Вязкостные свойства

Вязкость — это понятие, обратное текучести, или то сопротивление, которое оказывают частицы жидкости их взаимному перемещению под действием внешней си­лы. Если наливать из раздаточных кранов одинакового сечения различные нефтепродукты, например бензин, дизельное топливо и моторное масло, то будет заметна существенная разница. В то время как канистра с бензи­ном будет полной, дизельного топлива будет значитель­но меньше, а масла совсем немного. Следовательно, эти продукты обладают разной текучестью, т. е. имеют раз­личную вязкость.

Для работы карбюраторных двигателей вязкость бензина не имеет практического значения, так как она очень невелика, меньше, чем у воды. На работу дизеля вязкость топлива оказывает существенное влияние: как ее умень­шение, так и увеличение приводят к неполадкам в работе двигателя.

Вязкость бывает абсолютной, когда оцениваются внутренние свойства жидкости, и условной (отвле­ченная величина). Абсолютная вязкость может быть ди­намической и кинематической. Динамическая вязкость η — коэффициент внутреннего трения, измеря­ется в пуазах (П, размерность г/см-с). Пуаз — это то сопротивление, которое оказывают взаимному перемеще­нию частицы, если два слоя жидкости площадью в 1 см², находящиеся друг от друга на расстоянии 1 см, переме­щаются со скоростью 1 см/с под действием внешней силы в 1 дину (г-см/с²). В Международной системе единиц СИ площадь измеряют в квадратных метрах, силу — в ньютонах, расстояние — в метрах. Тогда размерность вязкости будет Н-с/м².

Нетрудно подсчитать, что 1П — = 0, 1 Н-с/м². Динамической вязкостью обычно пользуются при расчете насосов, трубопроводов и в других по­добных случаях.

При оценке свойств нефтепродуктов обычно рассмат­ривают кинематическую вязкость — удельный коэффи­циент внутреннего трения (v). Кинематическая и дина­мическая вязкости связаны между собой плотностью: _v = T]/p, т. е. кинематическая вязкость равна отношению динамической (η) к плотности жидкости (р) при одина­ковой температуре. Кинематическую вязкость измеряют в стоксах (Ст) или в единицах, которые в 100 раз мень­ше— в сантистоксах (сСт). Вязкость чистой (дистил­лированной) воды при 20, 2° С составляет 1 сСт. По си­стеме СИ кинематическую вязкость измеряют в метрах квадратных на секунду (м²/с), так как г) —кг/м-с, а ρ = = кг/м³, т. е. v = кг/м-с: кг/м³ =кг-м³/м-с-кг =м²/с. 1 Ст=10-⁴м²/с. 1 сСт=10-⁶м²/с.

Условная вязкость размерности не имеет, она пока­зывает, во сколько раз вязкость нефтепродуктов при температуре измерения больше или меньше вязкости во­ды при 20° С, ее обозначают в условных градусах (°ВУ). В ГОСТах на нефтепродукты условной вязкостью поль­зуются редко.

Вязкость изменяется при изменении температуры, по­этому, указывая значение вязкости, необходимо указы­вать температуру, при которой она дается или опреде­ляется. Для дизельного топлива вязкость нормируют при 20° С, для топлива различных марок она находится в пре­делах 1, 8—6, 0 сСт. Как при слишком низком, так и при большом значении вязкости нарушается работа топливоподающей аппаратуры, а также процессы смесеобразо­вания и сгорания топлива. 'При пониженной вязкости топ­ливо проникает через зазоры в плунжерной паре топлив­ного насоса, что приводит к изменению дозировки, уменьшению цикловой подачи, снижению давления впрыска. Топливо может подтекать через отверстия фор­сунок, что неизбежно увеличивает нагарообразование. Топливом смазывают прецизионные пары топливного на­соса, при снижении вязкости смазочные свойства ухуд­шаются, что может привести к увеличению износа. Подтекания и просачивания маловязкого топлива повыша­ют его расход. Снижение цикловой подачи приводит к падению мощности двигателя.

Если вязкость топлива слишком велика, ухудшается качество смесеобразования, при распыливании образуются крупные капли и. короткая струя. Требуется больше времени на испарение, топливо сгорает не полностью, увеличивается его расход, повышается нагарообразова­ние, выхлопные газы приобретают темный цвет, возни­кает дымление.

