Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Степень сжатия у дизелей: малооборотных с наддувом 10,5— 18, среднеоборотных с наддувом 13— 18, высокооборотных 15— 18»

Применительно к двухтактным двигателям различают две сте­ пени сжатая — условную и действительную.

Условная, или геометрическая, степень сжатия

Однако в двухтактном двигателе сжатие воздушного заряда на­ чинается не с НМТ поршня, а позднее, после закрытия - поршнем или заслонкой выпускных окон.

Действительная степень сжатия

где Va — полезно используемый объем цилиндра (см, рис. 10.7):

В четырехтактном двигателе разницей между е и е' пренебрега­ ют и принимают в — £f t

10.7. Процесс сгорания

Общие сведения. В действительном цикле двигателя теплота к рабочему телу подводится в результате сгорания впрыскиваемого в цилиндр и распиливаемого в нем топлива. В качестве окислителя используют кислород предварительно сжатого и поэтому нагретого воздуха. В ходе реакций окисления выделяется большое количество теплоты, и образующиеся продукты сгорания (С02? Н 20 , S 0 2 и др.) нагреваются до высокой температуры. Одновременно с ростом, температуры повышается давление гаров.

Одно из основных требований, предъявляемых к организации процесса сгорания, состоит в том, чтобы достигнуть полного сгора­ ния всего поступившего в цилиндр топлива. Для этого прежде всего требуется обеспечить топливо необходимым для осуществле­ ния реакций окисления количеством воздуха.

Используемые в двигателях нефтяные топлива состоят из следую-

220

S ^ 0,05 ~г" 3,5 %; О 0,005 -г-3 %. Если массовые доли пере­ численных элементов обозначить соответствующими им символами, то теоретически необходимая масса воздуха для полного сгорания 1 кг топлива

В дизеле образование горючей смеси топливо — воздух, в отли­ чие от карбюраторного двигателя, происходит непосредственно внут­ ри цилиндра, что вносит определенные трудности в организацию ка­ чественного перемешивания поступающего в цилиндр топлива с на­ ходящимся в нем воздухом» Необходимо также учитывать, что сме­ сеобразование в дизеле происходит в условиях стесненной камеры сжатия и в течение очень короткого времени, составляющего в зави­ симости от быстроходности двигателя, сотые или тысячные доли секунды. Поэтому, чтобы в дизеле достигнуть по возможности пол­ ного сгорания топлива, необходим определенный избыток воздуха, который устанавливают экспериментально в процессе испытаний опытной конструкции двигателя в виде коэффициента избытка воз-

духа . а — это- отношение действительной, .массы воздуха^аключш-

ыой в цилиндр к началу процесса сгорания Gb, k массе_воздуха. тео-

_.p■вl^чecкiLJ^eoбxодlшoй_д^я_ сгорания _£ц.„.топл1ва, подаваемого, в цилиндр за один цикл. Последняя величина носит наименование

цикловой подачи топлива.

Поскольку G0 — масса воздуха, теоретически необходимая для

- По опытным данным, коэффициент избытка воздуха а на номи­ нальном режиме находится в пределах для двигателей: малооборот­ ных 1,8—2,2; средне- и высокооборотных 1,7—2. Верхние пределы коэффициента а характерны для двигателей с наддувом. Высоко­ оборотные двигатели работают с меньшим значением а, что объясня­ ется возможностью при малых размерах цилиндра обеспечить бо­ лее равномерную смесь. Отдельные форсированные высокооборот­ ные двигатели работают с а = 1,34-1,4.

22!

Особенно нежелательно уменьшение коэффициента а при работе двигателя на режиме пол­ ного хода, так как прямым следствием уменьшения избытка воздуха является ухудшение сгорания топлива, сопровождающееся образованием большо­ го количества продуктов непол­ ного сгорания и связанным с этим снижением экономичности работы двигателя, повышением температуры деталей ЦПГ. Внешним проявлением неполно-

го сгорания топлива является появление сажи в выпускных газах —- двигатель начинает дымить.

