Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

80 Судовые двигатели внутреннего сгорания

На рисунке 3.18 показан кадр, снятый скоростной кинокамерой на исследовательском четырехтактном высокооборотном дизеле, показы­ вающий горящие топливные факелы в конце процесса впрыска топли­ ва. Фотография факела, расположенного справа, обработана прибором, который по яркости пламени определяет его температуру.

Значительная часть воздушного заряда в силу неравномерного распределения топлива по объему камеры сгорания и малого времени, отводимого на смесеобразование и сгорание, не участвует в сгорании. Температура воздуха вне топливных факелов существенно ниже (по­ рядка 800-1000° С), чем в зонах горения. Таким образом, в реальном рабочем процессе дизеля имеет место высокая степень неоднороднос­ ти концентраций топливовоздушной смеси и температур по камере сгорания. В связи с этим температура газов и коэффициент избытка воздуха, используемые при расчете рабочих процессов дизелей (в от­ личие от давления газов), являются условными параметрами, усред­ ненными по камере сгорания.

Характер сгорания капель топлива, не успевших сгореть к началу третьей фазы процесса, а также поступивших в камеру сгорания в про­ цессе продолжающегося впрыска, существенно отличается от сгора­ ния во второй фазе. Так как в горящем факеле очень высокие темпера­ туры - в среднем по факелу 2500-2700° (см. рис. 3.18), то процессы прогрева и воспламенения паров многократно сокращаются. Скорость сгорания топлива лимитируется физическими процессами: испарени­ ем капли и взаимодиффузией паров топлива и воздуха вокруг капли. Принято считать, что сгорание топлива в третьей фазе определяется процессами турбулентной диффузии. В связи с сокращением содержа­ ния воздуха в факеле и медленным его притоком в зону горения диф­ фузионное сгорание к концу фазы переходит в догорание топлива с низкими скоростями.

Сокращению процесса догорания топлива способствует органи­ зованное (вихревое) движение воздушного заряда в камере сгорания.

.НМ*'

Поршень

Рис. 3.18. Структура и температурные зоны горящего топливного факела: 1 - t = 2900° С; 2 - t = 2700° С; 3 - t = 2500° С; 4 - t = 2300° С.

где: С - состав (объемная концентрация) /-го компонента ОГ в мг/Нм3; С.ррт- состав (объемная концентрация) /-го компонента ОГ в ррт; ц - молекулярная масса /-го компонента ОГ.

Приведенная выше формула может быть использована наоборот, для перевода концентрации из мг/Нм3 в ррт.

Объемная концентрация вредных веществ в ОГ ДВС не отражает количественно величину их выброса, для этой цели используются сле­ дующие характеристики:

—скорость выделения выбросов Е , кг/ч; - удельный выброс е , г/(кВтч).

Характеристики вредных выбросов, связанных между собой сле­ дующими соотношениями:

Е;

(3-7)

в

где N - эффективная мощность двигателя, кВт.

Для пересчета выбросов из % в г/(кВтч) может быть использована формула:

5,72 • 10 С. {Gs - 0,974G„)

Наиболее объективным показателем для количественной оценки выброса вредных компонентов с ОГ ДВС является удельный выброс, поэтому этот параметр принят как нормативный в международных и национальных стандартах по ограничению выбросов.

В таблице 3.1 в качестве примера приведены результаты измере­ ния составляющих ОГ судового малооборотного дизеля при его работе на номинальной нагрузке. Двигатель работал на тяжелом топливе с содержанием серы 2,25%.

Образование оксидов азота в камере сгорания дизеля обусловлено наличием больших количеств азота, кислорода и высокими температу­ рами в отдельных зонах расслоенного заряда, где смесь приближается по составу к стехиометрической, а локальная температура может дос­ тигать 2500-3000° С (см. рис. 3.18). Установлено, что NOx в дизелях образуется только в период горения топливных факелов (т.е. в течение

2-й и 3-й фаз процесса сгорания, которые составляют 40-50° п.к.в.). При увеличении частоты вращения коленчатого вала время горения факелов обратно пропорционально уменьшается, что приводит к сни­ жению количества образовавшихся NOx. Данный вывод подтверждает­ ся экспериментальными исследованиями.

В паровых котлах и газовых турбинах температуры горения зна­ чительно ниже, поэтому количество NOx в ОГ этих установок практи­ чески на порядок меньше, чем в дизелях. По этой причине в настоящее время ограничение вредных выбросов котлов и газовых турбин не пре­ дусмотрено.

