Как температура и давление в цилиндрах дизеля влияют на работу мотора

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.

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).

Государственные стандарты, применяемые к бензину

Нередко автовладельцы интересуются: в каких пределах должна находиться плотность бензинов? Как правило, в используемом автомобильной промышленностью топливе её величина составляет от 700 до 780 килограмм на метр в кубе. Характеристики, свойства топлива зависят и от состава, и от плотности нефти, из которой был произведен продукт. Например, ароматические соединения обладают меньшей плотностью, чем алифатические. Параметр будет колебаться как в большую, так и меньшую сторону в зависимости от процента входящих в состав соединений. Ввиду того, что плотность топлива величина непостоянная, специалистами были созданы таблицы, по которым легко узнать допустимый уровень плотности топлива в зависимости от условий хранения.

Сфера нефтепромышленности также регулируется государственными стандартами экологичности. В России с начала 2020 года действует ГОСТ 32513-2013, который устанавливает стандарт качества современных бензинов с октавным числом не менее 80 (АИ-80). Однако вопрос охраны окружающей среды и экологичности транспорта с каждым годом обретает новую актуальность. Следовательно, на государственном уровне к продуктам нефтепереработки выдвигают все более жесткие требования. В 2020 году в РФ приняли ЕВРО-5 – стандарт, который регулирует процент содержания в бензине тяжелых металлов и бензола.

Плотность бензина АИ-92

Октановое число бензина АИ-92 не может быть ниже 91. Топливо используется преимущественно в силовых агрегатах легкового автомобильного транспорта. На вид должно быть прозрачным и чистым. Ему свойственна стойкость к детонации, поэтому автолюбители и сегодня приобретают «92-й» бензин для ДВС отечественных и многих импортных марок авто. Искомый параметр при замере в +15 градусов равняется 725-780 км/м3.

Плотность бензина АИ-95

Этот бензин для привезенных из-за рубежа автомобилей. Отличается высокими эксплуатационными свойствами: в ходе его производства изготовители задействуют технологические компоненты. Октановое число не должно быть ниже 95. Значение замеряют при +15 по Цельсию. Стандартная плотность равна 750+/-5 кг/м3.

Плотность бензина АИ-100

Одно из последних нововведений – автомобильное топливо с октановым числом 100. Встречается на многих автозаправочных станциях, в частности на АЗС Лукойл. Это продукт с дополнительными Экто присадками. Ему характерны высокие эксплуатационные свойства и не менее высокая цена. Нормативный показатель плотности установлен в пределах от 725 до 750 кг/м3 при стандартных +15 градусах.

Сорта ДТ по предельной температуре фильтруемости

В Европе для летнего топлива предусмотрено распределение на сорта, обозначаемые первыми буквами английского алфавита — от A до F. Классов 5, их прописывают цифрами 0-4.

Для регионов с умеренным и теплым климатом

Выделено 6 сортов дизельного топлива, предназначенного для использования в умеренном и теплом климате; они отличаются на 5°C. Допустимый предел температуры окружающей среды для эксплуатации составляет:

• 5°C — для сорта A.
• 0°C — B.
• -5°C — C;
• -10°C — D;
• -15°C — E;
• -20°C — F.

Вид топлива влияет не только на его пригодность к службе при указанной температуре, но и на цену. В сортах, где предусмотрена возможность работы при небольших отрицательных температурах, присутствуют дополнительные добавки, приводящие к подорожанию дизельного горючего.

Для регионов с холодным климатом

Для дизельных ГСМ, предназначенных для работы в регионах с холодным климатом, в арктических условиях, предусмотрено разделение на 5 классов. При этом класс 0, созданный для работы при -20°C и выше, аналогичен по свойствам сорту F. Остальные — имеют следующие пределы температуры окружающей среды:

• класс 1 (-26 °С).
• 2 (-32 °С).
• 3 (-38 °С).
• 4 (-44 °С).

Высокие классы топлива требуют больших затрат на производство, чем 0 и 1, поэтому стоят они дороже.

Почему зимой расход дизтоплива больше

При низких температурных показателях расход горючего значительно увеличивается из-за затрат на прогрев агрегата перед началом работы и повышенного трения в холодном двигателе. После начала движения расход солярки не превышает летние показатели, а, возможно, и уменьшается т.к. крутящий момент при малых оборотах понижает пробуксовку колес по снежному покрытию. Ощутимую нагрузку оказывает густое масло в редукторах. При низкой температуре удельный вес воздуха становится выше, это способствует изменению состава рабочей смеси. Также холодный воздух повышает коэффициент лобового сопротивления, это увеличивает расход дизтоплива на несколько процентов каждые 100 км пути.

