Методы определения цетанового числа на установке ИТ9-3М, понятие об эталонном топливе и его компонентах. Оценка ЦЧ по вязкости и плотности дизельного топлива

Определение цетанового числа по методу совпадения вспышек. Этот метод принят у нас в качестве стандартного метода. Определение производится на установке ИТ9-3. Установка ИТ9-3 предназначена для оценки самовоспламеняемости дизельных топлив по методу совпадения вспышек (в соответствии с ГОСТ 3122), выражаемой в цетановых числах. Установка ИТ9-3 представляет собой одноцилиндровый, четырехтактный дизель с вихревой камерой, имеющий следующую техническую характеристику:

Диаметр цилиндра - 85 мм

Ход поршня - 115 мм

Рабочий объем цилиндра- 0,652 л

Степень сжатия переменная - от 7 до 23

Число оборотов- 900+10 об/мин

Для определения цетанового числа топлива на установке ИТ9-3 сначала определяют критическую степень сжатия для данного испытуемого образца. Впрыск топлива производится за 13° до в. м. т., затем степень сжатия подбирают так, чтобы воспламенение происходило точно в в. м. т., т. е. задержка составляла бы 13°. При этом наблюдаемые в визирную трубу полоски света от неоновых ламп, контакты которых замыкаются индикатором впрыска и индикатором воспламенения, совпадают. Поэтому степень сжатия, соответствующую задержке воспламенения в 13°, называют степенью сжатия совпадения вспышек. Степень сжатия совпадения вспышек обычно немного превышает критическую степень сжатия. Определив степень сжатия совпадения вспышек для испытуемого топлива, производят аналогичный подбор степени сжатия для соответствующих смесей эталонов и методом интерполяции определяют цетановое число испытуемого топлива. Для результатов определения цетанового числа одного и того же топлива на одной установке ИТ9-3 допускается расхождение ±2 единицы.

Так как первичные эталоны цетан и а-метилнафталин являются довольно дорогими продуктами, то они обычно используются только для контрольных и особо ответственных определений. Для повседневных сравнительных испытаний применяют вторичные эталоны, в качестве которых служат: а) газойль из парафинистых нефтей с цетановым числом не менее 55 или дизельная фракция синтина (синтетическое топливо) с цетановым числом не менее 80, б) зеленое масло (продукт перегонки каменноугольной смолы) с цетановым числом не более 25.

Для перехода от вторичных эталонов к первичным должна быть построена переходная шкала, пользование которой позволяет производить оценку самовоспламенения испытуемого топлива в цетановых числах.

Определение цетановых чисел в бомбе. Метод определения цетанового числа на установке ИТ9-3 является стандартным, однако в исследовательской работе нередко применялась методика изучения самовоспламенения топлив в специально сконструированных для этой цели бомбах. В бомбе осуществляется однократный впрыск топлива при заданной начальной температуре и давлении, а подъем иглы форсунки — начало нарастания давления — фиксируется на диаграмме при помощи той или иной системы индикаторов. По диаграмме процесса горения может быть легко подсчитан период задержки воспламенения (т) и, в случае надобности, сопоставлен с задержкой соответствующих смесей эталонов при воспламенении их в бомбе в аналогичных условиях.

Преимущество методики исследования воспламенения топлив в бомбе заключается прежде всего в том, что для этого необходимо очень небольшое количество испытуемого образца, последнее является весьма важным для оценки самовоспламеняемости индивидуальных углеводородов, синтез которых обычно затруднен. Именно таким путем были определены цетановые числа ряда индивидуальных углеводородов различного строения, синтезированных А. Д. Петровым и другими исследователями, на основании чего удалось установить зависимость между строением углеводородов и их самовоспламеняемостью. Кроме того, при исследованиях в бомбе могут легко варьироваться различные условия испытания: температура, давление, состав газовой смеси, присадка и т. д. Недостатком испытания в бомбах является то, что они не полностью воспроизводят условия подготовки и сгорания топлива в двигателе, в частности процесс смесеобразования, ввиду отсутствия в бомбе вихревого движения воздуха, которое имеет место в цилиндре двигателя при подъеме поршня.

Приближенно ЦЧ топлива можно определить:

– по вязкости и плотности:

ЦЧ = (20 ν + 17,8) ⋅ 1587,9 / (ρ20),

где 20 ν − кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с;

20 ρ− плотность топлива, кг/м3

; Эталонное топливо представляет собой смеси, состоящие из углеводородов или однокомпонентных жидких углеводородных составов, применяемые для оценочной характеристики эксплуатационных топливных свойств на нефтеперабатывающих заводах и других заводах производителях:

Детонационной стойкости — определение октанового числа и сортности бензина;

Самовоспламеняемости — цетанового числа, характеризующего топливо для поршневых двигателей и люминометрического числа топлива для двигателей газовых турбин.

