора по температуре топлива (или сезонной настройки) позволяет снизить эксплуатационный рас­ход топлива на 4—6 %.

Наряду с изменением вязкости значительное влияние на расход топлива через калиброванные сечения (жиклеры) и уровень топлива в распылителе карбюратора оказывают высокочастотные колебания двигателя. Под действием этих колебаний в несколько раз умень­шаются гидравлические сопротивления жиклеров и возрастает уро­вень подъема жидкости в капиллярных трубках (распылителях). В результате переобогащается горючая смесь и снижается топливная экономичность двигателя. В ДВС борются с этим явлением в недо­статочной степени. Его учет целесообразен в перспективных конст­рукциях двигателей.

Под низкотемпературными свойствами топлив понимается их способность обеспечивать работоспособность системы топливоподачи при отрицательных температурах.

М онотонное повышение вязкости с уменьшением температуры характерно для жидкостей, подчиняющихся закону вязкости Ньютона — ньютоновских жидкостей. При определенной, достаточно низкой темпе­ратуре их вязкость становится настоль­ко большой, что наступает вязкостное застывание. Этот вид застывания харак­терен для топлива, не содержащего вы­сокоплавких углеводородов — бензина. В дизельных топливах могут содержаться в значительных количествах углеводо­роды с высокой температурой плавления (например, алканы нормального стро­ения). Эти вещества могут выпадать при охлаждении в твердую фазу в виде кристаллов (рис. 3.45), которые забивают фильтры и другие элементы системы топливоподачи, снижая прокачиваемость топлива. При дальнейшем снижении температуры топливо теряет подвижность и перестает поступать из бака к забор­ному устройству.

Склонность топлива к образованию кристаллов и потере подвижности оценивают по температурам помутнения, кристаллизации и застывания.

Температурой помутнения называют температуру, при которой теряется физическая однородность топлива вследствие образования микрокристаллов наиболее высокоплавких углеводородов и воды. Визуально это сопровождается его помутнением. При дальнейшем понижении температуры кристаллы увеличиваются в размерах.

Температурой кристаллизации называют температуру, при которой кристаллы в топливе обнаруживаются невооруженным глазом. При понижении температуры ниже температуры кристаллизации происходит сращивание кристаллов с образованием объемного кристаллического каркаса. К ячейках этого каркаса заключены наиболее низкоплавкие жидкие углеводороды. При этом топливо в целом теряет подвижность.

Температурой застывания называют температуру, при которой происходит сращивание кристаллов и топливо теряет подвижность.

Температуры помутнения и кристаллизации определяют путем охлаждения стеклянной пробирки с топливом (рис. 3.46) и измерения температур, при которых начинается помутнение топлива и появля­ются отчетливо видимые невооруженным глазом кристаллы.

Температуру застывания определяют путем охлаждения пробирки с топливом до температуры, при которой наклон пробирки на угол 45° и выдержка в этом положении не вызывают смещения уровня топлива (рис. 3.47). Соответствующую температуру принимают за температуру застывания.

Низкотемпературные свойства жидких углеводородных топлив зависят от их группового и фракционного составов. Наихудшими низкотемпературными свойствами обладают парафины и аро­матические углеводороды, наилучшими — цикланы. В легких фракциях нефти с температу­рой кипения до 200°С, исполь­зуемых для изготовления бензинов, практически отсутст­вуют углеводороды с высокой температурой плавления и опасность кристаллизации в бензинах при эксплуатаци­онных температурах до — 60°С отсутствует.

Для обеспечения беспере­бойной работы системы топливоподачи дизельные топлива должны иметь темпе­ратуры застывания на 10 — 15°С ниже минимально воз­можной температуры эксплу­атации.

Для оценки прокачиваемости топлива через фильтры при низких температурах (фильтруемости топлива) используют стандартный метод, основанный на про­качке топлива под заданным перепадом давления через фильтр заданной конструкции. Минимальная температура, при которой топливо еще способно проходить через фильтр с заданной наимень­шей скоростью (минимальным секундным расходом), называется пре­дельной температурой фильтруемости. Обычно эта температура ниже температуры помутнения, но выше температуры застывания (рис. 3.48).

Для улучшения низкотемпературных свойств проводят частичную депарафинизацию дизельного топлива, однако это сопряжено с уда­лением из него ценных высокоцетановых углеводородов, обладающих высокими температурами плавления (табл. 3.66).

