Почему на 4000 м дизель дымит и слабеет, если подавать топливо как у моря? Поднимайся в горы, меняй мороз, нагрузку, наддув и цетановое число, включай дерейтинг и смотри, хватает ли каплям кислорода.
Давление воздуха падает с высотой, и в цилиндр за один такт попадает меньше молекул кислорода. Топливный насос этого не знает: он впрыскивает порцию, заданную педалью. Капли, вокруг которых не хватило кислорода, догорают поздно или не догорают совсем. Получаются черный дым и сажа, горячие газы уходят в выпуск, растет температура перед турбиной. Чтобы спасти двигатель, блок управления по датчику атмосферного давления уменьшает подачу, это называется дерейтинг. Турбина частично возвращает воздух, но на высоте ей приходится крутиться быстрее. Как турбина работает в горах, разобрано в теме «Турбонаддув и работа в высокогорье». Здесь смотрим на само топливо: сколько его сгорает, сколько уходит в дым и почему на высоте важнее цетановое число.
Барометрическая формула дает давление и плотность воздуха, коэффициент α сравнивает воздух с топливом, а правило дерейтинга говорит, сколько подачи срезает блок управления. Числа берутся из опыта.
Сколько воздуха на этой высоте?
Первая формула это стандартная атмосфера: так давление падает с высотой в среднем. Вторая это уравнение газа: плотность тем меньше, чем ниже давление и чем теплее воздух.
Хватит ли воздуха на топливо?
Чтобы сжечь 1 кг дизельного топлива до CO₂ и воды, нужно 14,5 кг воздуха. В дизеле топливо не успевает идеально перемешаться, поэтому воздуха дают с запасом. При α меньше 1,4 растет сажа, меньше 1,2 идет черный дым.
Сколько подачи срежет блок управления?
Правило дерейтинга: выше порога h0 подачу и мощность уменьшают на k процентов на каждые 300 м. Для атмосферных дизелей пожарных насосов норма NFPA 20 дает 3 % на 300 м. У турбодизелей порог выше и срез меньше, точные числа в документации двигателя.
Дизель поджигает топливо жаром сжатого воздуха. Двигатель сжимает воздух примерно в 16 раз, и в конце сжатия давление и температура пропорциональны тому, что было на входе. На 4000 м у атмосферного двигателя давление в конце сжатия на 40 % ниже, чем у моря, а в мороз и температура ниже. Капли дольше испаряются и позже загораются: задержка воспламенения растет.
Длинная задержка дает две беды. На холостом и при пуске часть топлива не успевает сгореть и вылетает белым дымом. Под нагрузкой за время задержки набирается много паров, и они вспыхивают разом: двигатель жестко стучит. Топливо с большим цетановым числом загорается быстрее, поэтому для высокогорья и мороза его выбирают особенно внимательно. Что такое цетановое число, рассказано в химии: «Топливо и горение: октановое и цетановое число», как ведет себя давление в цилиндре, в теме «Индикаторная диаграмма дизеля».
В опыте задержка считается по формуле Харденберга и Хазе, где энергия активации тем меньше, чем выше цетановое число: E = 618 840 / (ЦЧ + 25) Дж/моль.
Для работы на 4000 м заказывают двигатели с высотной настройкой: другие турбины, интеркулер побольше, карты подачи. Мощность по паспорту у моря и на высоте разная, и тягу самосвала считают уже по сниженной.
Блок управления читает давление воздуха и сам срезает подачу. Если датчик врет и показывает уровень моря, двигатель начинает дымить, а температура выпуска и обороты турбины уходят за предел.
Дым на высоте чаще всего говорит, что воздуха мало: забит фильтр, течет наддув, неисправна турбина. Добавлять подачу «для силы» нельзя: растут сажа, нагар на кольцах и перегрев поршней.
Чем меньше α, тем больше сажи, тем чаще сажевый фильтр уходит на регенерацию. На высоте его нагружают сильнее, чем у моря, это учитывают при планировании ТО.
На высоте и в мороз сжатый воздух холоднее, топливо загорается с трудом. Помогают свечи и подогрев воздуха, прогрев охлаждающей жидкости и топливо с хорошим цетановым числом. Подробно в теме «Холодный пуск при −40 °C».
На высоте удельный расход растет: часть топлива догорает поздно и уходит теплом в выпуск, а трение двигателя делится на меньшую мощность. Нормы расхода для высокогорья нельзя брать из каталога для равнины.
Давление считается по стандартной атмосфере, плотность по уравнению газа при выбранной температуре (у стандартной атмосферы на 4000 м −11 °C, плотность 0,82 кг/м³; при 0 °C получается 0,79 кг/м³). Турбодизель в модели держит у моря давление наддува 3 бар (абсолютное); безопасная степень сжатия компрессора 3,4, без дерейтинга турбина раскручивается до 3,8, и это показано как выход за предел частоты. За интеркулером воздух на 15 °C теплее наружного, у атмосферного двигателя на 25 °C. Полная подача подобрана так, чтобы у моря при +20 °C α было 1,75 у турбодизеля и 1,45 у атмосферного. Дерейтинг взят как правило: 3 % на 300 м выше 300 м для атмосферного (NFPA 20, рекомендации MSHA) и условно 2 % на 300 м выше 1500 м для турбодизеля; у реальных двигателей пороги 1500–3000 м и свои карты. Дымность, полнота сгорания и температура выпуска заданы простыми зависимостями от α, их числа ориентировочные. Задержка воспламенения по формуле Харденберга и Хазе при степени сжатия 16 и средней скорости поршня 10 м/с.
Термины в словаре:Октановое число