Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

даря контакту капель распылен­ ного топлива с горячим возду­ хом происходит их нагрев и ис­ парение, Интенсивность этих процессов зависит от размеров капель, скорости их движения относительно воздуха, •темпера­ туры и давления последнего и от физических свойств топлива (фракционного состава, тепло­ емкости, и скрытой теплоты ис­ парения).

Пары топлива удаляются с поверхности капель и смеши­ ваются с воздухом. При этом смесь (пары топливо — воздух) весьма неоднородна по составу. Испарению подвергаются преж­

де всего наиболее мелкие капли, находящиеся на периферии факе­ лов топлива, где из-за тесного контакта с воздухом и наличия на­ гретых поверхностей стенок существуют и наиболее благоприят­ ные условия для образования горючей смеси. Благодаря неодно­ родности смеси воспламенение происходит не одновременно во всем объеме камеры сгорания, а лишь в отдельных ее зонах, где местные значения коэффициента избытка воздуха, характеризующего состав смеси, близки к единице. Именно при таком составе химические реакции окисления сопровождаются наибольшим тепловыделением, при котором начавшийся процесс воспламенения не прерывается, а распространяется на рядом расположенные частицы топлива и воздуха.

Процесс образования горючей смеси (распад струи топлива на капли, образование факела, его проникновение в глубь заряда воз­ духа, прогрев капель, их испарение и смешивание паров с возду­ хом), а также процесс химической подготовки смеси к воспламене­ нию, обусловленные протеканием предпламенных реакций, сопро­ вождающихся слабым повышением давления и образованием холод­ ного пламени, занимают определенное время. Этот промежуток вре­ мени, отсчитываемый от начала поступления топлива в цилиндр до начала быстрого повышения давления в цилиндре вследствие уже значительного выделения теплоты, принято называть периодом за­ держки воспламенения, или периодом индукции ф3 (рис. 10.17); ему соответствует подача топлива g 3f g3.

Происходящие в период задержки воспламенения химические реакции состоят в неполном окислении углеводородов топлива с образованием промежуточных кислородосодерж ащих реакционно­ активных продуктов (перекисей, альдегидов, спиртов и кислот), ко­ торые при достижении определенных температуры и давления легко

230

вступают' в реакции дальнейшего окисления, сопровождающиеся выделением большого количества теплоты и образованием горячего пламени. Конечными продуктами окисления являются Н 20 и С 02„ Скорость реакций предпламенного окисления зависит от темпе­ ратуры среды и структуры молекул топлива — его химического группового состава, который косвенно характеризуется цетановым

числом (ЦЧ) топлива или его дизельным индексом.

Чем больше ЦЧ, тем меньше времени требуется на подготови­ тельные химические реакции окисления, тем короче период задерж­ ки. Таким образом, ЦЧ является характеристикой способности топ­ лива к самовоспламенению, определяющей при прочих равных усло­ виях период индукции.

Для дизельных топлив ЦЧ = 40-^50 ед., для тяжелых остаточ» ных топлив ЦЧ = 30“ 35 ед., поэтому они требуют несколько боль­ шего времени для подготовки к сгоранию.

Цетановое число и дизельный индекс с трудом и весьма неточно определяются для тяжелых остаточных топлив, поэтому в практи­ ку введен показатель, получивший наименование углеродно-арома­ тического расчетного индекса

при CCAJ ssr 835-f-865, и определенные затруднения при сгорании могут вызвать топлива, у которых CCAJ > 865.

Отмечая роль химических предпламенных процессов окисления топлива в период задержки самовоспламенения, следует иметь в ви­ ду, что продолжительность этого периода зависит также от скоро­ сти протекания физических процессов (распыливание, нагрев, ис­ парение и смешивание паров топлива с воздухом), т. е. процессов, ведущих к образованию горючей смеси.

Сгорание топлива. Возникновение в конце периода индукции в разных местах камеры очагов «горячего» пламени способствует мест* ному повышению температуры, что, в свою очередь, ускоряет ис­ парение капель, протекание предпламенных реакций и появление новых очагов горения. Пламя, распространяясь по объему камеры* ^захватывает те области, где образовалась горючая смесь. Обра­ зование в больших количествах продуктов сгорания приводит к ин­ тенсивному росту давления (кривая р ц на рис. 10.17). На индика-

. торной диаграмме этому моменту соответствует точка НВС« Ордина­ ты кривой закона подачи топлива gs, или характеристика впрыска^

показывают количество топлива, поступившего в цилиндр за отре­ зок времени от начала подачи (НП) др любого момента впрыска ' вплоть до окончания подачи (КП).

231

Быстрый, рост давления на участке за НЕС определяется интен­ сивным тепловыделением от сгорающего топлива. Поэтому период сгорания, занимающий промежуток времени от НВС до момента достижения максимального давления (точка z)3 носит наименование

периода быстрого увеличения давления фб.

