Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

Судовые двигатели внутреннего сгорания

Переход к электронному уп­ равлению обеспечил возможность управлять фазами и законом пода­ чи топлива в весьма широких пре­ делах в условиях эксплуатации пу­ тем соответствующего выбора про­ граммы электронного управления.

В качестве примера на рис. 3.9 показаны два варианта подачи топ­ лива в дизелях «МАН-Бурмейстер и Вайн» серии ME. В первом (рис. 3.9а) осуществлен однофазный впрыск с постоянным давлением нагнетания, обеспечивающий вы­ сокий КПД рабочего цикла.

При выборе программы двой­ ного впрыска (рис. 3.96) до ВМТ подается первая, небольшая пор­ ция топлива, которая воспламеня­ ется и обеспечивает воспламене­ ние второй (основной) доли цик­ ловой подачи, подаваемой позже обычного. Это обеспечивает сни­ жение образования оксидов азота при некотором ухудшении КПД рабочего цикла.

Наиболее «гибкое» управление процессом впрыска реализовано в аккумуляторных системах топливоподачи малооборотных дизелей «Зульцер» серии RT-flex, получивших наименование common rail (рис. 3.10).

Напомним, что подача топлива в каждый цилиндр в этих дизелях осуществляется тремя форсунками с отдельным каналом электронно­ го управления каждой. Это позволяет реализовать различные законы подачи, задавая отдельно фазы и величину цикловой подачи каждой из трех форсунок.

В процессе впрыскивания в начале подачи в нагнетательном тру­ бопроводе перед форсункой давление резко поднимается, достигая максимума, близкого к давлению в аккумуляторе р . Величина этого максимума остается неизменной при различных нагрузках. Основной впрыск топлива осуществляется при постоянном давлениир которое

равления впрыском, разработанный фирмой «Вяртсиля» (WECS-9520), на малых нагрузках отключает одну или две форсунки из трех. Это позволяет избежать дымности выпуска и снижает расход топлива. Впрыск топлива одной форсункой увеличивает подаваемую ей долю g , это улучшает качество распыливания топлива. При работе одной форсунки детали камеры сгорания нагреваются неравномерно, что при­ водит к росту температурных напряжений. Для предотвращения этого подача топлива через 20 мин передается второй форсунке, затем - тре­ тьей, далее снова первой, и цикл повторяется.

§3*2. Смесеобразование

Вотличие от карбюраторных двигателей, где смесь топлива и воз­ духа осуществляется в карбюраторе, за пределами рабочего цилиндра двигателя, в дизелях сжимается чистый воздух, и смесь топливо-воз­ дух образуется в камере сгорания при впрыске в нее, топлива. Малое пространство и весьма малое время впрыска (менее 20° п.к.в.) дли­ тельное время ограничивали возможности конструкторов, и к обще­ принятому сегодня непосредственному впрыску топлива шли доволь­ но длительное время. Еще Р. Дизель пытался вводить в камеру сгора­ ния топливо, распыленное с помощью насоса; однако его устремления при создании топливного насоса потерпели неудачу. В 1913 г. он писал: «Сконструировать насос на такую незначительную подачу за столь

короткий промежуток времени и на очень высокое давление представ­ ляет почти непреодолимые затруднения и кажется невозможным». После длительных напрасных усилий Р. Дизель прекратил эти опыты и в своем дневнике пришел к заключению, что «непосредственное впрыс­ кивание топлива в цилиндр невозможно».

С тех пор не прекращались попытки вводить топливо непосред­ ственно в камеру сгорания и обеспечивать в ней совершенное смесеоб­ разование, при котором каждая мелкая частица топлива была бы обес­ печена соответствующим для ее сгорания количеством воздуха и смесь топливо-воздух равномерно распределялась по объему камеры. Труд­ ности реализации этого требования с использованием ТНВД и форсу­ нок привели к производству двигателей с компрессорным распыливанием топлива, при котором в форсунку вводились сжатый до 60 бар воздух и топливо, сжатое в насосе до 60 бар. Воздуху в форсунке при­ давалось вращательное движение, и он, захватывая топливо, вместе с ним впрыскивался в цилиндр. Двигатели оборудовались мощными ком­ прессорами, обычно встраиваемыми в один ряд с рабочими цилиндра­ ми, и это существенно усложняло и удорожало их производство и экс­ плуатацию.

Двигатели малой размерности в целях облегчения воспламенения и смесеобразования оборудовались калоризаторами, представлявши­ ми собой чугунный колпак, прикрепляемый шпильками к верхней плос­ кости крышки. Колпак был неохлаждаемым, более того, перед пуском подогревался внешней горелкой. Топливо впрыскивалось внутрь кол­ пака и при соприкосновении с горячими стенками испарялось и вос­

пламенялось. Поскольку возду­ ха в колпаке (калоризаторе) было недостаточно, последую­ щее сгорание происходило в ос­ новной камере, куда топливо с горящими газами врывалось с большой скоростью и благода­ ря этому хорошо перемешива­ лось с находящимся в ней воз­ духом.