Первичными эталонными топливами принято считать следующие смеси: изооктан (ОЧ 100) с нормальным гептаном (ОЧ 0), цетан (ЦЧ 100),н-цетан и гаметилнафталин (ЦЧ О), а также изооктан (ЛЧ 100) с тетралином (ЛЧ 0)

Вторичными эталонными топливами считают смеси: контрольное дизельное топливо с высоким цетановым числом, контрольное дизельное топливо с низким цетановым числом, вторичное эталонное топливо T-25 с высоким цетановым числом, вторичное эталонное топливо U-18 с низким цетановым числом.

 

При лабораторных испытаниях бензинов были получены показатели качества, приведенные в таблице, постройте кривую разгонки (в масштабе), сравните показатели качества с данными стандарта. Дайте объяснение отклонений каждого показателя на работу двигателя и его износ. Сделайте заключение о пригодности данного топлива к эксплуатации.

Общее содержание серы характеризует суммарное количество всех сернистых соединений в топливе, которые при сгорании образуют кислородные соединения серы SO2, SO3. При взаимодействии с водой образуются сернистая и серная кислоты, вызывающие коррозию и способствующие процессам образования отложений и износу двигателя.

Экспериментальными работами установлено, что при увеличении серы с 0,05 до 0,10% износ деталей двигателя возрастает в 1,5-2,0 раза, а при повышении количества серы до 0,20 % - еще вдвое.

Основная масса сернистых соединений, содержащихся в нефти, при получении топлива перегоняется с углеводородами, выкипающими при температуре выше 200°С. Поэтому общее количество серы в бензине редко превышает 0,05%.

Испытание на медной пластине является универсальным способом оценки коррозионной активности моторных топлив, зависящей от общего содержания активных соединений серы. Сера и ее соединения воздействуют на медь и ее сплавы, вызывая возникновение черных, темно-серых, коричневых, бурых пятен или налета.

Основную часть топлива называют рабочей фракцией (по кривой разгонки от 10 до 90 %). От испаряемости рабочей фракции зависят, образование горючей смеси при разных режимах работы двигателя, продолжительность прогрева (перевода с холостого хода под нагрузку), приемистость (возможность быстрого перевода с одного режима на другой). По стандарту рабочую фракцию нормируют 50 % точкой. С понижением температуры окружающего воздуха требуются бензины с более низкой температурой перегонки 50% бензина: для летнего - не выше 115°С, для зимнего - не выше 100°С. Чем она ниже, тем однороднее состав топлива и горючей смеси по отдельным цилиндрам, устойчивее работает двигатель, лучше приемистость. Температура перегонки концевых фракций (от 90 % до конца кипения)

влияет на полноту испарения топлива, полноту сгорания, на токсичность выхлопа, а также на экономичность и износ двигателя. Концевые фракции поступают в цилиндр, не испарившись, они не участвуют в сгорании, и экономичность двигателя ухудшается. Тяжелые фракции бензина, осевшие на стенках цилиндра, смывают смазочную пленку, разжижают масло и увеличивают износ. Несгоревшее топливо откладывается также на поверхностях камеры сгорания и поршней в виде нагара, который инициирует детонационное сгорание и калильное зажигание. Чем меньше интервал температуры от 90% до конца кипения, тем выше качество топлива.

Объем остатка в колбе (количество не испарившегося при перегонке бензина) характеризует наличие в бензине тяжелых, трудно испаряемых углеводородов и примесей, которые оказывают вредное влияние на работу двигателя. Как правило, эти остатки, попадая в двигатель, полностью не сгорают и увеличивают удельный расход топлива и рабочие износы двигателя.

В целом фракционный состав определяет легкость и надежность пуска двигателя, возможность образования паровых пробок, полноту сгорания и экономичность, длительность прогрева, приемистость, интенсивность износа деталей двигателя.

Октановое число является важным показателем качества бензина и напрямую влияет на работу двигателя внутреннего сгорания. По сути, это способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии. От октанового числа зависит также скорость сгорания бензина. Металлический звук при детонации образует детонационная волна, многократно отражающаяся от стенок цилиндра. В этот момент снижается мощность двигателя и ускоряется его износ. Очень важно заправлять автомобиль топливом с соответствующим октановым числом, чтобы избежать проблем с теми или иными частями двигателя. При использовании бензина с низким октановым числом обеспечен как минимум износ клапанов. Высокооктановое топливо также рекомендуется не всегда и не всем.

