Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Т а б л и ц а 10.1

через открытые выпускные окна, В своем движении в цилиндре воздух описывает характерную для двигателей МАН петлю, поэтому такой тип продувки часто называют петлевой. Существенным не­ достатком газообмена в двигателях МАН KZ является наличие заброса газов из цилиндра в ресивер в начале продувки, когда только открываются продувочные окна. Нередко это является при­ чиной пожаров в ресиверах. Качество очистки цилиндров хорошее (уг = 0,02 -f- 0,09) при относительно небольших расходах, воздуха на продувку (фа = 1,6).

210

Рис. 10.9. Односторонние щелевые петлевые схемы га­ зообмена дизелей

в цилиндр в начале продувки из-за создаваемого в этот момент подпоршневым насосом большого перепада давлений, необходимого для избежания заброса газов в ресивер в начале продувки. Подпоршневой насос в двигателях серии КД к моменту открытия про­ дувочных окон поднимает давление перед ними с ОД7 МПа (давле­ ние наддува) до 0,21 МПа.

Поскольку при восходящем движении поршня сначала закры­ ваются продувочные окна и в течение некоторого времени остаются открытыми выпускные, возможна потеря части заполнившего ци­ линдр воздуха. Это нежелательно» поэтому фирма прибегает к уста- новке в выпускных каналах за окнами 2 заслонки 8 (см. рис» 10.9, б). Фазы движения-заслонок подобраны таким образом,'чтобы при под­ ходе поршня к верхней кромке продувочных окон (при движении его вверх) заслонка, разворачиваясь, перекрывала канал за выпускными окнами, изолируя цилиндр от выпускной системы. Та­ ким образом, газообмен заканчивается одновременно с оконча­

наличием у поршней двигателя RD короткой юбки, Действительно,

211

когда поршень находится в верхней части цилиндра, выпускные и продувочные окна оказываются открытыми, и если бы заслонка не перекрывала выпускной канал, то продувочный воздух, посту­ пая в цилиндр под поршень, свободно уходил бы из цилиндра в вы­ пускную систему.

Наличие заслонок и привода к ним усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя. В двигателях серий RND и RLB фирма применила наддув с турбинами постоянного давления, удлинила юбку поршня, и это дало возможность отказаться от заслонок. Контурные схемы газообмена были широко распространены в су­ довых малооборотных двигателях, выпускавшихся до 80-х годов фирмами МАН, Зульцер, Фиат, «Русский Дизель» и др. В дальней­ шем в связи с ростом форсирования рабочего процесса наддувом, увеличением отношения S/D контурные схемы, несмотря на свою конструктивную простоту, не смогли конкурировать с прямоточ­ ными, Этим объясняется, что в настоящее время выпускаются ис­

больший расход воздуха на продувку» увеличивающийся с ро­ стом наддува и связанной с этим плотности продувочного воздуха;

не выпускных окон температура выше, чем в зоне продувочных окон; с ростом наддува и необходимостью более раннего отбора га­ зов на ГТН неравн омерность температурного поля усиливается, что приводит к задирам ЦПГ, появлению трещин.

Прямоточные схемы. Характерным для прямоточной схемы га­ зообмена является наличие прямого тока воздуха вдоль оси ци­ линдра, преимущественно с послойным вытеснением продуктов сго­ рания. В результате хорошей организации газообмена судовые двигатели с прямоточной схемой продувки имеют наиболее низкие

на в двухтактных двигателях БМЗ, МАН—Бурмейстер и Вайн, Зульцер RTA.

Продувочные окна расположены в нижней части втулки равно­ мерно по всей окружности цилиндра, что обеспечивает большие проходные сечения и малое сопротивление окон, а также равно­ мерное распределение воздуха по сечению цилиндра. Тангенци­ альное расположение окон 2 в плане способствует закручиванию потоков поступающего через патрубок 3 в цилиндр воздуха. Вихре­ вое движение воздуха в цилиндре сохраняется до конца такта сжа­ тия, и при впрыске топлива его частицы захватываются вихрями и разносятся по пространству камеры сгорания, вследствие чего существенно улучшается смесеобразование,

212

крываться раньше продувочных, то управляющие ими поршни дви­ жутся с опережением по отношению к противоположно перемещающимся поршням. Это достигается взаимным смещением кривоши­ пов верхнего и нижнего рядов поршней на угол 8—12° п. к. в.

Организация потоков воздуха и газов в цилиндре такая же, как в рассмотренной схеме, качественные показатели продувки также подобны.

213

Прямоточные схемы газообмена по сравнению с контурными имеют некоторые преимущества: лучшее качество газообмена и меньшие потери воздуха на продувку; наличие управляемого вы­ пуска, благодаря чему имеется возможность варьирования энерги­ ей газов, направляемых в ТК; симметричное распределение темпе» ратур во втулке цилиндра и головке поршня и др.