Чем измеряется плотность бензина

Входящие в состав присадки определяют температуру кипения и замерзания. Из курса физики мы помним, что плотность есть не что иное, как отношение массы к объему, и исчисляется величина в килограммах на кубический метр. Обычно из-за разбега заявленных и итоговых показателей и возникают основные разногласия между производителем и оптовым потребителем

Важно понимать, что плотность топлива не отображает качество. Все измерения должны проходить в одинаковых условиях, то есть, при одной и той же температуре окружающей среды

Средние значения:

Во время покупки топлива каждый водитель вправе поинтересоваться, согласно какому стандарту происходил замер этого параметра. Ныне действующий ГОСТ определяет температуру в 15 градусов по Цельсию, когда прежний стандарт допускал 20 градусов. Произвести её замер можно даже в гаражных условиях. Достаточно заполнить емкость бензином, взвесить и полученный результат разделить на литры – конечная цифра и есть плотность.

Процедура выглядит примерно так:

• берем любую градуированную емкость, которую можно взвесить;
• взвешиваем её и записываем результат;
• заполняем емкость 100 мл топлива;
• вновь взвешиваем, после из второго результата вычитаем первый;
• полученную цифру делим на объем находящегося в емкости топлива.

Простой и быстрый метод – использовать специальное приспособление. Одним из таковых приборов считается ареометр – устройство, которое с целью замера реализует принцип Архимеда. К тому же ареометр позволяет определить концентрацию и количество примесей. Он состоит из стеклянного цилиндра: с одной стороны трубка с округлым дном, с другой небольшого диаметра трубка с маркировкой. По показаниям шкалы и количеству вытеснившему количеству жидкости легко определить искомый параметр.

Классификация дизельного топлива

Для типизации дизельного топлива традиционно учитывают два показателя: степень серосодержания и максимальная температура помутнения. Это принятый государством стандарт, соответствующий европейской системе и спецификации EN 590. В рамках данной статьи наибольшее значение имеют показатели температуры.

«Температурная» классификация разделяет горючее по сортам и классам, которые являются показателями того, при какой максимально низкой температуре горючее может проходить через фильтр.

В скобках указана предельная температура фильтруемости (t °C).

Для местностей с умеренным климатом определяют сорта горючего	Для местностей холодного климата определяют классы горючего

В зависимости от температурных показателей дизтопливо разделяют на три основных вида и один дополнительный (последний).

1. Летнее дизтопливо. Сохраняет жидкое состояние до -5 °C. Рекомендовано к использованию при температуре выше 0 (t °C фильтруемости не определяется).

О показателях плотности речь пойдет далее.

Как проверить плотность самостоятельно

Для того, чтобы качество приобретенного топлива не вызывало сомнений владельцам транспортных средств следует приобретать его только у проверенных поставщиков. При сомнениях в качестве продукта можно провести проверку плотности топлива самостоятельно.

Необходимость такой проверки возникает только в зимнее время года. Проводить ее следует при температуре -8 – 10оС, а если топливо позиционируется как арктическое, то ниже.

Для проведения проверки следует небольшое количество солярки поместить на металлическую поверхность, после чего следить за помутнением и растекаемостью продукта. При нормальной текучести горючего можно говорить о его качестве, если жидкость стала мутной и начала застывать, то от ее использования лучше отказаться. Дизельное топливо для применения в холодное время года не должно застывать до -45оС.

Еще один способ проверки – емкость с топливом размещают там, где температура воздуха составляет 20 градусов. Когда температура окружающей среды и солярки сравняется, то плотность измеряют аэрометром и сравнивают его показания с данными ГОСТа.

Самым быстрым вариантом проверки является визуальная оценка заправочного пистолета. Если топливо на его конце осталось жидким, то это говорит о его качестве.

Более точно проверить плотность дизтоплива можно следующим образом. Солярка наливается в небольшую емкость и далее помещается в условия, где температура воздуха находится на отметке около от + 17 до +20 градусов на такое время, чтобы топливо прогрелось до аналогичного температурного показателя. Далее плотность дизеля измеряется при помощи ареометра. Полученные данные необходимо сравнить с теми стандартами, которым по ГОСТу должно соответствовать приобретенное дизтопливо.

Альтернативы традиционному дизельному топливу

Биодизель

Основная статья: Биодизель

Биодизель — смесь метиловых эфиров жирных кислот, сходная по физическим и химическим свойствам с дизельной фракцией из нефти.
Биодизель имеет цетановое число не менее 51 (по сравнению с обычным дизельным топливом 42—45), температуру вспышки более 150 °C, имеет хорошие смазочные характеристики.
Главный недостаток — ограниченный срок хранения после изготовления — не более 3 месяцев вследствие бактериального разложения. В то же время данное свойство является одним из главных преимуществ — в случае утечек биодизельного топлива оно подвергается полному биологическому распаду без ущерба окружающей среде.