Установлено, что в процессе хранения одновременно с ростом содержания смолистых веществ в бензинах увеличивается их коррозийная агрессивность.

Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости по ГОСТ 19006—73, который представляет собой отношение времени фильтрования через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие воды, механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот.

 

Показатели качества бензинов	Результаты лабораторн. ислед. А-92 Летний	Стандарт
Октановое число по моторному методу
Масса Т.Э.С. на дм3	0.013	0.013
Фракционный состав НК не ниже t 100С перегоняется t 500С перегоняется t 900С перегоняется конец кипения 0С остаток в колбе % остаток и потери в %	1.4 3.5	1.5 4.0
Кислотность в мг КОН на 100 см3
Содержание фактически смол, мг на 100 см3	4.5
Массовая доля серы %	0.05	0.05
Испытание на медную пластинку	Выдерживает	Выдерживает
Содержание водорастворимых кислот и щелочей	выдерживает	Выдерживает

 

Вывод: исходя из данных таблицы можно сделать вывод, что данное топливо имеет лучшие показатели качества чем стандарт, оно пригодно к эксплуатации.

Задача

Определите низшую теплоту сгорания, действительное количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива, калорийность и технический эквивалент следующего элементарного состава: C, H, N, D, S, A, W.

Дано: Cᴵ= 83 %; Hᴵ =5.1 %; Nᴵ = 1.5%; Dᴵ =5.6 %; Sᴵ =4.8%; Aᴾ =18.8 %; Wᴾ =6 %; A =0.9; ἠ = 0.8.

Решение: низшую теплоту сгорания топлива определяем по формуле:

,

C_P, H_P, O_P, , W_P — содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

Qᴾ н= 81 * 83 + 246 * 5.1 – 26 * (21 +4.8) – 6 * 6 = 7270.8 ккал/кг

Действительное количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива рассчитываем по формуле:

V = 0.0889 * (C + 0.375 * S) + 0.265 *H – 0.033* O

V = 0.0889 * (83 + 0.375 * 4.8) + 0.265 * 5.1 – 0.033 *21 = 8.197 м3/кг

Технический эквивалент топлива определяем по формуле:

Э = Qᴾ н / Q_усл,

где Q_усл - условное топливо (29 310 кДж/кг)

Э =7270.8 / 29310 = 0.25

Калорийность топлива определяем по формуле:

К = 7270.8 /8.197 = 887 ккал/м³

Ответ: низшая теплота сгорания топлива = 7270.8 ккал/кг, действительное количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива = 8.197 м3/кг, технический эквивалент топлива = 0.25, калорийность топлива = 887 ккал/м³

 

Задача

Определите низшую теплоту сгорания, действительное количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива, калорийность и технический эквивалент следующего элементарного состава: C, H, N, D, S, A, W.

Дано: Cᴵ= 91 %; Hᴵ =3.5 %; Nᴵ = 1.3%; Dᴵ =1.7 %; Sᴵ =2.5%; Aᴾ =15.5 %; Wᴾ =5.5 %; A =1.5; ἠ = 0.89.

Решение: низшую теплоту сгорания топлива определяем по формуле:

,

C_P, H_P, O_P, , W_P — содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

Qᴾ н= 81 * 91 + 246 * 3.5 – 26 * (21 +2.5) – 6 * 5.5 = 6834 ккал/кг

Действительное количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива рассчитываем по формуле:

V = 0.0889 * (C + 0.375 * S) + 0.265 *H – 0.033* O

V = 0.0889 * (91 + 0.375 * 2.5) + 0.265 *3.5 – 0.033 *21 = 8.4 м3/кг

Технический эквивалент топлива определяем по формуле:

Э = Qᴾ н / Q_усл,

где Q_усл - условное топливо (29 310 кДж/кг)

Э =6834 / 29310 = 0.23

Калорийность топлива определяем по формуле:

К = 6834 /8.4 = 813.6 ккал/м³

Ответ: низшая теплота сгорания топлива = 6834 ккал/кг, действительное количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива = 8.4 м3/кг, технический эквивалент топлива = 0.23, калорийность топлива = 813.6 ккал/м³

 

Литература:

1 Лышко Г.Н. Топливо и смазочные материалы – М:Агропромиздат,1985

2 Лышко Г.Н. Нефтепродукты и технические жидкости – М: Агропромиздат 1988 г

3Итинская Н.И.,Кузнецов Н.А. Автотракторные эксплуатационные материалы, -М: Агропромиздат,1987 г

4Кузнецов А.В. и др. Практикум по топливу и смазочным материалам – М: Агропромиздат,1987г