Температура воспламенения дизельного топлива при атмосферном давлении

Температура — самовоспламенение — дизельное топливо

Температура самовоспламенения дизельного топлива зависит от давления в той среде, куда топливо впрыскивается. [1]

Поскольку температура самовоспламенения дизельного топлива составляет для марок: Л — 310 С, 3 — 240 С; ЗС — 240 С, А — 230 С — и температура воспламенения топлива всех марок составляет 62 — 119 С, то в помещениях для хранения дизельного топлива запрещается обращение с открытым огнем, а искусственное освещение должно быть во взрывопожаробезопас-ном исполнении. [2]

При таком давлении температура самовоспламенения дизельного топлива составляет 200 — 210 С. Однако для устойчивого воспламенения с небольшим периодом задержки ( до 60 мс) температура в конце такта сжатия должна быть значительно выше температуры самовоспламенения и в период пуска составлять 300 — 345 С. Достижение этой температуры зависит от температуры окружающего воздуха и частоты вращения коленчатого вала при пуске. [3]

Экспериментально установлена количественная зависимость между температурой самовоспламенения дизельного топлива и периодом задержки воспламенения в двигателе. Это означает, что в некоторых случаях температура самовоспламенения может быть характеристикой воспламеняемости дизельных топлив, особенно при оценке топлив, полученных из нефтей одинакового состава. [4]

В результате экспериментальной работы была установлена зависимость температуры самовоспламенения дизельного топлива от его удельного веса и анилиновой точки; эта зависимость была названа дизельным индексом. [5]

В отличие от бензиновых двигателей в дизельных рабочая смесь воспламеняется не от постороннего источника — искры, а в результате самовоспламенения топлива. Температура самовоспламенения дизельного топлива определяется его групповым углеводородным и фракционным составом и зависит от давления. При атмосферном давлении дизельные топлива самовоспламеняются в пределах температур 275 — 336 С. [6]

Температура самовоспламенения — это минимальная температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом воспламеняются без соприкосновения с открытым огнем. Чем ниже температура самовоспламенения дизельного топлива , тем мягче ( без стуков) будет работать на нем двигатель и тем производительнее, экономичнее и надежнее будет его работа. Легкость самовоспламенения топлива оценивается цетановым числом. [7]

В цилиндры подается газовоздушная смесь, состав и способ образования которой могут быть различными. Эта смесь сжимается до температуры ниже температуры ее самовоспламенения, но выше температуры самовоспламенения дизельного топлива . В конце такта сжатия температура газовоздушной смеси достигает 500 — 550 С. Подача топлива осуществляется за 15 — 20 до ВМТ. Это топливо воспламеняется и поджигает газовоздушную смесь. Надежное воспламенение дает возможность применять газовоздушную смесь такого же состава, как и при дизельном процессе. При этом напряженность деталей сохраняется на уровне напряженности использованного дизеля, а мощность газодизеля не отличается от мощности дизеля. [8]

Современные газовые двигатели относятся в большинстве случаев к группе двигателей с внешним смесеобразованием и имеют принудительное зажигание. Применение газовых двигателей с воспламенением от сжатия затруднено в основном вследствие высокой температуры самовоспламенения газообразных горючих веществ, которая на 200 ч — 300 С выше температуры самовоспламенения дизельного топлива . В качестве топлива в таких двигателях могут применяться естественные, промышленные или генераторные газы. [9]

Цетановым числом дизельного топлива называется условная единица измерения, показывающая предельное содержание ( по объему) цетана в эталонной смеси, составленной из цетана ( цетановое число условно принимается за 100) и альфаметилнафталина ( цетановое число условно принимается за 0), задержка самовоспламенения которой равноценна испытуемому топливу. Определяется цетановое число на специальной установке, представляющей одноцилиндровый дизельный двигатель с переменной степенью сжатия, оборудованной аппаратурой, регистрирующей жесткость работы двигателя. Чем выше цетановое число, тем ниже температура самовоспламенения дизельного топлива и тем мягче будет работать на нем двигатель. [10]