10.5.Коэффициент наполнения. Заряд воздуха

вцилиндре

Основная задача газообмена состоит в наполнении цилиндров двигателя зарядом свежего воздуха. В идеальном случае в цилиндре двигателя может быть размещено Gy воздуха. Для этого необ­

ходимо, чтобы весь рабочий объем был заполнен только воздухом при параметрах. р8 и Ts. В действительности количество разме­ щающегося в цилиндре свежего заряда GB всегда меньше теоретиче­

меньше давления перед цилиндром р 8 вследствие потерь на пере­ текание воздуха из ресивера в цилиндр и составляет в двигателях четырехтактном ра ^ (0,9 ™ 0,96) р8, двухтактном ра » (0,96 -f- -т- 1,1) ps. Верхние пределы характерны для двигателя с импульс­ ным наддувом. Причина случаев, когда ра > р8У изложена в § 10.3,

Температура воздуха в цилиндре в конце наполнения Та вы­ ше температуры Ts, так как во время наполнения воздух нагревает­ ся от стенок цилиндра на АТа = 5 -г- 10° и в цилиндре смешивает­ ся с находящимися в нем остаточными газами, имеющими темпера­

Поскольку ра < р8; Та > Т8, то плотность воздуха в цилиндре ра меньше плотности воздуха перед цилиндром рв (в ресивере), В ре­

214

меньше массы, которую можно было бы разместить, если бы пара-

духа, состоит в невозможности полного использования рабочего объема цилиндра для размещения в нем воздуха. Часть объема за­ нимают оставшиеся после газообмена продукты сгорания (остаточ­ ные газы), которые полностью удалить из цилиндра не удается.

шение массы оставшегося в цилиндре к окончанию газообмена ааряда^оздуха!.1/в^к массе воздуха которая теоретически”могла, бы заполнить рабочий объем цилиндра Vs при параметрах перед цилиндром ps и Ts. Для более глубокого анализа и расчетов можно воспользоваться выражениями

Выражения составлены исходя из предположения, что при на­ полнении используется полезный объем цилиндра V8. Поэтому если

К снижению заряда воздуха GB, а именно оно может отрицатель­ но отразиться на мощности и экономичности двигателя, приводит уменьшение коэффициента наполнения ца и плотности воздуха ps. Коэффициент наполнения мало меняется при изменении режима работы двигателя (частоты вращения и нагрузки), практически не зависит от параметров окружающей среды, но может существенно понизиться при загрязнении впускного и выпускного трактов дви» гателя, продувочных и выпускных окон. Плотность воздуха ps в противоположность т]н существенно зависит от состояния окружа­ ющей среды — давления р0 и температуры Т0 атмосферного возду­ ха, его влажности ср, температуры забортной воды Т вз, Уменьшение

215

плотности ps возможно, когда падает давление ps и растет темпера» тура Г,:

дится в прямой зависимости от р0 и с его падением соответственно снижается, приводя к уменьшению плотности воздуха ps и заряда воздуха в цилиндрах GB.

Однако само изменение атмосферного давления не столь уж: велико — обычно 96— 105 кПа (720—780 мм рт. ст.). Более существен­ но изменение температуры воздуха. Г0, которая в тропиках может увеличиться до 35° С, соответственно до 82—-33Qвозрастает темпера­ тура забортной воды. Если воздухоохладитель обладает достаточно развитой поверхностью охлаждения и находится в технически ис­ правном состоянии, он будет поддерживать температуру воздуха перед цилиндрами T s на необходимом уровне вне зависимости от из­ менений TQ и 7^3* Это означает, что в таком двигателе плотность ,os и заряд воздуха GB оказываются независимыми от внешних ус­ ловий. Иначе, если воздухоохладитель не обладает необходимым за­ пасом охлаждающей способности, на изменение температуры окру­ жающей среды будет реагировать двигатель. У такого двигателя при переходе судна в тропики температура воздуха за турбокомп­

тура за воздухоохладителями T s, а это, как уже отмечалось, приведет к падению ps и снижению заряда воздуха GB,

Как будет дальше показано, уменьшение заряда воздуха в ци­

Поэтому приходится идти на снижение мощности'двигателя путем сокращения подачи топлива в цилиндры. Существенное влияние на

В зависимостиот широты плавания и температуры окружающего воздуха влажность последнего может меняться в довольно широких пределах. Поскольку влажный воздух содержит в себе водяной пар, то масса заряда воздуха в цилиндре GBуменьшается на количество

216

Т а б л и ц а 10.3

содержащегося в воздухе пара. Для пересчета можно воспользовать­ ся формулой

10.6.Процесс сжатия

Взадачу процесса сжатия входит повышение давления и темпе­ ратуры заряда до значений, которые обеспечили бы надежное само­ воспламенение впрыскиваемого в конце сжатия топлива и последу­ ющее его эффективное сгорание.

Сжатие заряда начинается по окончании процесса наполнения и происходит при движении поршня от НМТ и ВМТ. Объемы ци­ линдра и заключенного в нем заряда воздуха непрерывно уменьша­ ются, поэтому давление и температура воздуха увеличиваются.