Получается реакцией переэтерификации жирных кислот, содержащихся в растительных маслах (рапсовое, соевое, пальмовое) и метилового спирта в соотношении 10:1, в присутствии в качестве катализатора — метилата натрия.
Реакция происходит в процессе смешения масла и спирта в ёмкости с мешалкой при нормальной температуре 20—25 °C. Побочным продуктом является глицерин, отделяемый далее в отмывочной колонне водой.

Эмульгированное дизельное топливо

Альтернативой обычному дизельному топливу является добавление в обычное дизельное топливо 20 % воды и 1 % эмульгатора. Смесь можно использовать в обычных дизелях без их переделки. Цвет смеси — мутно-белый. Срок хранения после приготовления — около трёх месяцев. Технология применяется в Германии. Возможность добавления воды и эмульгатора в биодизель не изучена.

Эмульгаторы — вещества, обеспечивающие создание эмульсий из несмешивающихся жидкостей.
Действие эмульгаторов основано на способности поверхностно-активных веществ (ПАВ) снижать энергию, необходимую для создания свободной поверхности раздела фаз.
Концентрируясь на поверхности раздела смешивающихся фаз, ПАВ снижают межфазное поверхностное натяжение и обеспечивают длительную стабильность композиции.
В зависимости от природы ПАВ они ускоряют образование и стабилизирует тип эмульсии, в дисперсионной среде которой они лучше растворимы.

Но добавление воды в дизельное топливо катастрофично. Для форсунок с высоким давлением (как у CDI) вода и сера является агрессивным элементом. При высоком давлении и воде в составе топлива образуется серная кислота, которая губит прецизионные каналы. Кроме того, при попадании картерных газов в масло сера сокращает срок его службы. Поэтому в инструкциях импортных автомобилей производители пишут, что срок замены масла в странах бывшего СССР (где ещё продаётся соляр с серой в 0,2 %) сокращается вдвое. Кроме того, кислоты сокращают срок службы катализаторов и сажевых фильтров.

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 , 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.

Главные эксплуатационные характеристики дизтоплива

Устойчивость к низким температурам — это основной параметр дизельного топлива, которым определяются условия его использования и особенности хранения.

Другим основным показателем качества ДТ является вышеупомянутое цетановое число. Чем выше его значение, тем увереннее можно судить о более продолжительном ресурсе ДВС. Двигатель равномерно работает, исключена детонация, повышена динамика машины.

По показателю температуры воспламенения определяется степень безопасности использования дизтоплива в ДВС. По фрикционному составу в ДТ определяется, полностью ли будет в цилиндрах сгорать смесь, уровень дымности и степень токсичности выхлопов.

От плотности ДТ зависит, насколько эффективной будет подача горючего по каналам топливной системы, его фильтрация и распыление в форсунках.

Содержание серы. Ее отсутствие в составе делает горючее слишком «пресным» — возникает нехватка в смазке элементов топливной аппаратуры. Однако повышенное содержание серы приводит к преждевременному появлению коррозии на деталях ДВС, быстрому накоплению нагара, повышенному уровню износа ТНВД.

В число основных характеристик ДТ, особенно в современных условиях, вошел показатель чистоты продукта. Это не только продление ресурса узлов и элементов транспортных средств, но и поддержание в норме экологии в местах промышленного производства.

Сера

Дизельное топливо содержит серу в форме химических соединений в зависимости от качества нефти и компонентов, используемых в смеси. В частности, компоненты, участвующие в крекинге, имеют высокое содержание серы, но они могут быть уменьшены с помощью введения водорода в технологическом процессе. Так как сера преобразуется в двуокись серы при сгорании в двигателе (это соединение очень неблагоприятно воздействует на окружающую среду из-за его кислотной реакции), то законодательно ограничено допустимое содержание серы. В последние годы оно постепенно уменьшается и в соответствии со стандартами не должно превышать 0,2% по весу. Не считая этого, сера увеличивает массу частиц в выхлопных газах и ухудшает эффективность работы каталитических преобразователей, когда они используются для уменьшения выбросов серы.

Особенности производства зимней марки

Чтобы получить необходимую плотность, характерную для зимнего дизтоплива, а также обеспечить другие важные параметры, позволяющие при отрицательных температурах не опасаться кристаллизации, требуется выполнить ряд технологических условий при изготовлении состава.