Некоторое запаздывание воспламенения и последующее сгорание увеличенного топливного заряда с чрезмерно большой скоростью может оказаться причиной жесткой работы дизеля, возникновения стуков в двигателе, что при нормальной эксплуатации недопустимо. Объясняются эти явления тем, что топливо не успевает в известных условиях пройти необходимую для двигателя с воспламенением от сжатия подготовку, заключающуюся в предварительном окислении, которое сопровождается накоплением перекисей, инициирующих процессы самовоспламенения. Отсюда следует, что интенсивность окисления, период задержки воспламенения и температура самовоспламенения дизельного топлива зависят от его химического состава. Алканы и алкены нормального строения окисляются с большей скоростью и при более низких, температурах, чем ароматические углеводороды, образуя более устойчивые в растворе углеводородов перекиси и поэтому накапливающиеся в достаточно высокой концентрации. [11]

Каждый автомобилист стремится узнать максимум о своем транспорте, потому что это позволяет снизить вложения в него денег и времени, а также добиться максимальной производительности. Одними из важнейших данных по праву можно признать температуры вспышки и горения солярки, а вместе с этим и время прогорания. Эти сведения формируют цетановое число, а также помогают узнать качество топлива и соответствие его действующим ГОСТам.

Цетановое число (ЦЧ) – это показатель эффективности сгорания топлива. Для любых автомобилей оптимальными показателями считаются пределы в 40-55, причем наилучший вариант для каждого отдельного случая подбирается опытным путем.

Температура горения солярки

Стандартная температура горения солярки составляет целых 1100С, что очень много по сравнению с большинством аналогов. Производители ДВС на основе этих данных в каждом отдельном случае рассчитывают оптимальное соотношение с воздухом, которое позволяет достигать максимальной эффективности от работы с минимальными затратами топлива.

В процессе сгорания 1 кг горючего выделяется в среднем 42,7 МДж энергии, что в разы выше бензина. Подобный подход гарантирует повышение эффективности работы двигателя и снижает необходимый для движения расход.

Температура вспышки солярки

Согласно действующим ГОСТам температура вспышки солярки составляет всего 40С, тогда как на практике все производители придерживаются показателя в 45С, что исключает казусы и позволяет оптимизировать рабочие показатели. Данный показатель рассматривается крайне редко, потому что поджиг в ДВС осуществляется совершенно иным образом. При иных равных условиях лучше отдать предпочтение более высоким температурам, гарантирующим исключительную безопасность эксплуатации даже в условиях с экстремальными температурами.

Температура воспламенения солярки

Когда рассматривается температура воспламенения солярки, то преимущественно указывается самовоспламенение. Для летнего горючего она равна 310С, тогда как для зимнего 240С. Причина у данной разницы заключается в условиях эксплуатации и хранения. К тому же данные показатели сильно зависят от давления, потому что процесс возгорания ДТ в двигателе происходит именно при давлении, но без дополнительного источника искры (в бензиновых аналогах задействуются свечи).

Одним из важных нюансов стоит учитывать задержку воспламенения, т.к. именно она оказывает решающее влияние на ЦЧ. К тому же минимальная задержка позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Температура кипения солярки

Температура кипения солярки, как и во всех указанных выше факторах, зависит от климатических особенностей горючего. Она может варьироваться от 180 до 370 С, причем данный показатель критически важен для любых расчетов.

Кипение на практике – это процесс перехода из жидкого состояния в газообразное, в котором момент вспышки значительно изменяется. Соблюдение данного параметра производителями гарантирует, что сгорание топлива будет полным с максимальным выделением энергии, а выбросы в окружающую среду окажутся минимальными.

Горит ли дизельное топливо? Горит, причем достаточно сильно. Его остаток, который не участвовал в предварительно смешанном сгорании, расходуется в фазе сгорания с регулируемой скоростью.

Сжигание в дизельных двигателях очень сложно. До 90-х годов прошлого столетия его детальные механизмы не были хорошо поняты. Температура горения дизельного топлива в камере сгорания также варьировалась от случая к случаю. На протяжении десятилетий сложность данного процесса, казалось, не поддалась попыткам исследователей раскрыть его многочисленные секреты, несмотря на наличие современных инструментов, таких как высокоскоростная фотография, используемая в «прозрачных» двигателях, вычислительная мощность современных компьютеров и множество математических моделей, предназначенных для имитации сгорания в дизеле. Применение лазерной визуализации листа к традиционному процессу сжигания дизельного топлива в 90-х годах прошлого века стало ключом к значительному углублению понимания этого процесса.

