Воробьев_Теория судовых двигателей

ЛЕКЦИЯ 6 ТОПЛИВО, ПРИМЕНЯЕМОЕ В СДВС

6.1.Физико-химические свойства топлива для дизелей.

6.2.Топливо для дизелей.

6.3.Влияние характеристик топлива на эксплуатационные показатели СДВС.

Эффективность работы ДВС во многом определяется химическими и физическими процессами. Одним из реагентов этих процессов является топливо, другим – кислород.

Наибольшей экономичности ДВС можно достичь при создании благоприятных условий для протекания физико-химических процессов окисления топлива, оказывающих влияние на износ деталей ЦПГ дизеля, надежность, ресурс до капитального ремонта.

30 % эксплуатационных расходов приходится на топливо и смазочные материалы, поэтомуважноуделятьвниманиеихэкономичному расходу.

На судах применяют жидкое топливо, но бывают и газообразные топлива. Жидкое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, а также золы и влаги (балласт). С и Н содержатся в топливе в виде углеводородов СmНn. Далее такой состав топлива задается в % к единице топлива. Сведения о составе необходимы для теплового расчета рабочего цикла дизеля при проектировании. Дизельное топливо содержит 75–85 %

углерода С; Н – 12–14 %; О2 – 1 %.

6.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ

Физико-химические свойства – теплотворная способность, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива, Дж. Она разделяется на высшую и низшую. Первая учитывает теплоту, выделившуюся при конденсации паров воды. Дизельное топливо сред-

него состава имеет Qнр = 42000 кДж/кг.

Удельный вес – отношение веса единицы объема топлива при 20 оС к весу такого же объема воды при 4 оС – d 420 . Для дизельных топлив d 420 = 0,8–0,92.

Испаряемость (фракционный состав) указывает температурные пределы постепенного выкипания различных фракций топлива. Фракционный состав оказывает влияние на качество смесеобразования (перемешивания с воздухом).

Струя топлива, впрыснутая в цилиндр дизеля, разбивается на мельчайшие капли, которые должны испариться за 3–5 мсек, чтобы обеспе-

41

чить качественное сгорание. Чем двигатель быстроходнее, тем топливо должно быть более ограничено по фракционному составу. Бензины обладают очень высокой испаряемостью, которая необходима для внешнего смесеобразования.

Вязкость определяется силами трения, возникающими между элементарными слоями движущейся жидкости. Различают вязкость условную и кинематическую.

Условная вязкость – это отношение времени истечения 200 мл топлива, взятого при определенной температуре, к времени истечения такого же количества дистиллированной воды при 20 оС; она фиксируется специальными приборами – вискозиметрами и измеряется градусами ВУ или градусами Энглера (оЕ). Условная вязкость в зависимости от фракционного состава может определяться при 20, 50 и 100 оС и соответст-

венно будет оВУ20, оЕ50 и т. д.

Кинематическая вязкость оценивается величиной сил сопротивления, возникающих при перемещении элементарных слоев один относительно другого с определенной скоростью. За единицу измерения кинематической вязкости принят Стокс (Ст) или единица в сто раз меньше – сантистокс (сСт). Широко распространено измерение в секундах по Сейболту – Универсал (SU в СШA) или по Редвуду Ra (Англия). Соотношение между единицами приводится в справочнике.

Вязкость влияет на смесеобразование. Большая вязкость ухудшает распыливание, повышает дымность выхлопа (из-за неполного сгорания), увеличивает расход топлива. С другой стороны, уменьшение вязкости ведет к снижению смазывающей способности топлива, что повышает износ топливной аппаратуры у дизелей. С повышением температуры вязкость уменьшается.

Коксуемость косвенно характеризует способность топлива к отложению нагара и выражается коксовым числом в процентах, твердые частицы нагара образуют абразивные частицы, как следствие – износ ЦПГ.

Кислотность – характеризуется содержанием в топливе органических кислот и оценивается количеством миллиграммов едкого калия КОН, необходимого для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 мл топлива. Она влияет на коррозию топливной аппаратуры, цистерн и ЦПГ. Допустимая кислотность ≤ 5 мг.

Температура вспышки – минимальная температура, при которой топливо испаряется, вспыхивает при соприкосновении с открытым огнем (для дизельных топлив ≤ 65 оС). Характеризует пожаробезопасность условий применения топлива. Для судовых топлив температура вспышки должна быть не ниже 60 оС.

Температура самовоспламенения – минимальная температура на-

грева топлива, при которой оно воспламеняется в присутствии воздуха и

42

продолжает гореть без воздействия постороннего источника. Эта температура важна для дизелей, у которых воспламенение от сжатия.

Температура застывания – это температура, при которой нефтепродукт теряет способность текучести, что следует учитывать при хранении, транспортировкеиперекачке. Длясудовыхтоплив +5 оС – +60 оС.

Цетановое число – склонность топлива к самовоспламенению определяется специальными лабораторными методами по совпадению периода задержки самовоспламенения испытуемого топлива и эталонного. Самовоспламенение – это время или угол п.к.в. от момента начала поступления топлива в цилиндр до момента самовоспламенения.