Сам процесс создания зимней солярки является весьма трудоёмким, что во многом объясняет её более высокую стоимость по сравнению с летними марками.

Поскольку дизтопливо получают путём переработки нефти, её характеристики требуют применения систем перегонки, способных поднимать температуру нефтепродукта до 180 градусов Цельсия. Такие нормы действуют при производстве летних марок. Но если говорить именно про зимнее топливо, тут температура поднимается уже до 320 градусов Цельсия. На это уходит больше ресурсов, а также активнее расходуется сама нефть для получения конечного продукта.

При равных объёмах сырья, после перегонки зимней марки на выходе получается на 30-40% меньше дизтоплива, нежели при изготовлении летнего аналога. Тем самым повышаются производственные издержки, и низкотемпературная солярка продаётся на АЗС по завышенным ценам.

Повышенная температурная обработка способствует выпадению в осадок длинноцепным молекулам парафина. Затем их удаляют из зимнего уже практически готового дизельного топлива. В результате производства удаётся изготовить высококачественный состав, не замерзающий при отрицательных температурах. Чтобы дополнительно снизить детонацию, заливаются разные присадки, способствующие обеспечению защиты узлов и систем мотора.

Замерзание дизтоплива

Существует ещё и арктическое дизтопливо, которое устойчиво к ещё более низким температурам. При заливке этого топлива мотор спокойно может запускаться даже в условиях, когда на улице около -50 градусов Цельсия. Процесс его изготовления ещё более трудоёмкий и затратный. Сложная переработка нефти приводит к существенному уменьшению готового продукта на выходе. Это напрямую связано с тем, что стоимость арктических марок наиболее высокая на отечественном рынке.

Но острой необходимости в таком низкотемпературном топливе на большей части территории страны нет. Арктические марки активно используются только в районе Крайнего Севера и в Сибири. Поскольку на остальных территориях температура редко опускается ниже -20-30 градусов Цельсия, большинству автомобилистов подойдут обычные зимние сорта солярки.

Как уже отмечалось ранее, в состав именно зимнего топлива добавляют большее количество декомпрессионных присадок, что крайне важно для дизельного двигателя при работе в условиях отрицательных температур. Но параллельно используется меньший объём парафина

Дополнительно производители сами определяют, что они добавляют в своё дизельное топливо, позиционируемое как зимнее. У изготовителей есть свои секреты, специальные добавки и присадки, о которых что-то узнать достаточно сложно.

Совсем недавно, чтобы избежать замерзания солярки, автомобилисты шли на разные хитрости, искали народные методы обмануть состав, заставив его функционировать при низкой температуре. Ведь замерзание горючего могло и приводило к очень серьёзным негативным последствиям.

Одним из популярных решений было давление в дизельное горючее небольшого количества бензина или специальных присадок. Топливо не замерзало, но всё равно двигатель сильно страдал. В результате моторы выходили из строя, а на их восстановление уходило много сил и денег.

Появление на рынке специальных зимних сортов солярки существенно улучшило ситуацию. Теперь можно без опасений эксплуатировать автомобиль, работающий за счёт дизельного двигателя, при отрицательных температурах. Если говорить о зимних составах, то они сохраняют свою структуру неизменной при температуре до -30 градусов Цельсия, которая крайне редко наблюдается в средней полосе страны.

Что же касается стоимости, то по факту она превышает цена на летние марки всего на несколько рублей. Это не так существенно, если сравнивать с затратами и денежными потерями, обусловленными эксплуатацией машины в период холодов на летних сортах солярки. Порой машина даже завестись не сможет.

Чем грозит использование неподходящего дизтоплива

Основная цель дизельного топлива, или солярки, — получить энергию от горения, а также смазать и охладить топливную систему.

При заправке на автозаправочной станции качество смеси определить сложно. Но если попадется недобросовестный поставщик, то низкая проба топлива сразу же негативо отразится на работе мотора.

Всего существует 3 типа горючего:

• летнее;
• зимнее;
• арктическое.

Важно выбирать подходящее по времени года топливо, иначе двигатель может быстро сломаться. Признаки некачественной смеси:

Признаки некачественной смеси:

1. Темный цвет и запах мазута.
2. Вода либо песчинки на дне. Зимой солярка густая и с белыми хлопьями в составе — подделка.
3. Водянистость может означать, что солярку разбавили бензином.

Низкопробная смесь приводит к образованию большего количества нагара, который оседает на стенках камеры сгорания. Если вовремя не обрабатывать двигатель, мощность его работы снизится.

Из-за добавок и присадок в дизельном топливе срок службы свечей зажигания уменьшается. А различные примеси в поддельной смеси портят кольца и поршни.