книги из ГПНТБ / Брук М.А. Инженерные основы эксплуатации корабельных дизелей учебник

В отношении использования топлив из сернистых неф­ тей имеются два противоположных мнения.

1. Глубокая очистка топлив от серы и сернистых"'соединений связана с большими материальными затратами и экономически невыгодна. Поэтому следует применять сернистые топлива и эффективные присадки к ним для уменьшения износа и нагарообразования.

Такая точка зрения высказана в трудах института двигателей АН СССР [27].

Указывается, что стоимость изготовления присадок на единицу веса топлива значительно ниже стоимости его очистки. Применение присадок к топливу и маслу, применение антиизпосных и антикоррозионных покрытий поршней, поршневых колец и втулок цилиндров, повы­ шение технического.уровня эксплуатации рекомендуются как комплекс мер, обеспечивающих возможность работы дизелей на сернистом топливе.

2. Применение сернистых топлив экономически вы­ годно только с учетом затрат на производство топлива, но при этом не учитываются издержки, связанные с увеличением эксплуатационных расходов на ремонт, частую замену деталей, переборки двигателя для очист­ ки от нагара. Не учитываются при этом эффект сниже­ ния надежности и резкое уменьшение срока службы двигателя. Поэтому более целесообразно увеличить се­ бестоимость топлива за счет очистки его от серы и тем самым избавиться от перечисленных выше эксплуата­ ционных недостатков, связанных с использованием сер­ нистого топлива.

Такой подход особенно важен применительно к фор­ сированным высоконапряженным быстроходным ди­ зелям.

В Советском Союзе с каждым годом возрастает про­ изводство малосернистых топлив.

Директивами XXIII съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР предусмат­ ривается довести выпуск дизельного топлива с содержа­ нием серы не более 0,5% до 80% общего объема произ­

водства.

Но и в случае использования малосернистых топлив необходимо учитывать возникающие при этом особен­ ности работы двигателей и принимать меры для обес­ печения нормальных условий эксплуатации.

340

Влияние сернистых топлив на эксплуатационные свойства дизеля

Следует различать воздействие сернистых, включений топлива на топливопроводы и топливную аппаратуру в жидкой фазе и их воздействие в результате сгорания топлива.

Из сернистых соединений наиболее активными с точ­ ки зрения коррозионного воздействия на металл являют­ ся сероводород и меркаптаны, поэтому их содержание в топливе не допускается.

Такие сернистые соединения, как дисульфиды, суль­ фиды и другие высокомолекулярные соединения, счи­ таются неагрессивными и содержание их в топливе не вызывает коррозии топливной системы, т. е. они не опас­ ны при длительном хранении топлива и его транспорти­ ровке.

Однако продукты распада этих соединений при сго­ рании, так же как и все другие соединения серы, вызыва­ ют коррозию. При сгорании топлива, содержащего серу

и сернистые соединения, в продуктах сгорания образуют­ ся S 0 2 и S 0 3.

Наибольшей коррозионной агрессивностью отличает­ ся S 0 3. Хотя переход S 0 2 в S 0 3 изучен недостаточно,

установлено, что с повышением температуры в присут­ ствии катализаторов и при повышенном избытке воздуха

дуктах сгорания резко повышает температуру конденса­ ции водяных паров. Поэтому в зонах пониженных тем­ ператур, где конденсируются водяные пары, образуется серная кислота, вызывающая кислотную коррозию.

На рис. 116 приведены кривые изменения точки росы в зависимости от содержания серы в топливе и количе­ ства серы, прореагировавшей в S 0 3.

Для'случая, когда в топливе содержится 1% серы и вся она переходит в S 0 3, точка росы составляет око­ ло 180° С.

При испытании дизеля ЗД6 на топливе с содержани­ ем серы 0,9—1,25% точка росы продуктов сгорания сос­ тавляла 90—130°С.

341

На дизеле Ч 10 5точка росы составляла при различ­

ной его форсировке 120—155° С.