Термодинамические основы процесса сгорания (рис. 10.12). В расчетном цикле процессу сгорания соответствуют участки инди­ каторной диаграммы с / и г'г. Параметры рабочего тела (газа) в точ­ ке z зависят от количества сообщаемой ему теплоты на этом участ­ ке. При подаче в цилиндр дц топлива количество теплоты, которое теоретически может быть сообщено газу, равно qnQHкДж (где QH— удельная теплота сгорания, для дизельных топлив ориентировоч­ но Qa = 41 900 кДж/кг; с увеличением плотности топлива величина Qn пропорционально снижается и у тяжелых остаточных топлив ле­ жит в пределах 41 000—39 500 кДж/кг). В реальных условиях сго­ рания вследствие несовершенства смесеобразования и иных причин (см. § 10.6) все поданное в цилиндр топливо не успевает сгорать на участке cz'z, возникает его физический и химический недожог. Остав­ шаяся часть и продукты неполного сгорания топлива догорают за точкой z на линии расширения. Поэтому к моменту прихода поршня в точку z теплоты выделяется меньше теоретически возможного ко­ личества g nQB и соответственно меньше сообщается газам. Более того, часть общего количества выделяющейся теплоты передается через стенки цилиндра охлаждающей воде и затрачивается на дис­ социацию (распад) молекул газа.

Чтобы упростить задачу определения количества теплоты, дей­ ствительно сообщаемой в процессе сгорания рабочему телу, вво­ дится понятие коэффициента использования теплоты lz:

где Qz — количество теплоты, сообщаемое газу в реальном процессе сгора­ ния, до точки z; guQu — количество теплоты, которое теоретически могло

*бы быть сообщено газу при условии полного сгорания gn топлива и отсутствии каких бы то ни было потерь теплоты.

522

Коэффициент \ г зависит от совершенства процесса сгорания топ­ лива, потерь теплоты в период сгорания и при прочих равных усло­ виях определяется быстроходностью двигателя.

тельного догорания топлива на линии расширения и усиленную теп­ лоотдачу в воду (типичны для форсированных ВОД); высокие зна­ чения lz = 0,80+0,85 характерны для МОД.

Уравнения процесса сгорания. На основании первого закон а- термодинамики теплота Qz = lzg 4QH, сообщаемая рабочему телу на участке индикаторной диаграммы смешанного цикла cz'z (см. рис. 10.12), расходуется на повышение внутренней энергии рабочего

тела (MJfc и на совершение работы A L Z?Z на участке расширения при постоянном давлении z'z:

Qz^( AUf c + ALz, Z'

Из этого уравнения, представляющего собой баланс теплоты в точке z9 путем преобразований приходим к выражению, из которого ■получим температуру рабочего тела в точке г:

Степень повышения давления при сгорании X = pjpc опреде­ ляют на основании выбранного при расчете максимального давле­ ния сгорания рх. При выборе pz нужно ориентироваться на приве­ денные опытные данные и иметь в виду, что его увеличение сопря­ жено с ростом нагрузок на детали ЦПГ, т. е. механической напря­ женности двигателя. Для реализации цикла с относительно малыми значениями рх и соответственно невысокой степенью повышения давления к необходимо уменьшить угол опережения подачи топли­ ва, сместив всю подачу в направлении вращения вала. Благодаря этому уменьшится количество топлива, поступающего в цилиндр и сгорающего в нем до прихода поршня в ВМТ; большая часть про­ цесса сгорания перейдет на линию расширения, а это сопряжено с

223

.уменьшением величин | 2 и Тъ и снижением экономичности цикла. Таким образом, стремление понизить возникающие в деталях дви­ гателя механические нагрузки путем снижения величин рг и X всту­ пает в противоречие с необходимостью обеспечить высокую эконо­ мичность рабочего цикла.

По опытным данным, значения рг и X для двигателей:

Высокие значения pz и малые X характерны для двигателей с вы­ сокой степенью наддува. Температура 7\ обычно лежит в пределах 1227—1727 °С.

