СДВС для студентов ЗСМ / Судовые двигатели внутреннего сгорания

pa, высота которых составляет около 10—20 % хода поршня; выпускные клапаны 2 размещены в крышке цилиндра с приводом от распределительного вала, частота вращения которого такая же, как у коленчатого вала двигателя; продувочный насос (компрессор) 3 нагнетает воздух под давлением в ресивер 4 для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения его свежим зарядом.

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следующим образом. Первый такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ.

1

НМТ

Рис. 6. Диаграммы двухтактного дизеля: а—круговая; б —инди- каторная.

В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом (линия 2а, рис. 6,6). Конец продувки (точка а) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных дизелях несколько выше атмосферного и зависит отдавления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10—30° ПКВ до ВМТ (точка 5), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо (рис. 6,а).

Следовательно, в течение первого такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка, наполнение цилиндра и сжатие.

Второй такт соответствует ходу поршня от ВМТ к НМТ. В цилиндре произошло сгорание топлива (линия cz4y рис. 6,6) и начался процесс расширения (линия z4b), т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам (точка 5) открываются выпускные клапаны (точка Ь) в крышке цилиндра, и. продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок (свободный выпуск); при этом давление в цилиндре резко падает (участок Ь5-—1, рис. 6,6).

20

Гл а в а III. ТОПЛИВО

ИСМАЗОЧНЫЕ МАСЛА ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Физико-химические свойства топлива

Основным топливом для дизелей служат продукты перегонки

Нефтепродукты обладают высокой теплотой сгорания, удобны для транспортировки и хранения на судах. Их основными недостатками являются: относительно высокая стоимость (особенно легкого топлива), невозможность тушения горящей нефти струей воды, содержание в тяжелом топливе серы (до 5 % ) , а также необходимость подогрева.

Нефть состоит из различных углеводородов (алканов, циклоалканов, ароматиков и их гибридов) и соединений, содержащих кроме углерода и водорода кислород, серу и азот. Элементарный массовый состав топлива нефтяного происхождения: углерод — 83—87 %, водород— 12—14 %, сера — 0,1—5 %, кислород— 0,1 —1,0 %, азот — 0,1—0,2 %. При расчетах рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания обычно исходят из ус-

лива составляет QH = 42,3 -т- 42,5 МДж/кг.

Топливо, используемое в судовых дизелях, должно не только беспрерывно протекать по трубопроводам, но и иметь относительно небольшой период задержки самовоспламенения, обеспечивать легкий и надежный запуск двигателя, плавное нарастание давления, полное сгорание, отсутствие нагаров и отложений в камере сгорания, коррозии в цилиндре двигателя и топливной аппаратуре.

знать его основные характеристики. Характеристиками топлива называют эксплуатационные свойства топлива, определяющие процессы его подачи, смесеобразования и сгорания, способность вызывать или уменьшать нагарообразование на деталях дизеля, предотвращать их износ либо ускорять его.

22

К основным характеристикам топлива относятся вязкость, плотность, фракционный состав, воспламеняемость, температура застывания, температуры: вспышки, воспламенения и самовоспламенения, элементарный химический состав, теплота сгорания, коксуемость, зольность, кислотность, содержание механических примесей и воды.

Вязкость топлива определяет качество его распыливания, характер и дальнобойность топливной струи, текучесть топлива по трубопроводам и т. д. Под вязкостью (или внутренним трением) подразумевают свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц под действием внешней силы.

Для оценки величины силы трения в жидкости используют динамические, кинематические и условные единицы вязкости. За единицу динамической вязкости принят Пуаз (П), кинемати-

дукта через калиброванное отверстие специального прибора ви-

свыше 5°ВУ требуется его подогрев в расходных цистернах, способствующий улучшению процессов отстаивания, фильтрации и распыливания. Температура подогрева для моторных топлив

Показателем пожарной опасности при хранении топлива на судах служит его температура вспышки.

Температура вспышки — минимальная температура, при которой смесь паров топлива и воздуха (нагреваемая в стандартных условиях) вспыхивает при поднесении к ней пламени. Температура вспышки характеризует наличие в топливе легких фракций. Она определяется по методу Мартене — Пенского при нагревании топлива в закрытом тигле.