Оксиды азота образуются также из-за наличия азота в топливе. Как показали исследования, азот, содержащийся в топливе, значитель­ но более активен в химических реакциях окисления по сравнению с атмосферным азотом и практически полностью окисляется при сгора­ нии топлива. Содержание азота в тяжелых топливах может достигать 0,15-0,85% по массе, увеличивая выброс NOx на 10-30% при работе дизеля в эксплуатации.

Такие химические вещества, как N О^ СО, SOx и др., попадая в атмосферу, нарушают ее естественный экологический баланс за счет образования слабых кислот.

В таблице 3.2 приведены диапазоны значений выброса вредных компонентов с ОГ дизелей различного класса, указаны их предельно

б*

Глава 4

ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА

Задачи газообмена. Для осуществления рабочего цикла необхо­ димо после завершения процесса расширения удалить из цилиндра продукты сгорания и заполнить его к началу сжатия зарядом свежего воздуха. Эти задачи решаются в процессе газообмена.

П араметры воздуха и газов на выпуске и впуске. Заданную степень форсирования рабочего процесса обусловливает давление наддува р которое представляет собой давление воздуха в ресивере непосредственно перед впускными органами. Давление воздуха Рк, со­ здаваемое наддувочными агрегатами, выше давления p s на значение сопротивления воздухоохладителя Дps = 0,002-0,004 МПа. В свою оче­ редь р к= р длк степень повышения давления в наддувочных агрега­ тах). В двигателе без наддува давление воздуха перед цилиндром опре­ деляется давлением окружающей среды.

Среднее давление газов за цилиндром (в выпускном патрубке) р или р тв двигателях с наддувом находится в прямой зависимости от давления воздуха перед цилиндром (в ресивере) р и сопротивления продувочно-выпускного тракта цилиндра, в основном определяемого сопротивлением продувочно-выпускных окон или клапанов р = где £п- коэффициент потери давления (для 2-тактных дизелей <^п= 0,88- 0,96). Таким образом ,^ всегда должно быть большер т.

В двигателях с выпуском в атмосферу давление р зависит от со­ противлений выпускного трубопровода, утилизационного котла и глу­ шителя шума на выпуске и лежит в пределах абсолютного давления р г = 0,103-0,105 МПа. Такое же давление характеризует условия в вы­ пускном трубопроводе за турбиной в двигателе с газотурбонагнетателем (ГТН).

Температура наддувочного воздуха (за компрессором):

86 Судовые двигатели внутреннего сгорания

где Т - температура наддувочного воздуха, К; жк - — — степень по-

Ро

вышения давления в наддувочных агрегатах; пк— показатель полит­ ропы сжатия воздуха в нагнетателе (для центробежных нагнетателей пк= 1,6-1,8, для поршневых насосов пк= 1,45-1,6).

В современных дизелях t достигает 170-190° С.

Температура воздуха перед цилиндром (в ресивере) ts (после сжа­ тия в наддувочных агрегатах воздух обычно направляется в воздухоох­ ладитель и лишь затем поступает в ресивер)

где t - температура забортной воды на входе в воздухоохладитель, ° С. В двигателях без наддува температура воздуха перед цилиндрами

определяется температурой охлаждающей среды t

1 4*1. Газообмен в четырехтактных дизелях

На газообмен в четырехтактном цикле отводятся два хода порш­ ня. В действительности для более полной очистки цилиндра от про­ дуктов сгорания и лучшего наполнения свежим воздухом с учетом инер­ ционности газовых потоков впускные и выпускные клапаны, как это видно из диаграммы газораспределения (рис. 4.1), приходится откры­ вать раньше, а закрывать позже мертвых точек. В итоге продолжитель­ ность газообмена занимает более двух ходов поршня и состоит из сле­ дующих периодов: свободного выпуска b—b', выпуска b- г ’, продувки г"-г-г', наполнения г а' и дозарядки а'-а.

Для более подробного ознакомления с процессами газообмена рассмотрим рис. 4.2, на котором приведены кривые изменения давле­ ний в цилиндре р , в выпускном патрубке р ти в ресивере р:в функции угла поворота вала. Здесь же нанесены моменты открытия и закрытия клапанов.