Дальнейшее развитие идеи применения предварительного сгорания топлива в дополни­ тельной камере и использования высоких скоростей истечения

газов совместно с несгоревшим топливом в основную камеру сгора­ ния, где оно хорошо перемешивалось с находившимся там воздухом, использовалось в двигателях с предкамерным смесеобразованием

(см. рис. 3.11).

Для того чтобы исключить потерю времени на подготовку топли­ ва к самовоспламенению (температуры в предкамере довольно низ­ кие) в высокооборотных двигателях, в камеру вставляют свечи накала, от которых топливо воспламеняется. Использование предкамер, как и остальных видов разделенных камер, позволяет обеспечить сгорание при меньших значениях коэффициента избытка воздуха. Качество сме­ сеобразования меньше зависит от качества распыливания топлива, так как оно в основном определяется интенсификацией движения газов и воздушного заряда - отсюда меньше требования, предъявляемые к топ­ ливной аппаратуре, - достаточно давление впрыскивания до 200 бар. Недостаток предкамер - большие потери тепла в охлаждающую воду.

Наряду с предкамерным смесеобразованием в быстроходных дви­ гателях, а именно в них в силу малого времени, отводимого на смесе­ образование, до сих пор еще идут по пути использования разделенных камер, применяются вихревые камеры (рис. 3.12), камеры в поршне (рис. 3.13).

Вихревая камера (ее объем - 60% V ) на такте сжатия заполняется воздухом, и он внутри камеры приобретает вращательное движение. Топливо впрыскивается во вращающийся поток, и благодаря этому обес­ печивается хорошее смесеобразование. В камерах в поршне также ис­ пользуется вращающийся поток в поршне, создаваемый в головке на

использования в двигателях дополнительных камер и даже в высоко­ оборотных двигателях перейти на непосредственный впрыск топлива.

Распыливание топлива форсункой зависит от физических свойств топлива, скорости топлива, приобретаемой в отверстиях распылителя форсунки, плотности воздуха в камере сжатия и пр.

Суменьшением вязкости и сил поверхностного натяжения топли­ ва момент начала распада струи наступает раньше, струя дробится на меньшие капли.

Вывод —следите за вязкостью топлива, не допускайте ее повы­ шения сверх 10-12 сСт.

Сувеличением сопротивления (давления) воздуха распад струи начинается раньше, угол конуса струи увеличивается и длина сокра­ щается. С уменьшением диаметра сопловых отверстий скорость исте­ чения топлива увеличивается, благодаря удару струи о плотную среду воздуха с поверхности струи отделяются мельчайшие капли, струя те­ ряет резко очерченный контур и начинает распадаться на мельчайшие струйки, которые в свою очередь распадаются на мелкие капли.

Вывод —следите за диаметром сопловых отверстий, которые благодаря эрозии с течением времени увеличиваются в диаметре. Не используйте распылители, диаметр которых увеличился сверх 10% от номинального размера.

§3.3. Самовоспламенение и сгорание

топлива

Сгорание топлива в дизелях представляет собой процесс окисле­ ния молекул углеводородного топлива кислородом воздуха с выделе­ нием теплоты. Химическим процессам окисления топлива предшеству­ ют физические: прогрев капель топлива от воздуха в камере сгорания и их испарение. Вследствие малых размеров капель распыленного топ­ лива (средний диаметр капель dk = 20—40 мкм) в факеле и высокой температуры воздуха в камере сгорания (более 500° С), эти процессы для каждой образующейся при впрыске капли топлива составляют очень короткий временной интервал (менее 1 мс). Установлено, что процессу самовоспламенения топлива предшествуют также подготовительные химические процессы - распад молекул и образование промежуточ­ ных продуктов предпламенного окисления. Физико-Химическая под­ готовка топлива к сгоранию приводит к запаздыванию начала выделе­ ния тепла в цилиндре относительно начала подачи топлива форсункой.

фины и олефи'ны); 2 - углеводороды с кольцеобразной структурой со­ единения атомов углерода в молекуле (ароматики). Структуры простей­ ших молекул углеводородов представлены на рис. 3.17.

Углеводороды первой группы обладают наименее прочной связью углеродных атомов, поэтому легко самовоспламеняются в дизеле. Аро­ матические углеводороды (2-я группа) отличаются большой прочнос­ тью молекулы, поэтому их способность к самовоспламенению мала.

Оценка способности топлив к самовоспламенению в дизеле осу­ ществляется по его цетановому числу (в дальнейшем —ЦЧ), смысл которого заключается в следующем. Если взять в разных пропорциях два чистых углеводорода первой и второй групп и провести испытание на двигателе их различных смесей, то период задержки самовоспламе­ нения будет тем больше, чем больше в смеси ароматиков.

В качестве эталона наилучшей воспламеняемости принят углево­ дород цетан (ClgH32), ему присвоено ЦЧ = 100; в качестве эталона наи­ худшей воспламеняемости принят ароматический углеводород а-ме- тилнафталин (С/0Н ?СН3), для которого ЦЧ = 0.