Для того чтобы определить положение точки г на диаграмме рас-

Коэффициент р носит наименование степени предварительного расширения., его значение определяет степень расширения рабочего тела (газа) в процессе сгорания от точки г" до точки г.

10.8. Смесеобразование

Способы смесеобразовании. Задача смесеобразования состоит в образовании по возможности однородной (гомогенной) смеси топли­ во —- воздух, в которой затем развиваются процессы воспламене­ ния и сгорания. В карбюраторном двигателе смесь приготавливает­ ся вне цилиндров (в карбюраторах), В дизеле топливо и используе­ мый в качестве окислителя воздух смешиваются внутри цилиндров, что существенно усложняет задачу получения качественной смеси.

По способу осуществления смесеобразование подразделяется на пленочное, объемно-пленочное и объемное. Первые два способа

224

должны быть такими, чтобы струя вписывалась в камеру сгора­ ния, проникая до наиболее удаленных областей, но в то же время не достигая стенок поршня или цилиндра во избежание неполного сгорания топлива и образования нагара.

Угол рассеивания струи тесно связан с ее длиной и тонкостью распыливания; чем мельче капли,'тем скорее они теряют поступа­ тельную скорость и оттесняются к периферии, образуя более тупой угол. При этом длина струи уменьшается.

На развитие струи и тонкость распыливания оказывают влияние давление впрыскивания, диаметр сопловых отверстий, физические свойства топлива и др. Тонкость распыливания, размеры частиц, на которые распадаются струи топлива по выходе из сопловых отвер­ стий форсунки, особенно сказываются на скорости и полноте сгора­ ния тяжелых топлив, в состав которых входят в значительном коли­ честве такие медленно горящие компоненты, как асфальтены. По­ этому в современных двигателях, предназначенных для работы на топливах с вязкостью до 500—700 мм2/с, стремятся обеспечить распыливание, при котором размеры частиц топлива не превышают 20—-30 мкм. Именно при этих размерах происходят почти мгновен­ ный прогрев капель топлива и их испарение, что подготавливает их к дальнейшему окислению. Дробление топлива на столь мелкие ча­ стицы может быть достигнуто при давлении впрыскивания не менее

80МПа.

Вэксплуатации при износе прецизионных элементов и сниже­ нии плотности топливной аппаратуры отмечается падение давления впрыскивания, что ведет к уменьшению скорости истечения топлива из сопловых отверстий. В результате уменьшаются глубина проник­ новения вершины струи и ее длина, распыливание становится ме­ нее однородным и более грубым. При износе сопловых отверстий увеличивается их диаметр, что также сопровождается снижением тонкости и однородности распыливания. Ядро струи уплотняется, больше времени требуется на ее распад, уменьшается угол рассеива­ ния, что в свою очередь предопределяет уменьшение сопротивления среды проникновению струи. Длина струи растет пропорциональ­ но (Adc)1/2, где Adc — приращение диаметра отверстия сопла. Воз­ никает вероятность попадания топлива на днище поршня и стенки цилиндра, что сопровождается его неполным сгоранием, интенсифи­ кацией нагарообразования и опасностью местных термических пере­ грузок металла стенок. Этим объясняются жесткие требования к допуску на увеличение диаметра сопловых отверстий от номиналь­ ного значения. По требованию большинства фирм эта величина не должна превышать 10 %.

Для широко используемых в судовых дизелях тяжелых топлив

характерны высокие значения вязкости, плотности и сил поверхно­ стного натяжения, с увеличением которых растут длина сплошной части струи, диаметр капель, живая сила струи и ее длина. Чтобы избежать этих явлений и обеспечить качественное распыливание

226

топлива, рекомендуется тяжелые топлива подогревать до температу­ ры;, при которой их вязкость будет находиться в пределах 10— 15 мм2/с.

Камера сгорания. По конструктивному исполнению применяемые

вдвигателях камеры подразделяют на неразделенные, разделенные

иполуразделенные.