Таблица 3.66

Наряду с частичной депарафинизацией применяют присадки, улучшающие низкотемпературные свойства дизельных топлив — депрессоры (депрессорные присадки). Возможный механизм действия депрессорных присадок основан на том, что депрессор адсорбируется на образующихся кристаллах, препятствуя их дальнейшему увеличению и сращиванию (агрегатированию). Таким образом, депрессорная присадка, практически не влияя на температуру помут­нения топлива, обеспечивает понижение температур кристаллизации и застывания. При введении депрессорных присадок в количестве 0,02 — 0,1 % обеспечивается снижение температуры застывания топлив на 20 — 30 °С. Одновременно улучшается прокачиваемость и фильтруемость топлив при температурах ниже температуры помут­нения.

В качестве депрессорных присадок наиболее широко распростра­нены соединения полимерного типа (сополимеры этилена и винилацетата).

Для устранения эксплуатационных затруднений, вызываемых за­мерзанием находящейся в топливе воды, используют противообледенительные присадки. Действие этих присадок основано на образовании с водой низкозамерзающих растворов.

Теплоемкость и теплота парообразования являются парамет­рами, определяющими испаряемость топлива (см. § 3.1), а, следова­тельно, условия смесеобразования в двигателе.

Теплоемкость жидких нефтяных топлив С_ж, кДж/(кг*°С), лежит в диапазоне 1,3 — 2,5, зависит от их группового и фракционного составов, уменьшается с увеличением плотности и понижения тем­пературы топлива. Теплоемкость паров этих топлив лежит в диапа­зоне 1,5—1,7 кДж/(кг°С).

Теплота парообразования нефтяных моторных топлив С_по кДж/кг, изменяется в диапазоне: для бензинов 290 — 315, для ке­росинов 250—270, для дизельных топлив 190—230.

Под распылом топлива понимают процесс распада струи, выте­кающей из распиливающего устройства (распылителя, форсунки), на капли и дальнейшее дробление этих капель на более мелкие. Чем меньше размер капель, тем при прочих равных условиях быстрее она испаряется. При распыле должны быть обеспечены оптимальные размеры капель топлива. В двигателях с принудительным воспламе­нением стремятся к получению минимальных размеров капель (для наиболее полного их испарения за минимальное время). В дизелях определенный размер капель обусловлен заданной геометрией факела распыла. При этом как увеличение, так и уменьшение размера капель ведет к нарушению геометрии факела, а, следовательно, ухуд­шению работы двигателя.

Распад струи топлива на отдельные капли происходит под действием внешних и внутренних сил. Внешними являются аэрогидродинамическис силы, действующие на струю. Они зависят от относительной скорости движения жидкости, плотности воздуха и пр. К внутренним силам относятся силы вязкости и поверхностного напряжения, а также силы, возникающие из-за турбулентной пульсации истекающей струи. С увеличением относительной скорости движения капель и давления среды диаметр капель уменьшается и тонкость распыла возрастает. Диаметр капель возрастает при увеличении вязкости (см. рис. 3.37) и сил поверхностного натя­жения топлива.

Чем выше поверхностное натяжение, тем более устойчива капля к воздействию внешних сил и тем больше ее размеры. С повы­шением молярной массы углеводородов и при уменьшении их тем­пературы величина поверхностного натяжения возрастает (поверхностное натяжение равно нулю при температуре кипения жидкости).

Поверхностное натяжение зависит от группового состава топлив (наибольшее значение для ароматических углеводородов) и увеличива­ется при наличии в топливе поверхностно-активных веществ. Величина поверхностного натяжения бензинов лежит в диапазоне 19 — 25 мН/м (в 3 раза меньше, чем у воды), дизельных топлив — 26 — 32 мН/м.

Для пленочного смесеобразования большое значение имеет смачиваемость топливом материала, на котором образуется пленка.

Смачиваемость, характеризуемая адсорбционными способностями топлива к данному материалу, определяется наличием в топливе поверхностно-активных веществ. С увеличением смачиваемости рас­тет прочность удержания пленки на смесеобразуюшей поверхности, что улучшает условия теплообмена топлива с этой поверхностью, а, следовательно, и условия его испарения.