Принадлежность топлива к легким или тяжелым сортам можно установить по его плотности. Под плотностью понимают отношение плотности топлива при 20 °С к плотности дистиллированной воды при 4°С. Плотность дизельного топлива равна 0,83—0,86, моторного 0,90—0,91, мазутов 0,95—0,98. При большой плотности топливо может содержать значительное количество трудносжигаемых остатков переработки нефти, плохо сгорает, оставляя нагар и отложения.

При запуске холодного дизеля большое значение имеет склонность топлива к испарению. Испаряемость топлива определяет период задержки его самовоспламенения в цилиндре дизеля, что особенно важно для ВОД, у которых на смесеобразование, подготовку топлива к сгоранию и сгорание отводится очень мало

23

9

времени. О склонности топлива к испарению судят по его фракционному составу, который оценивают по фракционной разгонке.

Различные нефтепродукты имеют разный характер кривых выкипания. Высококачественное топливо имеет узкий диапазон фракций. Например, для ВОД рекомендуют топливо, состоящее из фракций, выкипающих при 200—350°С. Широкий фракционный состав вызывает ухудшение качества распыливания, испарения и смесеобразования. Утяжеление фракционного состава снижает скорость испарения топлива, что приводит к неполноте сгорания и дымлению. Наличие фракций, кипящих при температуре выше 350°С, приводит к возрастанию периода задержки самовоспламенения и снижению интенсивности сгорания.

Низкотемпературные свойства топлива характеризует температура застывания. Это — температура, при которой топливо теряет подвижность, поэтому становятся невозможными подача топлива по трубопроводам, запуск и работа дизеля. Температура застывания дизельного топлива для МОД лежит в пределах от —5 до + 5 , для ВОД от —10 до —60°С. Тяжелые сорта топлива имеют повышенную температуру застывания и поэтому требуют для транспортировки по трубопроводам подогрева. Заметные нарушения в работе топливной системы возможны при температуре более высокой, чем температура застывания. При эксплуатации дизелей важно знать температуру помутнения топлива (на 5—10°С выше температуры застывания). При этой температуре возможно засорение сеток фильтров и срыв подачи топлива из-за выделения из топлива кристаллов твердого парафина.

О склонности топлива к самовоспламенению при повышении температуры судят по температуре воспламенения, самовоспламенения и цетановому числу.

Температура воспламенения — это температура, при которой топливо воспламеняется и горит не менее 5с в присутствии открытого огня. Температура самовоспламенения соответствует

сравнению с дизельным 400—450 °С при атмосферном давлении).

Цетановое число топлива зависит от его химического состава и определяет продолжительность периода задержки воспламенения, т. е. временной интервал т между моментом достижения температуры самовоспламенения и моментом фактического самовоспламенения рабочей смеси, измеряемый в миллисекундах.

Цетановое число (ЦЧ) изменяется от 0 до 100. С ростом ЦЧ сокращается время задержки т. Наиболее резко т уменьшается при изменении ЦЧ до значения, равного 55 (т = 4ms). Дальнейшее увеличение ЦЧ (более 60) может вызвать ухудшение

24

процесса сгорания, так как воспламенение с чрезвычайно малым т уменьшает скорость и полноту сгорания топлива. Последнее приводит к росту расхода топлива и снижению экономичности двигателя. Рекомендуемые значения ЦЧ для тяжелого и моторного топлива 25—40, для дизельного 40—60.

О качестве используемого топлива судят по теплоте сгорания Q. Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или единицы объема топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания QB, кроме теплоты, выделившейся непосредственно при сгорании, учитывает также теплоту, которая выделяется при конденсации паров воды, содержащейся в топливе и образовавшейся при сгорании водорода. Температура выпускаемых газов дизеля выше температуры конденсации паров воды. Следовательно, водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, уносят с собой теплоту парообразования (конденсации). В связи с этим при расчетах рабочего процесса следует исходить из низшей теплоты сгорания QH (без учета теплоты конденсации водяных паров). В первом приближении QH МОЖНО определить по формуле Д. И. Менделеева:

4-42,7 МДж/кг, среднее значение QH = 41,9 МДж/кг. Значительное влияйие на состояние деталей цилиндропоршне-

вой группы (ЦПГ) оказывают такие характеристики топлива, как коксуемость, зольность, кислотность, наличие серы, воды и механических примесей.

