2.5. Режим охлаждения наддувочного воздуха.

В эксплуатации температуру воздуха в ресивере T_s необходимо поддерживать на определенном уровне, учитывая следующее:

- более глубокое охлаждение наддувочного воздуха, зависящее от температуры забортной воды и характеристик охладителя приводит к увеличению воздушного заряда цилиндра G_в, а значит и мощности N_е при условии постоянства коэффициента избытка воздуха при сгорании, а также к снижению теплонапряженности деталей камеры сгорания;

- при охлаждении воздуха в охладителе возможна конденсация водяного пара, что приводит к коррозии пластинчатых клапанов в ресивере. При попадании конденсата в цилиндр с воздухом снижается мощность двигателя, корродируют детали цилиндро-поршневой группы, затрудняется смазка цилиндра.

Вахтенный механик должен поддерживать температуру воздуха в ресивере на 3-4 ^оС выше температуры точки росы для условий МКО, которая может быть определена по эмпирической формуле (1) измерительными средствами, имеющимися в МКО.

В современных дизелях для увеличения воздушного заряда цилиндра G_в воздух охлаждают ниже температуры конденсации, но ОНВ располагают ниже продувочного ресивера и влагу из него периодически отводят;

- в арктических условиях плавания на некоторых режимах наддувочный воздух необходимо подогревать, так как при низкой его температуре в начале сжатия, понижается и температура конца сжатия, что приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения топлива, к росту максимального давления сгорания, жесткости работы двигателя и, как следствие, к снижению надежности работы деталей и подшипников двигателя;

- на режимах малых нагрузок при работе двигателя на тяжелом топливе наддувочный воздух необходимо подогревать (до 75 ^оС), а режим охлаждения двигателя поддерживать на более высоком уровне (поддерживать температуру охлаждающей воды на выходе из двигателя в пределах 100-105 ^оС). При этом снижается и низкотемпературная коррозия деталей двигателя.

2.6. Процесс сжатия воздушного заряда

В идеальном цикле предполагается адиабатное сжатие рабочего тела, для которого имеем

,

где к₁ – показатель адиабаты (для идеального газа к₁ =1,33 - 1,35).

При этом отсутствуют протечки рабочего тела из цилиндра и отсутствует теплообмен рабочего тела с окружающей средой. Сжатие рабочего тела происходит по адиабате I (рис. 2.11).

В рабочем цикле реального двигателя процесс сжатия протекает с теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра. Имеется также некоторая потеря тепла с протечками рабочего тела через уплотнительные (компрессионные) кольца.

Цель процесса сжатия состоит в повышении температуры заряда цилиндра до уровня, когда обеспечивается самовоспламенение впрыснутого в цилиндр в конце сжатия топлива и в обеспечении перепада температур в цикле с целью повышения термического КПД цикла.

Рис. 2.11. Процесс сжатия в теоретическом I и расчетном П циклах

На процесс сжатия в реальном двигателе влияют:

- переменный двусторонний теплообмен рабочего тела со стенками цилиндра;

- протечки рабочего тела из цилиндра в картер через уплотнительные кольца, особенно в случае их пригорания или износа;

- уменьшение поверхности охлаждения цилиндра по мере приближения поршня к ВМТ;

- испарение впрыснутого топлива в цилиндр при подходе поршня к ВМТ.

Поэтому реальный процесс сжатия является условно политропическим с переменным показателем политропы и изображается в координатах р - V кривой сжатия II (см. рис. 2.11).

Особенность теплообмена при сжатии воздушного заряда состоит в том, что в начале хода сжатия (участок а-1) происходит подогрев рабочего тела за счет подвода тепла к нему от более горячих стенок цилиндра. Поэтому кривая сжатия идет более круто, чем адиабата, т. е. > к₁ (). Затем в некоторый момент (т.1), когда температуры рабочего тела и стенок цилиндра выравниваются, процесс сжатия адиабатный = к₁ . Далее на участке 1-с вследствие продолжающегося сжатия рабочего тела увеличивается отдача тепла от него к стенкам цилиндра и кривая сжатия идет положе адиабаты; к тому же около ВМТ часть тепла рабочего тела затрачивается на испарение впрыснутого топлива < к₁ (). В результате <.

Протечки рабочего тела через уплотнительные кольца в новом двигателе в процессе сжатия невелики, и ими можно пренебречь.