В этой статье будет рассмотрена наиболее устоявшаяся модель процесса для классического дизельного двигателя. Это обычное сгорание дизельного топлива, в первую очередь, контролируется смешиванием, которое может происходить из-за диффузии горючего и воздуха перед воспламенением.

Температура горения

При какой температуре горит дизельное топливо? Если раньше этот вопрос казался сложным, то сейчас на него можно дать вполне однозначный ответ. Температура горения дизельного топлива — около 500-600 градусов по Цельсию. Температура должна быть достаточно высокой, чтобы воспламенить смесь горючего и воздуха. В холодных странах, где преобладает низкая температура окружающей среды, у двигателей была свеча накаливания, которая согревает впускной канал, чтобы помочь запустить двигатель. Вот почему необходимо всегда подождать, пока значок обогревателя не погаснет на приборной панели, прежде чем запустить двигатель. Это также влияет на температуру горения дизтоплива. Рассмотрим, какие еще есть нюансы в его работе.

Особенности

Основной предпосылкой горения дизельного топлива в горелке, температура которой регулируется извне, является его уникальный способ высвобождения химической энергии, в нем запасенной. Чтобы выполнить этот процесс, кислород должен быть доступным для него, чтобы облегчить возгорание. Одним из наиболее важных аспектов этого процесса является смешивание горючего и воздуха, которое часто называют приготовлением смеси.

Катализатор горения дизельного топлива

В дизельных двигателях горючее часто впрыскивается в цилиндр двигателя в конце такта сжатия, всего за несколько градусов угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки. Жидкое топливо обычно впрыскивается с высокой скоростью в виде одной или нескольких струй через небольшие отверстия или сопла в наконечнике инжектора, распыляется на мелкие капельки и проникает в камеру сгорания. Распыленное горючее поглощает тепло от окружающего нагретого сжатого воздуха, испаряется и смешивается с окружающим высокотемпературным воздухом высокого давления. Поскольку поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке (ВМТ), температура смеси (в основном воздуха) достигает температуры воспламенения. Температура горения дизтоплива "Вебасто" ничем не отличается от аналогичной температуры других сортов дизеля, достигая около 500-600 градусов.

Быстрое воспламенение некоторого предварительно смешанного горючего и воздуха происходит после периода задержки зажигания. Такое быстрое воспламенение считается началом сгорания и характеризуется резким увеличением давления в цилиндре по мере расходования топливовоздушной смеси. Повышенное давление, возникающее в результате предварительно смешанного сгорания, сжимает и нагревает несгоревшую часть заряда и сокращает задержку перед его воспламенением. Это также увеличивает скорость испарения оставшегося горючего. Его распыление, испарение, смешивание с воздухом продолжаются до тех пор, пока все оно не сгорит. Температура горения керосина и дизтоплива в этом отношении может быть схожей.

Характеристика

Сперва разберемся с обозначениями: далее A — это воздух (кислород), F — топливо. Дизельное сгорание характеризуется низким общим отношением A / F. Наименьшее среднее значение A / F часто наблюдается в условиях пикового момента. Чтобы избежать чрезмерного образования дыма, A / F при пиковом моменте обычно поддерживается выше 25:1, что значительно выше стехиометрического (химически правильного) отношения эквивалентности около 14,4:1. Это также касается всех активаторов горения дизтоплива.

В дизельных двигателях с турбонаддувом отношение A / F на холостом ходу может превышать 160:1. Следовательно, избыточный воздух, присутствующий в цилиндре после сгорания топлива, продолжает смешиваться с горящими и уже отработанными газами. При открытии выпускного клапана избыток воздуха вместе с продуктами сгорания истощается, что объясняет окислительный характер выхлопа дизеля.