Октановое число характеризует антидетонационные свойства топлива в карбюраторных ДВС. Детонация вызывается повышенной скоростью распространения пламени в КС, что приводит к быстрому выходу ДВС из строя. Октановое число для бензинов 64–98. Чем выше число, тем лучше, т. к. увеличивается допустимая степень сжатия, от которой в свою очередь значительно зависит КПД.

Перечисленные свойства определяются лабораторно и указываются в сопроводительных документах. На судах для анализа свойств используется СЛАН (судовая лаборатория анализа нефтепродуктов).

Вредные примеси:

Вода снижает теплотворную способность топлива и смазывающие свойства, а также вызывает коррозию металла. При обводнении сернистых топлив наблюдается выход из строя топливной аппаратуры.

Механические примеси – твердые инородные частицы (песок, окислы железа и т.д.) ухудшают работу ДВС, засоряют фильтры, ТА и увеличивают отложения в трубопроводе.

Сера – при высокой температуре ее соединения весьма агрессивны, что вызывает усиленную коррозию деталей, соприкасающихся с газообразными продуктами сгорания. В картерном пространстве резко снижаются смазочные свойства масла и наблюдается износ ТА. Для снижения отрицательного влияния сернистых топлив в топливо и масло добавляют специальные присадки. Содержание серы в топливе для дизелей допускается от 0,2 до 2, 5 %.

6.2. ТОПЛИВО ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ

Товарные сорта топлив получают смешением продуктов прямой перегонки нефти с продуктами ее вторичной перегонки. Прямоперегонные дистилляты нефти, бензины, лигроины, керосины, газойли получают путем нагрева и испарения нефти при атмосферном давлении. Остаток – прямоперегонный мазут, содержащий фракции нефти, выкипающие при температурах свыше 300–350 оС, используется для получения

43

масляных погонов и является компонентом товарных сортов мазутов и служит сырьем для вторичной перегонки нефтепродуктов.

Вторичная перегонка нефти, цель которой – получение из нефти дополнительного количества светлых нефтепродуктов и улучшение отдельных показателей прямоперегонных дистиллятов, осуществляется при высоких температурах и давлениях методами термического и каталитического крекинга, гидрокрекинга, каталитического риформинга.

Топлива для СДВС разделяют на две основные группы:

–дистиллятное маловязкое дизельное топливо и солярное масло;

–моторное – вязкое топливо марок ДТ и ДМ.

Дистиллятное топливо получают из керосино-газойлевых и солярных фракций, а моторное – смешиванием мазута и керосино-газойлевых фракций.

Дизельное топливо вырабатывают четырех марок: ДА – арктическое, применяемое при t < –30 оС; ДЗ – зимнее – до –30 оС; ДЛ – летнее – t > 0 оС; ДС – специальные. Солярное масло представляет собой топливо средней вязкости.

Дистиллятные топлива применяют для дизелей быстроходных, с n = 1000 об/мин и выше, а солярное масло – n = 100–1000 об/мин.

Дистиллятные топлива применяются на судах для пуска и маневрирования МОД. Моторные топлива ДТ и ДМ – для СОД и МОД (эти топлива необходимо подогревать, чтобы обеспечить качественный распыл). В топливо добавляют специальные присадки ВНИИ НП101 (к моторным)

иВНИИ ИП111 (к дистиллятным), которые снижают нагарообразование

иизносы деталей ЦПГ и ТА от 3 до 8 кг на 1 тонну.

На судах применяют тяжелые сорта топлива типа котельных мазутов с высоким содержанием серы и значительной вязкостью (до 65 оВУ50). Использование подобных топлив объясняется существенной разницей в цене до 50 %. Однако использование мазутов в качестве топлива для дизелей вызывает повышенный износ рабочих цилиндров и поршневых колец, приводит к дополнительным затратам на организацию достаточно сложной системы подогрева и очистки тяжелого топлива. Для уменьшения износов топлива с большим содержанием серы применяют специальные масла со щелочными присадками.

Используются также тяжелые мазуты марок М20 и М40, однако изза высокой ванадиевой и натриевой коррозии, которая образуется с продуктами сгорания, необходимо применять масла со специальными присадками.

Для карбюраторных двигателей применяют бензины А66 – А98. А – автомобильный, цифра указывает октановое число бензина.

Выбор сорта топлива для СДВС должен быть обоснован экономическими расчетами (табл. 6.1).

44

Таблица 6.1 Характеристики дистиллятных топлив для дизелей

ДТ – для СДВС, где нет специальной топливоподготовки; ДМ – для СДВСсоспециальнойтопливоподготовкой; ДМ– подогреваютдо60–70 оС.

Мазут Ф-5 представляет собой смесь мазута прямой перегонки сернистых нефтей, гудрона, полугудрона с дистиллятными фракциями прямой перегонки и вторичных процессов. Мазут Ф-12 – смесь продуктов перегонки малосернистых нефтей. Ф-5 и Ф-12 различаются по вязкости

исодержанию S. В Ф-5 до 2 % S, в Ф-12 до 0,6 %, 5 оВУ50 – Ф-5, для Ф-12

–12 оВУ50. Флотские мазуты имеют более низкую температуру застыва-

ния, чем топочные мазуты 40 и 100 – они бывают малосернистые (сера 0,2–1%), сернистые (серы 1–1,5%) и высокосернистые (серы до 3,5%).