При таких условиях теплообмена процесс сжатия можно представить политропой ас лишь условно, так как показатель политропы сжатия является переменным (от 1,5 до 1,1).

Поэтому для удобства расчета процесса сжатия сделаем допущение: условно принимаем, что процесс сжатия происходит по политропе с условным средним постоянным показателем , который определяется из условия, что работа сжатия в условном процессе с постоянным равна работе сжатия при истинном переменном .

На показатель влияют следующие факторы:

- частота вращения коленчатого вала двигателя, то есть скоростной режим работы; с увеличением показатель политропы сжатия увеличивается;

- размеры цилиндра D и S; с увеличением размеров цилиндра показатель увеличивается; по этой причине пуск малолитражных двигателей затруднен. У таких двигателей более высокая степень сжатия и перед пуском их прогревают;

- нагрузка цилиндра (цикловая подача топлива); с увеличением нагрузки показатель политропы сжатия увеличивается;

- протечки рабочего тела через компрессионные кольца; с увеличением протечек показатель политропы сжатия уменьшается;

- охлаждение двигателя; с интенсификацией охлаждения двигателя показатель политропы сжатия уменьшается. Поэтому перед пуском двигатели прокачивают горячей водой, а на режимах малых нагрузок для обеспечения более высокого значения необходимо поддерживать более высокую температуру охлаждающей воды на выходе из двигателя.

Таким образом, надежность пуска дизеля зависит от

- теплового состояния двигателя;

- состояния компрессионных уплотнительных колец;

- степени сжатия;

- давления пускового воздуха;

- фаз подачи пускового воздуха.

Давление и температура заряда воздуха в конце сжатия определяются по формулам:

;

где - действительная степень сжатия;

- показатель политропы сжатия;

Для определения показателя политропы сжатия сделаем допущение: так как в начале сжатия тепло подводится к заряду воздуха, а в конце – отводится от него, то суммарное количество тепла, сообщенное воздуху в процессе сжатия можно принять равным нулю, то есть процесс сжатия условно можно считать псевдоадиабатическим. Тогда средний показатель политропы сжатия будет равен показателю кажущейся адиабаты.

Показатель политропы сжатия определим из уравнения первого закона термодинамики для процесса сжатия с учетом сделанного допущения

В результате имеем:

, (2)

где = 19,26; =0,0025 – постоянные в выражении теплоемкости для чистого воздуха.

Уравнение (2) решают методом последовательных приближений, принимая в первом приближении =1,37.

При выборе степени сжатия, различают действительную степень сжатия и геометрическую .

Для четырехтактного дизеля

Для двухтактного дизеля

;

Между действительной и геометрической степенями сжатия существует зависимость

Степень сжатия должна быть достаточной для обеспечения устойчивого самовоспламенения топлива относительно холодного двигателя на режимах пуска, то есть при низкой частоте вращения коленчатого вала.

При этих условиях показатель политропы сжатия имеет более низкие значения, (=1,2-1,25), чем при работе на номинальном режиме (1,37). Понижение температуры в конце сжатия из-за низкого компенсируется выбором более высокой степени сжатия.

Для устойчивого самовоспламенения топлива необходимо, чтобы температура воздушного заряда в конце сжатия превышала температуру самовоспламенения топлива на 150-200 К и была не ниже Т_с = 700 – 800 К.

Повышение степени сжатия способствует улучшению пусковых качеств дизеля и повышению его экономичности. Однако, слишком высокая степень сжатия нежелательна из-за того, что при этом повышаются давления p_с и p_z , а это в свою очередь приводит к снижению механического КПД двигателя и повышению механических нагрузок в деталях ЦПГ и подшипниках дизеля.

В современных длинноходных дизелях степень сжатия приближена к максимальному значению (=15 - 16) с точки зрения максимальной экономичности.

В эксплуатации судовых дизелей в целях обеспечения равномерности распределения мощности по цилиндрам Правила технической эксплуатации допускают отклонения давления p_с в отдельных цилиндрах не более чем на 2,5 % от среднего значения p_с по двигателю. При регулировании дизелей это достигается путем выравнивания значений .

Степень сжатия является конструктивным параметром и ее можно менять (если это предусмотрено конструкцией дизеля), изменяя объем камеры сжатия путем либо смены набора красномедных прокладок между мотылевым подшипником и пяткой шатуна, либо между крейцкопфом и штоком, либо между цилиндровой крышкой и втулкой цилиндра.