Вместе с тем у двигателей имеются участки цилинд­ ра, где температура меньше указанных величин точки росы.

Опыты показали, что концентрация H2S 0 4 в конден­ сате зависит также от химической природы и каталити-

Содержанив серы в топ л и ве , %

Рис. 116. Изменение точки росы в зависимости от содержания серы в топливе. Парциальное давление паров воды 65 мм рт. ст., х — часть серы, прореагировавшая в S 0 3

ческих свойств материала, на поверхности которого происходит конденсация. На рис. 117 показана зависи­ мость содержания H2S 0 4 в конденсате от температуры поверхности.

Очевидно, что при различной температуре поверх­ ности выпускного коллектора втулки цилиндра и других деталей будут подвергаться воздействию серной кислоты разной концентрации даже при одинаковом процентном содержании паров H2S 0 4 в продуктах сгорания. В об­ ласти высоких температур, когда конденсация водяных паров и паров H2S 0 4 невозможна, действует главным образом газовая коррозия в результате прямого воз­ действия газообразных продуктов сгорания на детали двигателя.

Интенсивность газовой коррозии возрастает по мере повышения температуры, что соответствует известной за­ висимости скорости химических реакций от температуры.

342

Когда температура снижается ниже точки росы, интенсивность коррозии возрастает за счет конденсации паров воды и образования серной кислоты.

Тем пература п о в е р хн о с ти конденсации1 °С

Рис. 117. Зависимость содержания H2SO4 в конденсате от температуры поверхности. Газы содержат 0,009% H2SO4 по объему.

Точка росы равна 175° С

На рис. 118 показана кривая коррозионного износа деталей при работе дизеля на сернистом топливе в зави­ симости от температуры деталей.

Тем пература

Рис. 118. Зависимость износа деталей дизе­ ля от температуры при работе на сернистом топливе

343

)

Эту кривую можно разделить на три условные об­ ласти.

I. В области сравнительно низких температур усили­ вается кислотная (электрохимическая) коррозия, и поэто­

му снижение температуры вызывает резкий рост износа. II. Вторая область температур соответствует мини­ мальным износам при умеренно высоких температурах, когда газовая коррозия мала, а пары воды не конденси­

руются.

III. При дальнейшем повышении температуры до 300° С возрастает газовая коррозия. Эта зона темпера­ тур характерна для поршня, выпускных клапанов, верх­ ней части втулки цилиндра и поверхности крышки ци­ линдра, омываемой продуктами сгорания.

Таким образом, при одном и том же содержании се­ ры в топливе износ может быть существенно снижен за счет обеспечения оптимального уровня температур де­ талей, что достигается сочетанием режимов нагрузки, охлаждения и смазки двигателя.

При использовании сернистых топлив становятся очевидными преимущества замкнутой системы охлажде­ ния двигателей.

Температура охлаждающей воды на выходе из дви­

гателя в пределах 80—90° С, как правило, обеспечивает оптимальные условия работы при использовании сер­ нистых топлив.

Рассмотренный механизм воздействия сернистого топлива подтверждается также тем обстоятельством, что при пусках холодного двигателя коррозионный износ оказывается значительно большим, чем при пусках пред­ варительно прогретого двигателя. Воздействие сернисто­ го топлива на износ холодного двигателя во время его пуска согласуется с характером кривой износа в первой области, рис. 118.

Чтобы уменьшить износ, необходимо поддерживать температуру охлаждающей воды на номинальном уров­ не независимо от нагрузки и числа оборотов двигателя. Это позволит сохранить оптимальные тепловые условия деталей при минимальном коррозионном износе.

Кроме рассмотренного химического воздействия со­ держащейся в топливе серы, она вызывает усиленное нагарообразование и отложение лаков в верхней части втулки цилиндра, в канавках поршневых колец, на дни­

344

ще поршня, соплах форсунок, клапанах и окнах двух­ тактных двигателей.