Коксуемость — свойство топлива создавать твердый углеродистый осадок (нагар) на поверхности деталей камеры сгорания в условиях нагрева без доступа воздуха. Дистиллятные топлива имеют коксуемость 0,1 %, моторные 3—4 %, тяжелые до 10—

14%.

Зола, получающаяся при сгорании топлива, представляет собой те минеральные вещества, которые содержались в топливе в растворенном состоянии в виде солей. Вместе с коксовыми отложениями зола способствует абразивному износу деталей ЦПГ и засорению форсунок. Наиболее вредными зольными элементами, вызывающими коррозию деталей ЦПГ, являются пятиокись ванадия и окись железа. Предельные значения содержания золы для дизельных топлив 0,02 %, моторных 0,08 %, высоковязких 0,15 %.

Кислотность топлива характеризует наличие в нем органических кислот, образующихся в результате окисления топлива кис-

25

лородом воздуха. Повышенная кислотность влияет на износ топливной аппаратуры и деталей дизеля. По ГОСТ 4749—75 кислотное число дизельных топлив не должно превышать 5 мг КОН на 100 мл топлива. Наличие водорастворимых кислот, вызывающих коррозию, в топливе не допускается.

Сера является весьма вредным компонентом топлива. В зоне высоких температур, где возможно непосредственное воздействие окислов серы на металл, она вызывает газовую коррозию. В зоне пониженных температур, где возможна конденсация водяных паров и образование сернистой и серной кислот, — кислотную коррозию. Механическое воздействие серы проявляется в виде абразивного износа, который усиливается, так как продукты конденсации сернистых соединений, концентрируясь в нагарах и отложениях, делают их более твердыми.

Механические примеси (металлические частицы, песок, глина, окалина и т. д.) попадают в топливо при переработке нефти, транспортировке и хранении. Они способствуют повышенному износу деталей ЦПГ и топливной аппаратуры, загрязнению фильтров, засорению форсунок и т. д. Количество механических примесей в моторном топливе не должно быть более 0,2 %, в мазуте — до 1 %.

Появление воды в топливе связано с технологическими процессами переработки нефти, условиями хранения и подогрева топлива. Повышенное содержание воды снижает теплоту сгорания, ухудшает процесс горения. Содержание воды в топливе для МОД не должно быть более 1 %, для ВОД наличие воды в топливе недопустимо.

*

§ 8. Виды топлив, применяемых в судовых двигателях

и их основные характеристики

Топливо, используемое в СДУ, делят на дистиллятное и тяжелое. К группе дистиллятных относятся дизельные топлива, которые получают как прямой перегонкой нефти, так и ее крекингом. Эти топлива выпускают в соответствии с ГОСТ 4749—73 и 305—73. Первое предназначено для использования в ВОД (марки топлив ДА, ДЗ, ДЛ и ДС), второе может служить заменителем первого (марки А, 3, Л, С). К группе отечественных тяжелых топлив относятся моторные топлива ДТ и ДМ, флотские мазуты Ф5 и Ф12, а также экспортный мазут. Моторное топливо ДТ (ГОСТ 1667—68) и флотские мазуты Ф5 и Ф12 (ГОСТ 10882—63) относятся к топливам средней вязкости и используются для МОД и СОД Топливо марки ДМ (ГОСТ 1667— 68) и экспортный мазут (МРТУ 12М 41—63) предназначены для МОД и требуют предварительного подогрева и тщательной очистки перед подачей в цилиндры дизеля, а также применения

26

присадок (OCT 31.8003—78) к топливу и специальных цилиндровых масел (для снижения нагарообразования и износа).

В отечественном флоте наибольшее применение находят дистиллятные сорта дизельного топлива. Однако в последние годы наблюдается тенденция замены относительно дорогого дизельного более дешевыми сернистыми тяжелыми сортами топлива.

§ 9, Смазочные масла, применяемые в судовых двигателях

Масла используют для смазки и охлаждения различных деталей дизеля. В зависимости от условий, в которых они находятся в двигателе, различают циркуляционные и цилиндровые масла.