Лучше всего использовать дизельное топливо средней вязкости (2, 5—4, 0 сСт при 20°С). Тогда при распылива­нии образуются более мелкие и однородные по составу

 

20 30

-40 -30 -20 -10 0 10 Температура, " С

Рис. 9. Изменение вязкости дизельного топлива в зависимости от температуры:

1— летнее, 2 — зимнее, 3 — арктическое капли, улучшаются процессы испарения, смесеобразова­ния и.сгорания. При отрицательной температуре такое топливо обладает лучшей текучестью, оно легче прохо­дит по трубопроводам, через фильтры тонкой очистки, насосы высокого давления, кроме того, меньше затрачи­вается энергии на преодоление внутреннего трения.Увеличение вязкости оказывает существенное влия­ние на пусковые свойства топлива, особенно в холодное время года, когда при понижении температуры вязкость сильно увеличивается. Характер изменения вязкости зимних и летних сортов топлива показан на рис. 9. Как видно из рисунка, чем выше значение вязкости при 20° С, указываемой в паспорте качества, тем сильнее измене­ния, происходящие при понижении температуры. При охлаждении топливо загустевает, становится трудноподвижным, резко возрастает его сопротивление при движении по топливопроводам, особенно высокого дав­ления. Все это вызывает нарушение нормальной ра­боты топливоподаюшей аппаратуры, а иногда подача топлива совсем прекращается. Чтобы обеспечива­лась хорошая работа дизелей в холодное время го­да, зимние сорта топлива имеют меньшую вязкость, которая с понижением температуры увеличивается не­значительно

Кроме вязкости топлива при эксплуатации двигате­лей в холодное время года большое значение имеют его низкотемпературные свойства, которые оценивают тем­пературами помутнения и застывания. Если дизельное топливо налить в пробирку или цилиндр из бесцветного стекла, и начать его охлаждать, то при определенной температуре оно из прозрачного станет мутным. Внешний вид топлива меняется вследствие выделения мельчай­ших капелек воды, микроскопических кристаллов льда, а главное, выпадения твердых парафиновых углеводо­родов

«Температурой помутнения называют ту температуру, при которой теряется фазовая однородность топлива. Постепенно при дальнейшем охлаждении коли­чество твердой фазы увеличивается, кристаллы парафи­на растут, и топливо теряет подвижность. Температуру потери подвижности называют те м п ер а т у р о й з а с т ы в а и и я. Для летних сортов дизельного топлива температура помутнения должна быть не выше —5° С, а зимних — 25 ÷ 30° С. Если в топливе содержится во­да, то оно будет мутнеть уже при 0 ÷ - 1°С. Температура застывания должна быть на 5—10° С ниже температуры помутнения. Чем меньше эта разница, тем лучше каче­ство топлива

В производственных условиях можно использовать топливо при температуре окружающего воздуха только выше точки помутнения. Если в зимнее время применять летние сорта, то неизбежно выпадающие кристаллы па­рафина будут забивать систему питания двигателя, осо­бенно фильтры тонкой очистки, — подача топлива нару­шится или прекратится. При выборе марки дизельного топлива нужно помнить, что температура его застыва­ния должна быть, по крайней мере, на 10° С ниже возмож­ной температуры эксплуатации Использование в холод­ные периоды не только летнего, но и смешанного (зимнее с летним) топлива недопустимо, так как их низкотемпературные и вязкостные свойства не обеспе­чивают нормальной работы двигателя.

§ 20. Сгорание топлива в дизелях Образование горючей смеси и интенсивность ее сго­рания в дизельных двигателях зависят от многих при­чин; давления и температуры сжатого воздуха, тонкости распыла, количества топлива в воздухе, испаряемости.

20 0 20 40 60 80 100

Угол поворот коленчатого вала, град

Рис. 10. Развернутая индикаторная диаграмма дизельного двигателя:

а — мягкая работа, б — жесткая работа

Но основное значение имеет химический состав топлива, определяющий не только температуру его воспламенения, но и период задержки воспламенения, т.е. время, которое проходит с момента начала подачи топлива до момента его самовоспламенения.