С ростом содержания серы в топливе не только уве­ личивается общее количество отложений, но изменяют­ ся их свойства.

Нагар адсорбирует серу, становясь под ее воздейст­ вием более плотным, твердым и трудноудаляемым.

О свойствах нагара при использовании сернистых топлив можно судить по следующим данным.

Увеличение содержания серы в топливе от 0,08% до

свойствами вызывает ускорение абразивного износа де­ талей.

Опыты, проведенные на дизелях М50, ЗД6, 9Д, Д100

и других, показали, что скорость износа зависит при прочих равных условиях от содержания серы в топливе и продолжительности работы двигателя.

Из рассмотрения рис. 119 следует, что особенно ин­ тенсивный рост износа отмечается при содержании серы более чем 0,7-ь 1,0%.

345

Износ, вызываемый сернистым топливом, обусловлен электрохимической коррозией и действием абразивных включений нагара и других углеродистых отложений, попадающих на поверхности втулки цилиндра, поршня и поршневых колец из камеры сгорания.

Испытания, проведенные на Коломенском заводе

им. В. В. Куйбышева [33], показали, что при содержании серы в топливе более 1% втулки цилиндров дизеля 37Д

При испытаниях дизеля 40Д на топливе с содержа­ нием серы 0,95% через 100 ч работы оказывались пов­ режденными притирочные фаски выпускных клапанов, а через 300—400 ч работы клапаны прогорали.

Степень влияния сернистого топлива различна в зави­ симости от форсировки и размеров дизеля. Так, напри­ мер, при содержании серы в топливе свыше 1% выпуск­ ные клапаны 37Д не имели повреждений в течение 2000 ч работы, в то время как клапаны более форси­ рованного дизеля 40Д получали повреждение через

100 ч.

Опытом установлено, что двигатели с большими раз­ мерами цилиндров при прочих равных условиях подвер­ гаются относительно меньшему воздействию сернистой коррозии, чем малогабаритные двигатели.

Содержащаяся в топливе сера оказывает также вли­ яние на качество смазочного масла. Серная кислота, образующаяся в результате сгорания топлива, взаимо­ действует со смазочным маслом в районе верхнего поршневого кольца. С маслом взаимодействуют и дру­ гие сернистые соединения, попадающие вместе с газами в картер. В результате ухудшаются моющие свойства масла, возрастают его коррозионная агрессивность и за­ соренность продуктами износа и углеродистыми отло­ жениями.

Следует учитывать отрицательное влияние серни­ стого топлива на работу топливоподающей аппаратуры.

Сернистое топливо имеет повышенный коэффициент трения и низкие смазывающие свойства. Это может по­ влечь за собой граничное трение плунжера о втулку,

346

результатом чего будет повышенный износ насосной па­ ры. В случае разрыва смазывающей пленки создаются условия возникновения очагов электрохимической кор­ розии.

На игольчатом клапане, работающем в условиях по­ вышенной температуры, может образоваться лаковая пленка, которая часто приводит к зависанию иглы.

Склонность топлива образовывать смолистые отло­ жения на иглах распылителей может оцениваться по толщине лаковых пленок на нерабочей части иглы.

В случае зависания иглы усиление коррозии топлив­ ной аппаратуры происходит под воздействием прорыва­ ющихся из камеры сгорания газов, содержащих SO2, S 0 3 и водяные пары.

Коррозия и истирание поверхностей насосных пар, закоксовывание и износ сопловых отверстий форсунки

приводят к ухудшению качества смесеобразования и не­ полноте сгорания, что, в свою очередь, усиливает воз­ действие сернистых соединений на износ двигателя и снижение его индикаторных и эффективных показате­ лей.

В литературных источниках часто утверждается, что содержание серы в топливе не оказывает влияния на процесс сгорания. Это утверждение можно признать правильным в том случае, если оценивать лишь энергет тическую сторону процесса сгорания, не учитывая влия­ ния серы на эксплуатационные свойства двигателя.