Когда горит дизтопливо? Этот процесс происходит после того, как испаренное горючее смешивается с воздухом, образует локально богатую смесь. Также на этом этапе достигается надлежащая температура горения дизельного топлива. Однако общее отношение A / F невелико. Другими словами можно сказать, что большая часть воздуха, впускаемого в цилиндр дизельного двигателя, сжимается и нагревается, но никогда не участвует в процессе сгорания. Кислород в избытке воздуха помогает окислять газообразные углеводороды и окись углерода, снижая их до крайне малых концентраций в выхлопных газах. Этот процесс гораздо более важен, чем температура горения дизельного топлива.

Факторы

В процессе сгорания дизеля основную роль играют следующие факторы:

• Индуцированный заряд воздуха, его температура и его кинетическая энергия в нескольких измерениях.
• Распыляемость впрыскиваемого топлива, проникновение брызг, температура и химические характеристики.

Хотя эти два фактора являются наиболее важными, существуют другие параметры, которые могут существенно повлиять на работу двигателя. Они играют вторичную, но важную роль в процессе сгорания. Например:

• Конструкция впускного канала. Она оказывает сильное влияние на движение наддувочного воздуха (особенно в тот момент, когда он входит в цилиндр) и на скорость перемешивания в камере сгорания. От этого может меняться температура горения дизельного топлива в котле.
• Конструкция впускного отверстия также может влиять на температуру наддувочного воздуха. Это может быть достигнуто путем передачи тепла от водяной рубашки через площадь поверхности впускного отверстия.
• Размер впускного клапана. Контролирует общую массу воздуха, впускаемого в цилиндр за конечное время.
• Степень сжатия. Она влияет на испарение, скорость перемешивания и качество сгорания, независимо от температуры горения дизельного топлива в котле.
• Давление впрыска. Оно контролирует продолжительность впрыска для заданного параметра отверстия сопла.
• Геометрия распыления, которая непосредственно влияет на качество и температуру горения дизельного топлива и бензина за счет использования воздуха. Например, больший угол конуса разбрызгивания может поместить горючее сверху поршня и снаружи бака сгорания в дизельных двигателях DI с открытой камерой. Это условие может привести к чрезмерному "курению", так как горючее лишается доступа к воздуху. Широкие углы конуса могут также привести к разбрызгиванию топлива на стенках цилиндра, а не внутри камеры сгорания, где это требуется. Распыленное на стенку цилиндра, оно в конечном итоге будет перемещено вниз в масляный поддон, что сократит срок службы смазочного масла. Поскольку угол разбрызгивания является одной из переменных, влияющих на скорость перемешивания воздуха в топливной струе вблизи выходного отверстия инжектора, он может оказать существенное влияние на общий процесс сгорания.
• Конфигурация клапана, которая контролирует положение инжектора. Двухклапанные системы создают наклонное положение инжектора, что подразумевает неравномерное распыление. Это приводит к нарушению смешивания топлива и воздуха. С другой стороны, конструкции с четырьмя клапанами допускают вертикальную установку инжектора, симметричное расположение распыления топлива и равный доступ к доступному воздуху для каждого из распылителей.
• Положение верхнего поршневого кольца. Оно контролирует мертвое пространство между верхней площадкой поршня и гильзой цилиндра. Это мертвое пространство задерживает воздух, который сжимается и расширяется, даже не участвуя в процессе сгорания. Поэтому важно понимать, что система работы дизельного двигателя не ограничивается камерой сгорания, распылителями форсунок и их непосредственным окружением. Сгорание включает в себя любую часть или компонент, которые могут повлиять на конечный результат процесса. Потому ни у кого не должно быть сомнений по поводу того, горит ли дизельное топливо.

Другие нюансы

Известно, что сгорание дизеля является очень обедненным с отношением A / F:

• 25:1 при пиковом крутящем моменте.
• 30:1 при номинальной скорости и максимальной мощности.
• Более 150: 1 на холостом ходу для двигателей с турбонаддувом.

Однако этот дополнительный воздух не входит в процесс сгорания. Он довольно сильно нагревается и истощается, в результате чего выхлоп дизеля становится бедным. Даже учитывая то, что среднее воздушно-топливное отношение является бедным, если в процессе проектирования не будут приняты надлежащие меры, области камеры сгорания могут быть богаты горючим и приводить к чрезмерным выбросам дыма.