Неразделенные камеры (рис. 10.14) применяют в малооборотных и в большей части среднеоборотных двигателей, В камере все про­ странство сжатия представляет собой единый объем, ограниченный днищем поршня /, крышкой 2 и стенками цилиндра 3. Необходимое качество смесеобразования достигается вследствие согласования кон­ фигурации камеры сгорания с формой и распределением струй топ­ лива, выходящих из отверстий распылителя форсунки. Вихревое движение воздуха, создаваемое его закруткой в период газообмена,

Рис. 10.14. Неразделенные камеры сгорания дизелей:

а — МАН — Бурмейстер к Вайн; б — МАН; в — Зульцер; г •— типа Гессельман

к концу сжатия существенно снижается, поэтому в камерах этого типа играет второстепенную роль» Простота конфигурации оп­ ределяет относительно низкие тепловые напряжения в стенках камеры.

Разделенные камеры с предкамерным смесеобразованием ранее широко применяли в транспортных двигателях при использовании средневязких топлив.

При предкамерном смесеобразовании (рис. 10.15, а) для распре­ деления топлива по заряду воздуха используются потоки, создаю­ щиеся при перетекании части заряда из цилиндра в предкамеру а во время хода сжатия и из предкамеры в цилиндр во время хода рас­ ширения. Необходимый перепад давлений в этот период достигается благодаря сгоранию части топлива в предкамере, объем которой составляет 25—30 % Кс. Последующее истечение продуктов сгора­ ния вместе с несгоревшим топливом в надпоршневое пространства с цилиндра вызывает в нем интенсивную турбулизацию заряда, что обеспечивает хорошее перемешивание топлива и воздуха.

Дросселирование в каналах горловины b существенно замедля­ ет повышение давления в надпоршневом пространстве. Наиболее рез­ кое и значительное повышение давления при сгорании происходит в предкамере, но оно не передается на поршень. Этим объясняется, что кривошипно-шатунный механизм работает в относительно благо­ приятных условиях. В отличие от камер неразделенного типа пред­ камера, как и остальные виды разделенных камер, обеспечивает сгорание при меньших значениях коэффициента избытка воздуха, качество смесеобразования меньше зависит от качества распылива­ ния топлива и скоростного режима двигателя.

Рис. 10.15. Разделенные камеры сгорания

228

форму. Воздух, перетекающий в период хода сжатия из цилиндра в камеру, приобретает в ней вследствие наклона канала интен­ сивное вращательное (вихревое) движение, способствующее быстро­ му и полному перемешиванию его с впрыскиваемым обычно через однодырчатую форсунку 1 в камеру топливом.

В результате сгорания давление в камере возрастает, и вследст­ вие образовавшегося перепада Ар — р вк — р п продукты неполного сгорания, несгоревшее топливо и воздух устремляются в цилиндр. Неохлаждаемая вставка 2 из жаростойкой стали играет роль тепло­ вого аккумулятора, воспринимающего теплоту при сгорании и от­ дающего ее заряду воздуха в процессе сжатия при его перетекании из цилиндра в камеру. В результате температура воздуха в камере повышается, что создает предпосылки для лучшего протекания процессов испарения и воспламенения топлива, особенно при ма­ лых нагрузках.

Недостатком вихрекамерного смесеобразования является повы­ шенный расход топлива, объясняемый наличием потерь теплоты в стенки из-за большой относительной поверхности охлаждения и гид­ равлических потерь при перетекании газов из вихревой камеры и об­ ратно.

В полуразделенной камере сгорания (ЦНИДИ) (рис. 10.16), раз­ мещенной в поршне, осуществляется объемно-пленочное смесеобра­ зование.

10.9.Физические основы воспламенения

исгорания топлива

Образование и воспламенение горючей смеси. Образование го­ рючей смеси не ограничивается чисто механическим распределени­ ем топлива в объеме заключенного в камере заряда воздуха. Влато-

229