В самом деле, в первое время использования серни­ стого топлива не отмечается заметного отклонения мощ­ ности и экономичности двигателя от нормы, полученной при использовании бессернистого топлива. Однако уже

через несколько десятков часов на показатели работы двигателя начинают все более сказываться ухудшение

качества смесеобразования и сгорания, накопление на­ гара, рост износа и другие последствия воздействия сер­ нистого топлива.

Изменение мощности и экономичности является вто­ ричным следствием прямого воздействия сернистого топлива на износ, нагарообразование, условия работы топливоподающей аппаратуры, т. е. на факторы, от ко­ торых в значительной мере зависят надежность и срок службы двигателя.

347

Эксплуатационными мерами можно значительно уменьшить вредное воздействие сернистого топлива.

Такими мерами являются:

—поддержание высокотемпературного режима ох­ лаждения;

—предварительный прогрев двигателя перед пус­

ком;

—преимущественное использование двигателя на по­ вышенных нагрузках;

—эффективная фильтрация и сепарация топлива и масла;

—систематический контроль за состоянием двига­ теля и тщательный уход за ним во время эксплуатации; своевременное и качественное проведение осмотров и планово-предупредительных ремонтов;

—применение эффективных антикоррозионных и мо­ ющих присадок к смазочным маслам;

—• применение присадок к топливу, позволяющих

интенсифицировать процесс сгорания, снизить нагарообразование и износ, предотвратить коррозию топливо­ подающей аппаратуры.

Эффективным средством предохранения деталей дви­ гателя от воздействия сернистой коррозии и повышения износостойкости является применение предохранитель­ ных покрытий втулок цилиндров и поршневых колец.

Особенности работы дизеля на тяжелых топливах

исмазочном масле

Вобычных условиях эксплуатации запрещается ис­ пользование некондиционных топлив, показатели кото­ рых не соответствуют нормам, установленным ГОСТ. Однако в практике эксплуатации в мирное и военное

время возможны чрезвычайные обстоятельства, вынуж­ дающие применять в качестве топлива смазочное масло, сырую нефть и другие некондиционные тяжелые сорта топлив.

Использование тяжелых, топлив затрудняет осуществ­ ление процессов распыливания, смесеобразования и сгорания главным образом из-за высокой вязкости н плохой испаряемости.

Следствием работы двигателя на тяжелых топливах являются повышенный износ деталей, магарообразование и ухудшение пусковых качеств.

.348

К числу тяжелых топлив относятся, в частности, мо­ торные топлива ДТ-1, ДТ-2 и ДТ-3 (ГОСТ 1667—51).

Вязкость этих топлив при 50° С составляет соответ­ ственно 36, 55 и 66 сст, в то время как вязкость топлива ДС при 50° С не превышает 4 сст.

Вязкость смазочных масел при 50° С составляет в среднем 70 сст (ДП-11), ПО сст (ДП-14), 156 (МС-20)

Рис. 120. Индикаторные диаграммы дизеля 64 30/38:

1 — топливо — ДС; 2 — масло Т

и 180 (МК-22). При столь высоких значениях вязкости затрудняется распыливание, возрастает период задержки самовоспламенения, горение происходит со значитель­ ной неполнотой.

При низких температурах могут происходить перебои подачи топлива во всех или в некоторых цилиндрах.

Исследование процесса сгорания дизеля 64 30/38 в случае применения масла Т (ГОСТ 1519—42) с вяз­ костью более 60 сст показало, что при нормальных уг­ лах опережения подачи топлива самовоспламенение на­ чинается за ВМТ. Максимальное давление цикла в свя­ зи с этим снижается, весь процесс сгорания протекает во время расширения с пониженной эффективностью. На рис. 120 показаны индикаторные диаграммы дизеля 64 30/38 на режиме « = 540 об/мин по винтовой харак­ теристике при использовании топлива. ДС (кривая 1) и масла Т (кривая 2).

Применение тяжелых топлив в дизелях связано с необходимостью осуществления подготовительных мер,

349