Камера сгорания

Ключевая цель при ее проектировании заключается в том, чтобы обеспечить достаточное смешивание топлива и воздуха для смягчения воздействия областей, богатых горючим, и позволить двигателю достичь своих показателей производительности и выбросов. Обнаружено, что турбулентность в движении воздуха внутри камеры сгорания полезна для процесса перемешивания и может быть использована для достижения этой цели. Вихрь, создаваемый впускным отверстием, может усиливаться, а поршень может создавать сдавливание, когда он приближается к головке цилиндра, чтобы обеспечить больше турбулентности во время акта сжатия благодаря правильной конструкции чаши в головке поршня.

Конструкция камеры сгорания оказывает наиболее значительное влияние на выбросы твердых частиц. Она также может влиять на несгоревшие углеводороды и СО. Хотя выбросы NOx зависят от конструкции чаши [De Risi 1999], свойства объемного газа играют очень важную роль в уровнях их выхлопных газов. Однако из-за компромисса с NOx / PM конструкции камер сгорания должны были развиваться по мере уменьшения пределов выбросов NOx. В основном это требуется, чтобы избежать увеличения выбросов PM, которые в противном случае могли бы возникнуть.

Оптимизация

Важным параметром для оптимизации системы сгорания дизельного топлива в двигателе является доля доступного воздуха, участвующего в этом процессе. Коэффициент К (отношение объема поршневой чаши к зазору) является приблизительной мерой доли воздуха, доступного для сгорания. Уменьшение рабочего объема двигателя приводит к уменьшению относительного коэффициента К и к тенденции ухудшения характеристик сгорания. Для данного смещения и при постоянной степени сжатия коэффициент K можно улучшить, выбрав более длинный ход. На подбор соотношения диаметра цилиндра к двигателю может повлиять фактор K и ряд других факторов, таких как упаковка двигателя, отверстия и клапаны и так далее.

Возможные трудности

Особенно существенная проблема при настройке максимального отношения цилиндра к рабочему ходу заключается в очень сложной упаковке головки блока цилиндров. Это необходимо для размещения конструкции с четырьмя клапанами и системы впрыска топлива Common-Rail с инжектором, расположенным в центре. Головки цилиндров имеют сложную конструкцию из-за множества каналов, включая водяное охлаждение, удерживающие болты головки цилиндров, впускные и выпускные отверстия, инжекторы, свечи накаливания, клапаны, их стержни, углубления и седла, а также другие каналы, используемые для рециркуляции выхлопных газов в некоторых конструкциях.

Камеры сгорания в современных дизельных двигателях с прямым впрыском могут называться открытыми или повторными.

Открытые камеры

Если верхнее отверстие чаши в поршне имеет меньший диаметр, чем максимальный этот же параметр чаши, то ее называют возвратной. Такие чаши имеют «губу». Если ее нет, то это открытая камера сгорания. В дизельных двигателях данные конструкции с чашей типа «мексиканская шляпа» известны с 20-х годов прошлого века. Они использовались до 1990 года в двигателях большой грузоподъемности до того момента, когда возвратная чаша стала более важной, чем была раньше. Эта форма камеры сгорания предназначена для относительно продвинутых значений времени впрыска, где чаша содержит большую часть горящих газов. Она не очень подходит для стратегий замедленного впрыска.

Дизельный двигатель

Он назван в честь изобретателя Рудольфа Дизеля. Является двигателем внутреннего сгорания, в котором воспламенение впрыскиваемого топлива вызывается повышенной температурой воздуха в цилиндре из-за механического сжатия. Дизель работает, сжимая только воздух. Это повышает температуру воздуха внутри цилиндра до такой степени, что распыленное топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, самовозгорается.

Это отличается от двигателей с искровым зажиганием, таких как бензиновый или газовый (использующий газообразное горючее, а не бензин). В них используют свечу зажигания для воспламенения топливовоздушной смеси. В дизельных двигателях свечи накаливания (подогреватели камеры сгорания) могут применяться для облегчения запуска в холодную погоду, а также при низкой степени сжатия. Оригинальный дизель работает по циклу постоянного давления постепенного сгорания и не производит звукового удара.