Свободный выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана, осуществляемого за 20-50° п.к.в. до прихода поршня в НМТ, поэтому расширение газов в цилиндре заканчивается ранее - в точке Ь. Давление в цилиндре в этот момент равно 0,88 МПа, а давление в вы­ пускном патрубке - 0,16 МПа. Столь значительная разница способ­ ствует тому, что, несмотря на продолжающееся движение поршня вниз, газы с большой скоростью устремляются из цилиндра в выпускной патрубок. Из-за малого объема патрубка и выпускного тракта, по ко­

88 Судовые двигатели внутреннего сгорания

В силу увеличивающегося сопротивления истечению газа из ци­ линдра падение давления в нем в это время замедляется. Изменение массы заключенного в цилиндре газа характеризуется кривой G

Продувка начинается с открытием впускного клапана (ориентиро­ вочно за 30-50° п.к.в. до прихода поршня в ВМТ) - г" и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана (40-70° п.к.в. за ВМТ) - г'. К мо­ менту полного открытия выпускного клапана давление р ц оказывается равным, а затем и ниже давления воздуха в ресивере р г- точка 3, благо­ даря чему он получает возможность поступать в цилиндр, несмотря на продолжающееся движение поршня вверх. Давление в выпускном пат­ рубке еще ниже (рг<р < р ): оставшиеся в камере сжатия газы вытес­ няются воздухом и уходят вместе с ним в выпускной тракт. Падение давления в цилиндре и выпускном патрубке продолжается на протяже­ нии всего периода продувки, и разность давлений p s - р наибольшего значения (4) достигает в то время, когда поршень, двигаясь вниз, приоб­ ретает максимальную скорость. Это способствует еще большему поступ­ лению воздуха в камеру сжатия и ее продувке. Благодаря продувке обес­ печивается возможность заполнения воздухом не только объема цилин­ дра, описываемого ходом поршня, но и объема камеры сжатия. Наличие периода продувки способствует также снижению температур стенок ка­ меры, выпускного клапана и его седла, температуры выпускных газов, а это положительно сказывается на ресурсе газовой турбины.

Поэтому в двигателях с высоким наддувом, где проблема теплонапряженности особенно остра, идут на увеличение фазы перекрытия клапанов: в отдельных двигателях она достигает 150° п.к.в.

Наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха фактически начи­ нается вблизи ВМТ и вначале, до закрытия выпускного клапана - г', протекает одновременно с продувкой. Окончание наполнения совпада­ ет с приходом поршня в НМТ.

После закрытия выпускного клапана значение и характер измене­ ния давления в выпускном тракте несущественны. Не оказывает влия­ ния и то обстоятельство, что к патрубку в этот момент подходит волна давления (5), возникшая благодаря начавшемуся свободному выпуску и появлению импульса давления в цилиндре, объединенном с рассмат­ риваемым общим выпускным трактом.

К окончанию наполнения давление в цилиндре p v поднимается и достигает значения р .

Дозарядка продолжается от НМТ, и, хотя поршень пошел вверх, воздух продолжает поступать в цилиндр через открытый клапан вслед­ ствие отсасывающего действия столба воздуха, движущегося по инер­

ции по впускному тракту, а также вследствие существования положи­ тельной разности р - р^.

Впоследней фазе дозарядки из-за движения поршня вверх дав­ ление в цилиндре р начинает расти, несмотря на все еще открытый впускной клапан. Здесь сказывается дросселирование воздуха в умень­ шающейся щели под клапаном (поскольку он уже начал закрываться).

Сзакрытием впускного клапана (а) дозарядка и газообмен завершают­ ся. Общая продолжительность газообмена четырехтактного двигателя составляет 400-500° п.к.в.

Вряде конструкций современных двигателей с высокой степенью наддува впускной клапан закрывается не за 40-50° за НМТ (см. рис.

4.1), а в целях увеличения степени сжатия в цилиндре закрытие клапа­ на осуществляется в зоне НМТ (см. рис. 4.3). Это должно привести к уменьшению продолжительности впуска и отрицательно сказаться на величине заряда воздуха, но благодаря высокому давлению наддува и в связи с малыми подачами топлива на малых нагрузках

§ 4*2. Газообмен в двухтактных дизелях

§ 4*2.1. Организация процессов газообмена

Особенности осуществления процессов очистки и наполнения цилиндров двухтактных двигателей сводятся к следующему:

►процессы газообмена происходят лишь в конце рабочего хода поршня и в начале хода сжатия, занимая всего 140-150° п.к.в. (рис. 4.4а);