217

меняющийся теплообмен. Именно этим определяются непостоян­ ство показателя степени % в уравнении кривой сжатия (называе­ мого показателем политропы сжатия) и самой кривой.

В силу изложенного действительный процесс сжатия существен­ но отличается от адиабатного, который был принят за основу при рассмотрении идеальных циклов. Поэтому и давление конца дей­ ствительного процесса сжатия (точка с) оказывается ниже давления конца адиабатного процесса (точка с').

Наличие переменного показателя политропы сжатия затрудняет задачу расчета, поэтому принято пользоваться его средним значе­ нием за весь процесс.

Опытные значения среднего показателя политропы сжатия % для двигателей: малооборотных с охлаждаемыми поршнями 1,32— 1,38, высокооборотных с неохлаждаемыми поршнями 1,38—1,42.

Давление и температура воздуха в конце сжатия

Как видно из формул, давление рс и температура Тс зависят от начальных значений давления ра и температуры Та, степени сжатия е и показателя политропы сжатия %. Средние значения рс лежат в пределах у двигателей: с наддувом умеренным 4—6,5 МПа, высоким 8 МПа и более.

К основным эксплуатационным факторам, оказывающим влия­ ние на параметры р€ и Тс, относятся: частота вращения и нагрузка двигателя, в свою очередь определяющие режим его работы, режим охлаждения цилиндра, его техническое состояние.

С увеличением частоты вращения уменьшается время теплооб­ мена сжимаемого воздуха со стенками цилиндра, процесс приближа­ ется к адиабатному, и показатель % растет. С уменьшением часто­ ты вращения наблюдается обратное явление: потери теплоты от сжимаемого заряда растут, показатель % уменьшается, и процесс приближается к изотермическому. В итоге снижаются давление кон­ ца сжатия рс и температура Тс [см. выражения (10.13) и (10.14)], что может привести к нарушению самовоспл аменения топлива.

С уменьшением нагрузки двигателя, которая, как будет показа­ но, характеризуется средним индикаторным давлением р и снижа­ ется температура стенок цилиндра, поэтому увеличиваются Потери теплоты от сжимаемого воздуха в стенки, показатель % уменьша­ ется.

Режим охлаждения цилиндра хар актеризуется температурой во­ ды, циркулирующей в зарубашечном пространстве. При снижении температуры воды несколько понижается температура стенки ци­ линдра, потери теплоты в стенки увеличиваются, и величины %, /?с, Т с уменьшаются. Чтобы избежать больших потерь теплоты в стен­ ки и охлаждающую ср еду, рекомендуется поддерживать температуру

218

воды по возможности более высокой (65—75 °С)? а в двигателях но­ вых конструкций ■— до 90 °С.

Для того чтобы обеспечить сохранение температур в конце сжа­ тия и тем самым избежать замедленного воспламенения и плохого сгорания топлива на малых нагрузках, фирма «Вяртсиля» прибегает к увеличению температуры воды на входе в двигатель с 35—45 до 65—70 °С, когда нагрузка двигателя падает ниже 35 %.

Особенно значительно проявляется влияние низкого теплового состояния цилиндров и малой частоты вращения на показатель % и параметры заряда в конце сжатия при пуске холодного двигате­ ля. Большая отдача теплоты от сжимаемого заряда в стенки, обус­ ловленная низкой их температурой и большим временем теплообме­ на (малая частота вращения), приближает процесс сжатия к изо­

цилиндра, поршневых колец, кепов поршня, снижением плотности

Если техническое состояние ЦПГ неудовлетворительно и велики утечки заряда воздуха, давление и температура заряда в конце сжа­ тия часто оказываются недостаточными для самовоспламенения топлива. Двигатель раскручивается на воздухе, не переходя на работу на топливе. Чтобы увеличить надежность пуска, необходи­ мо повысить показатели рс и Тс. Этого можно достигнуть либо увели­ чением степени сжатия, что в эксплуатации неосуществимо, либо уменьшением потери теплоты от сжимаемого заряда. Последнее возможно, если увеличить пусковую частоту вращения (раскручи­ вать двигатель на воздухе до более высокой частоты вращения) и повысить тепловое состояние двигателя путем предварительного прогревания цилиндров горячей водой, направляемой в полость охлаждения из находящихся в работе двигателей или из специаль­ но предусмотренного подогревателя.

Степень сжатия определяют исходя из следующих предпосы­ лок:

сжатие заряда должно быть таким, чтобы параметры воздуха в момент впрыска топлива обеспечивали его надежное самовоспламе­ нение. Для этого необходимо, чтобы температура в,цилиндре в конце сжатия была не ниже 577—627 °С, Поскольку наибольшие по­ тери теплоты от сжимаемого заряда возникают при пуске двигателя, то минимально допустимая степень сжатия должна быть такой, что­

219