Циркуляционные масла должны обладать антикоррозийными свойствами: вязкостью, обеспечивающей высокую прочность масляной пленки, и в то же время достаточной жидкотекучестью для охлаждения смазываемых поверхностей; стойкостью к образованию эмульсий и окисляющему действию кислорода воздуха в условиях высоких температур; способностью размягчать твердые отложения на поверхностях трения, удалять их, переводя во взвешенное состояние.

Цилиндровые масла должны создавать на рабочих поверхностях цилиндров масляную пленку, до минимума снижающую трение между втулкой и кольцами и их износ; иметь способность к нейтрализации коррозионного действия продуктов сгорания сернистого топлива на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ); противостоять образованию стойких эмульсий и выпадению присадок при попадании в масло воды; сохранять стабильность свойств при хранении в интервале температур от —20 до 60 °С. Эти масла называются моторными. Марка моторного масла начинается с М. Затем следует число, указывающее вязкость в сантистоксах (сСт) при 100 °С, и буква, обозначающая группу масла по эксплуатационным характеристикам.

Отечественная промышленность выпускает шесть групп (А, Б, В, Г, Д, Е) масел (ГОСТ 17479—72) для различных условий работы в двигателе, причем каждая группа включает в себя несколько марок масел, различающихся вязкостью.

Масла группы А содержат небольшое количество антиокислительной присадки. Они предназначены для слабонапряженных двигателей, работающих на малосернистом топливе. В маслах группы Б содержание присадок доведено до 3—4%. Они используются для маломощных слабонапряженных двигателей, работающих на топливе, содержащем 0,2—0,5 % серы. Масла группы В имеют 4—7 % композиций присадок и применяются для дизелей, использующих топливо, в котором содержание серы до 1 %. Для форсированных двигателей всех назначений, рабо-

27

тающих на сернистом топливе (содержание серы до 1 %)", рекомендуются масла группы Г, в состав которых входят 7—10% композиций присадок. Высокофорсированные дизели с высокой степенью наддува, работающие на топливе с содержанием серы до 1,5 %, используют масла группы Д, в которых 18—20 % присадок. Масла группы Е служат для смазки цилиндров крупных МОД с наддувом, работающих на тяжелом сернистом топливе, а также для смазки свободнопоршневых генераторов газа. Содержание присадок в этих маслах достигает 25 % и более.

Наиболее широко для смазки судовых дизелей используют малощелочные масла М12В и М12Г (для ВОД), среднещелочные М16Д — для смазки цилиндров мощных дизелей, работающих на малосернистом топливе (серы до 1 %); высокощелочные М16Е30, М16Е60 — для смазки цилиндров мощных дизелей, работающих на сернистом топливе.

Присадки, используемые в маслах, улучшают их физико-хи- мические характеристики. Они могут быть как многофункциональными, так и направленного действия, например: вязкостные, антиокислительные, нейтрализующие, моющие, противоизносные, антипенные, понижающие температуру застывания (депрессаторы) и т. д. Присадки должны сохранять стабильность при изменении температур и давлений в масляной системе, хорошо растворяться в масле, сохранять свои свойства при длительном хранении.

Основные характеристики масел аналогичны (за некоторым исключением) характеристикам топлива (см. § 7). К ним относятся: вязкость, коксуемость, зольность, температура вспышки, температура застывания, содержание механических примесей, содержание воды, кислотное и щелочное числа, содержание водорастворимых кислот и щелочей, коррозионность, термоокислительная стабильность, стойкость при хранении.

Вязкость масла должна обеспечивать надежную смазку и минимальный износ трущихся поверхностей при всех эксплуатационных режимах. Очень низкие температуры вспышки и воспламенения характеризуют огнеопасность масел и указывают на наличие в них случайных примесей, главным образом — топлива. Температура застывания определяет поведение масла при низких температурах, прокачиваемость трубопроводов, величину трения в момент пуска дизеля. Содержание золы в маслах должно быть минимальным. Значительное количество золы указывает на плохую очистку масел, на наличие в них различных солей и минеральных механических примесей. Механические примеси и вода, находящиеся в масле, приводят к повышенному износу и интенсивному нагарообразованию на деталях дизеля. Свободные органические кислоты, входящие в состав масла и определяющие его кислотность, вызывают коррозию металлов, особенно цветных.

Кислотное число рассматривается как основной показатель коррозионной агрессивности масла по отношению к металлам.

28