На рис. 10 показана развернутая индикаторная диаг­рамма дизельного двигателя. В любом дизеле сложному процессу самовоспламенения топлива всегда предшест­вует период задержки τ (от начала подачи до точ­ки 2). За это короткое время в камере сгорания про­исходят физические (распыл, перемешивание с возду­хом, нагревание, испарение) и сложные химические (различные стадии окисления молекул топлива) процес­сы. В результате выделяется 10—15% энергии, заклю­ченной в топливе, и накапливается тепло. Температура повышается, и топливо воспламеняется. Температуру, до которой нужно нагреть топливо в смеси с кислородом воздуха, чтобы началось его горение, называют темпе­ратурой самовоспламенения.

Допустим, что процесс горения начался в точке 2. Топливо сгорает и интенсивно повышается давление. Пе­риод быстрого горения продолжается от точки 2 до точ­ки 3, Здесь выделяется основное количество энергии (до 70%). При хорошо организованном процессе горения максимальное нарастание давления соответствует под­ходу поршня к в. м. т. Поскольку подача топлива в это время продолжается, то и горение еще не заканчивает­ся. Начинается третий период — замедленного горения (от точки 3 до точки 4), когда выделяется около 20% тепловой энергии. В начале этого периода подача 1опли-ва заканчивается, и нужно, чтобы к его концу все топ­ливо сгорело. В этом случае на линии расширения (пос­ле точки 4) во время рабочего хода не будет происхо­дить догорания. С повышением вязкости, утяжелением фракционного состава и увеличением количества в топ­ливе смолисто-асфальтовых соединений процесс дого­рания будет продолжаться дольше.

Современные методы исследования, например скоро­стная киносъемка, позволили установить, что в дизельных двигателях образуются объемные очаги пламени, возни­кающие одновременно в нескольких местах по внешней оболочке струи впрыскиваемого топлива. Скорость рас­пространения пламени здесь достигает 1000 м/с. Количество возникающих очагов зависит от интенсивности протекания предпламенных реакций (окисления) и про­должительности периода задержки воспламенения. Про­цесс сгорания протекает благоприятнее, если период за­держки небольшой (рис. 10, а).

При содержании в топливе большого количества лег­коокисляющихся углеводородов период задержки вос­пламенения очень короткий. Это облегчает пуск и обес­печивает мягкую и устойчивую работу двигателя. Сле­довательно, те углеводороды (парафиновые нормально­го строения), которые не нужны в бензинах, так как вы­зывают детонационное сгорание, наиболее желательны в топливе для быстроходных дизелей. Трудно окисляющиеся парафиновые углеводороды изомерного строения и ароматики, необходимые в бензинах, будут вредны в дизельном топливе, поскольку вызывают жесткую работу двигателя (рис. 10, 6).

Жесткая работа дизельного двигателя наблюдается в том случае, когда увеличивается период задержки вос­пламенения. Это может быть при неблагоприятном хи­мическом составе топлива, углеводороды топлива окис­ляются трудно, но цикловая подача его продолжается, топлива в камере сгорания накапливается все больше, а воспламенения еще не происходит. Наконец, воспламе­няется сразу большая часть циклового заряда, выделя­ется основное количество тепловой энергии, резко воз­растает давление, слышны характерные стуки, мощность падает.

О жесткости работы принято судить по нарастанию давления на 1° поворота коленчатого вала. В зависимос­ти от конструкции двигателя жесткая работа может воз­никать при разной интенсивности горения. Обычно счи­тают, что при нарастании давления до 0, 25—0, 50 МПа-(2, 5—5 кгс/см²) на Г поворота коленчатого вала двига­тель работает мягко, при 0, 6—0, 9 МПа (6—9 кгс/см²) — жестко, а более 0, 9 МПа (9 кгс/см²) — очень жестко, быстро выходя из строя.

При жесткой работе наблюдается повышенный износ деталей двигателя, особенно вкладышей подшипников, деформация поршневых колец, возрастает прорыв газов в картер, повышается расход топлива. По внешним приз­накам и последствиям жесткая работа дизелей напоми­нает детонацию в карбюраторных двигателях, но причи­ны их возникновения диаметрально противоположны. Они зависят от химического состава топлива, т. е. от характера протекания процессов окисления углеводоро­дов. Если в дизельном топливе много легковоспламеня­ющихся углеводородов, то оно быстро воспламеняется, и двигатель работает мягко. Эти же углеводороды в бен­зине вызывают детонацию карбюраторного двигателя. О склонности дизельного топлива к самовоспламенению и возникновению жесткой работы судят по цетановому числу.