Общая характеристика

Дизель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех практических двигателей внутреннего и внешнего сгорания благодаря очень высокой степени расширения и присущему обедненному горению, что позволяет рассеивать тепло избыточным воздухом. Небольшая потеря эффективности также предотвращается без непосредственного впрыска, поскольку несгоревшее горючее не присутствует при перекрытии клапана, а топливо не поступает непосредственно из впускного (впрыскивающего) устройства в выхлопную трубу. Низкоскоростные дизельные двигатели, которые используются, например, на судах, могут иметь тепловой КПД, превышающий 50 процентов.

Дизели могут быть сконструированы как двухтактные, так и четырехтактные. Первоначально они использовались в качестве более эффективной замены для стационарных паровых двигателей. С 1910 года они применялись на подводных лодках и кораблях. Использование в локомотивах, грузовиках, тяжелом оборудовании и электростанциях последовало позже. В тридцатых годах прошлого века они нашли место в конструкции нескольких автомобилей.

Преимущества и недостатки

С 70-х годов прошлого столетия использование дизельных двигателей в более крупных дорожных и внедорожных транспортных средствах в США возросло. Согласно данным Британского общества производителей и производителей автомобилей, средний показатель по ЕС для дизельных авто составляет 50 % от общего объема продаж (среди них 70 % — во Франции и 38 % — в Великобритании).

В холодную погоду запуск высокоскоростных дизельных двигателей может быть затруднен, поскольку масса блока и головки цилиндров поглощает тепло сжатия, предотвращая воспламенение из-за более высокого отношения поверхности к объему. Предварительно такие агрегаты используют небольшие электрические нагреватели внутри камер, называемых свечами накаливания.

Многие двигатели используют резистивные нагреватели во впускном коллекторе для нагрева входящего воздуха и для запуска или до тех пор, пока не будет достигнута рабочая температура. Электрические резистивные нагреватели блока двигателя, подключенные к электросети, используются в холодных климатических условиях. В таких случаях его требуется включать на длительное время (более часа), чтобы уменьшить время запуска и износ.

Блочные нагреватели также применяются для аварийных источников питания с дизельными генераторами, которые должны быстро снимать нагрузку при сбое в работе. В прошлом использовалось более широкое разнообразие методов холодного запуска. Некоторые двигатели, например Detroit Diesel, использовали систему для введения небольших количеств эфира во впускной коллектор, чтобы начать сгорание. Другие использовали смешанную систему с резистивным нагревателем, сжигающим метанол. Импровизированный метод, особенно на неработающих двигателях, состоит в том, чтобы вручную распылять аэрозольный баллончик с эфирной жидкостью в поток всасываемого воздуха (обычно через узел фильтра всасываемого воздуха).

Отличия от других двигателей

Условия в дизеле отличаются от двигателя с искровым зажиганием из-за разного термодинамического цикла. Кроме того, мощность и частота его вращения напрямую контролируются подачей горючего, а не воздуха, как в двигателе с циклическим циклом. Температура горения дизельного топлива и бензина также может различаться.

Средний дизельный двигатель имеет более низкое отношение мощности к весу, чем бензиновый. Это связано с тем, что дизель должен работать на более низких оборотах из-за конструкционной необходимости в более тяжелых и прочных деталях, чтобы противостоять рабочему давлению. Оно всегда вызывается высокой степенью сжатия двигателя, которая увеличивает усилия на детали из-за сил инерции. Некоторые дизели предназначены для коммерческого использования. Это многократно подтверждено на практике.

Дизельные двигатели обычно имеют большую длину хода. В основном это нужно для облегчения достижения необходимых степеней сжатия. В результате поршень становится тяжелее. То же можно сказать и о шатунах. Через них и коленчатый вал необходимо передавать больше усилия для изменения импульса поршня. Это еще одна причина, по которой дизельный двигатель должен быть сильнее при той же выходной мощности, что и бензиновый.