Цетановое число смеси этих двух углеводородов определяется до­ лей цетана в смеси. Очевидно, чем больше цетановое число топлива, тем оно лучше воспламеняется в дизеле, и наоборот. Цетановые числа легких маловязких дизельных топлив определяются на специальной ла­

бораторной дизельной установке (ИТ9-ЗД) путем сравнения их вос­ пламеняемости с эталонными смесями цетана и а-метилнафталина.

Значения ЦЧ дизельных топлив составляют 50—60. Способность к самовоспламенению у тяжелых высоковязких топлив (мазутов) ниже (их ЦЧ = 30—35) из-за большого содержания в них ароматических угле­ водородов. Для этих топлив оценка ЦЧ проводится косвенными мето­ дами, так как из-за их высокой вязкости лабораторная установка не может использоваться.

Период задержки самовоспламенения принято считать первой фазой процесса сгорания топлива. В обобщенном виде зависимость задержки самовоспламенения топлива в дизеле можно выразить сле­ дующим образом:

<Р, =fiP, Т, ЦЧ, п),

где р ,Т - давление и температура воздуха в камере сгорания в момент начала подачи топлива форсункой.

Экспериментально установлено, что-(р. нелинейно зависит от дав­ ления, температуры и ЦЧ. Увеличение давления, температуры, ЦЧ при­ водит к сокращению (р и наоборот. С частотой вращения (р. связан прямо пропорционально, поэтому повышение оборотов двигателя при­ водит к его возрастанию.

На величину (р. влияют и другие факторы, например, конструкция и температура стенок камеры сгорания, движение воздушного заряда и др. Этим объясняется различие величин (р. в двигателях различного конструктивного исполнения даже при одинаковых значениях пара­ метров р, Т, ЦЧ, п. В зависимости от сочетания перечисленных факто­ ров период задержки самовоспламенения в судовых дизелях составля­ ет: МОД - 3 -ь 6° п.к.в.; СОД -5-4-15° п.к.в. В высокооборотных дизе­ лях (р. может достигать 20 и более град, п.к.в.

Вторая фаза процесса сгорания —фаза быстрого сгорания топ­ лива - начинается в точке НВС и завершается в момент достижения максимального давления газов в цилиндре (точка z на рис. 3.16) К на­ чалу сгорания в цилиндр подана часть цикловой подачи топлива g , которая зависит от величины (р. (при однофазном впрыске связь между ними примерно пропорциональная). Большая часть g к моменту са­ мовоспламенения подготовлена к сгоранию: испарилась, пары топлива смешались с воздухом, в топливовоздушной смеси образовались хи­ мически активные части молекул - радикалы.

Экспериментальные исследования показали, что первые очаги пламени возникают в тех зонах факела распыленного топлива, где кон­ центрация паров топлива в воздухе близка к стехиометрической (т.е.

локальный коэффициент избытка воздуха близок к единице). Посколь­ ку таких зон в каждом факеле много и число факелов равно числу отверстий в распылителе форсунки, то самовоспламенение топлива в дизеле носит многоочаговый характер.

Сгорание подготовленной топливовоздушной смеси протекает по законам химической кинетики с очень высокой скоростью, намного превышающей скорость физических процессов подготовки топлива к сгоранию в факеле - испарения капель и взаимодиффузии паров топ­ лива и воздуха. Поэтому горючая смесь, подготовленная за период за­ держки самовоспламенения, выгорает в течение 10-20° п.к.в., опреде­ ляя продолжительность фазы быстрого сгорания топлива.

Интенсивность сгорания во второй фазе оценивают средней ско­ ростью нарастания давления при сгорании - w , которая определяет­ ся как отношение приращения давления от момента НВС до точки z к продолжительности второй фазы в ° п.к.в., а также степенью повыше­ ния давления газов в цилиндре X' - p j p , которые называют показате­ лями динамичности рабочего цикла. Величину w определяют по ин­ дикаторной диаграмме (см. рис. 3.16):

_ A p _ p z - p mc

<3-5>

Величина w показывает, на сколько бар повышается давление при повороте коленчатого вала на 1 градус в среднем за фазу быстрого сгорания. Чем ее величина больше, тем «жестче» процесс сгорания.

становится жесткой, появляются стуки в цилиндре, увеличивается из­ нос деталей.

Очевидно, что динамические показатели связаны с величиной (р.: чем он больше, тем больше будет g тем большая доля цикловой пода­ чи сгорит во второй фазе, тем выше будут значения А' и w , и наоборот.

Третья фаза процесса сгорания длится от момента достиженияр_

вцилиндре до полного выгорания топлива (точкау на рис. 3.16). В от­ личие от точек НВС и z, момент окончания сгорания топлива по инди­ каторной диаграмме точно определить невозможно. Расчетными мето­ дами с использованием экспериментальных диаграмм установлено, что

всудовых МОД и СОД продолжительность третьей фазы составляет 30-40° п.к.в. Подача топлива, как правило, в начале третьей фазы про­ цесса сгорания еще продолжается, и в камере сгорания располагаются горящие топливные факелы, достигшие своего максимального размера.