45

садки к топливу и маслу дали возможность использовать дешевые топлива в СДВС. Сепарация удаляет воду, механические примеси, золу, парафиновые составляющие.

Износостойкость цилиндровых втулок, поршневых колец и других деталей, подверженных коррозии, повышается изготовлением из легированных чугунов. Хромирование цилиндровых втулок (высокая стоимость) не получило распространение.

Возможно применение составных втулок – вверху стальная, у окон чугунная, а также покрытие поршня хромом. Хромируют или используют противоизносные кольца для верхних поршневых канавок.

Топливная аппаратура для дизелей работающих на высоковязких топливах, имеет особенности. Давление впрыскивания повышают до

1000 кгс/см2.

Применяют охлаждение форсунок и выпускного клапана, канавки для охлаждения приближают к седлу клапана.

Для снижения сернистой коррозии увеличивают температурный уровень цилиндра повышением температуры охлаждения, так как вода на выходе 70–75 оС, а с высокотемпературным охлаждением 100–110 оС.

Присадки к топливам не получили широкого распространения из-за их нестабильности и дороговизны.

Применение высокощелочных масел позволило решить проблему коррозии Н2SО4 в МОД для топлив Ф-5 и Ф-12.

Отечественные мазуты содержат механические примеси, поэтому нужна очистка и дополнительная топливоподготовка.

47

ЛЕКЦИЯ 7 ПРОЦЕССЫ НАПОЛНЕНИЯ И СЖАТИЯ В ЦИЛИНДРЕ

Схемы газообмена 2-тактных ДВС

7.1.Процессы газообмена в 4-тактных дизелях.

7.2.Процессы газообмена в 2-тактных дизелях.

7.3.Схемы газообмена 2-тактных дизелей.

7.4.Показатели качества газообмена.

7.5.Время-сечение.

7.6.Коэффициент наполнения.

При осуществлении цикла в СДВС необходимо удалять из цилиндра продукты сгорания и наполнять свежим зарядом для обеспечения сгорания новой порции топлива. Чем больше поступает воздуха, тем больше можно будет подать топлива и получить большую мощность. Процессы очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом называется газообменом. Этот период разделяют условно на фазы, их продолжительность измеряют в градусах поворота коленвала. Фазы зависят от периода открытия-закрытия окон и клапанов.

7.1.ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В 4-ТАКТНЫХ ДИЗЕЛЯХ

У4-тактных дизелей период газообмена превышает 1 оборот коленвала. Этот период включает в себя следующие фазы: свободный выпуск; выпуск; наполнение; дозарядка; продувка (когда идет перекрытие клапанов и открыты впускной и выпускной клапаны).

У4-тактного дизеля (рис. 7.1а) впускной клапан открывается с предварением в точке d и закрывается с запаздыванием в точке а (процесс впуска), выпускной клапан открывается с предварением в точке b и закрывается с запаздыванием в точке r (процесс выпуска).

Рис. 7.1. Круговые диаграммы газораспределения дизелей

48

У 2-тактного дизеля с выпуском газов из цилиндра через выпускные окна (контурная продувка) фазы газораспределения относительно НМТ симметричны (рис. 7.1б), а у дизелей с выпуском газов через выпускные клапаны (прямоточно-клапанная продувка) – несимметричны (рис. 7.1в).

В эксплуатации на диаграмме газораспределения часто указывают также моменты начала и конца подачи в цилиндр топлива и пускового воздуха. В этом случае диаграмму называют круговой диаграммой распределения.

Процесс выпуска подразделяется на 2 периода – надкритический и подкритический.

Надкритический – период выпуска от момента открытия выпускного клапана до достижения давления в цилиндре, равного критическому в данном сечении. Он наблюдается в начале открытия выпускного клапана, когда давление в цилиндре на номинальном режиме рво ≈ 300–900 кПа, что превышает критическое ркр = рт/βв, где рт – давление газов выпускном патрубке, βв – критическое отношение давлений.

Величина ркр зависит от физических свойств газа

где k – показатель адиабаты газа.

В период надкритического истечения газов через выпускной клапан происходит со скоростью, равной скорости звуковой волны

ωкр = 2 k k+1 RгТ 103 ,

где Rг – газовая постоянная, кДж/(кг К); Т – температура газов, К; при Тг = 750–1200 К критическая скорость ωкр = 500–630 м/с.

Надкритический выпуск продолжается до НМТ.

На рис. 7.2 показан характер изменения давления в цилиндре, в выпускном коллекторе и в ресивере в период газообмена в 4-тактном дизеле с импульсивным подводом газов к турбине.

При изменении режима работы дизеля продолжительность надкритического периода изменяется: с уменьшением нагрузки дизеля надкритический выпуск сокращается, т. к. при этом понижается давление в цилиндре в начале выпуска.

Подкритический период – от момента достижения в цилиндре давления ркр до момента открытия впускного клапана. В этот период

рг < ркр , рг → рт.

49