Интенсивность роста давления в цилиндре в этот период характерйзуется скоростью нарастания давления, представляющей собой отношение (Лр/Лф)ср = (pz — рнвс)/(срг — ФНВс) на 1° п - к - в -

Скорость нарастания давления определяет характер развития процесса сгорания во второй фазе. При малой скорости нарастания давления двигатель работает мягко, без слышимых стуков, при боль­ шой скорости сгорание протекает жестко — появляются отчетливо прослушиваемые стуки, что отрицательно сказывается на работо­ способности подшипников.

Мягкая и спокойная работа двигателя обеспечивается при (Ар/Аф)ср := 0,2—0,3 МПа на 1° п. к» в. У малооборотных судовых двигателей (Лр/Дф)ср редко превышает 0,14—0,16 МПа на 1° п. к» в., среднеоборотных 0,3—0?4 МПа на 1° п.к.в.

Основным фактором, влияющим на интенсивность развития, дав­ ления во второй период и скорость нарастания давления, а следова­ тельно, и на жесткость работы двигателя, является количество топлива, успевающего за период индукции поступить в цилиндр и подготовиться к воспламенению до начала видимого сгорания. На скорость нарастания давления оказывает влияние в первую очередь скорость испарения, зависящая от суммарной поверхности капель топлива, обратно пропорциональной квадрату их диаметра.

Решающую роль в сгорании продолжающего поступать в цилиндр топлива играют диффузионные процессы — проникновение паров топлива и кислорода воздуха в зону горения и образование горю­ чей смеси. На диффузию необходимо время, именно этим можно объ» яснить, что к моменту окончания второй фазы сгорания (точка

.г на рис» 10.17) сгорает топлива значительно меньше, чем поступает*

В силу изложенных обстоятельств следующий, третий период сгорания — фдиф от момента максимума давления до момента окон­ чания сгорания называется диффузионным. В начальной фазе этого периода сгорание протекает с высокой скоростью/ обусловлен­ ной наличием в цилиндре большого количества промежуточных про­ дуктов окисления топлива, не успевшего сгореть за второй период, и поступлением свежего топлива, впрыск которого заканчивается: в точке КП. Несмотря на окончание подачи, к этому моменту успе­ вает сгореть лишь 60—70 % цикловой подачи, что объясняется не­ равномерностью распределения топлива и кислорода по объему ка­ меры и конечной скоростью диффузии,

В третий период давление в цилиндре падает, несмотря на то, что сгорание в начальной, фазе протекает с высокой скоростью и темпе­ ратура газов растет до определенного момента времени» Объясняет»

232

ся это расширением газов в связи с увеличивающимся объемом каме­ ры сгорания. Догорание топлива, оставшегося в цилиндре по окон­ чании подачи, зависит от количества оставшегося в цилиндре воз­ духа и скорости диффузионного процесса, в свою очередь зависяще­ го от размеров находящихся в цилиндре капель топлива и его уг­ леводородного состава (наличия асфальтенов, смол и пр.).

Влияние эксплуатационных факторов на процессы смесеобра­ зования и сгорания. Важно достигнуть совершенства в протекании процессов смесеобразования и сгорания, от которых во многом за­ висят производимая работа, экономичность и надежность работы двигателя, Процессы смесеобразования и сгорания зависят от ра­ боты систем подготовки и впрыскивания топлива и его физико-хими­ ческих показателей. Немаловажное значение имеет также работа систем воздухоснабжения и газообмена, от которых зависит масса поступающего в цилиндры заряда воздуха. Ведь чем меньше будет величина Gbi тем меньше коэффициент избытка воздуха а, а это оз­ начает неполное сгорание топлива, дымный выпуск. В эксплуата­ ции чаще всего приходится сталкиваться с влиянием на процесс сгорания качества топлива и качества его впрыскивания и распыли­ вания.

На распыливание топлива, кроме вязкости, влияют сила поверх­ ностного натяжения и плотность топлива (их значение у тяжелых топлив, несмотря на подогрев, оказывается более высоким, чем у дистиллятных). Более грубое распыливание и наличие в тяжелых топливах нефтяных остатков, утяжеляющих их фракционный со­ став и ухудшающих испаряемость, казалось, должны были бы при­ вести к увеличению коэффициента ср3 и снижению скорости диф­ фузии и сгорания в цилиндре. Однако, как показывает практика, время, отводимое на подготовку тяжелого топлива к воспламенению (период индукции) в МОД, оказывается близким ко времени, кото­ рое требуется на подготовку дизельного топлива. Объясняется это тем, что, несмотря на наличие тяжелых фракций, в тяжелом топли­ ве одновременно находятся и легкие, которые, испаряясь с поверх» ности капель в первую очередь, создают в камере сгорания доста­ точное количество активных центров воспламенения. По мере по­ вышения температуры в зоне горения процесс испарения капель топлива интенсифицируется, и в реакции сгорания вступают пары более тяжелых фракций. Таким образом, по мере продвижения кап­ ли и ее нагрева происходит как бы фракционная разгонка топлива, и состав капли становится все более однородным и тяжелофракцион­

ным.

Одновременно с процессом испарения в массе капли по мере рос­ та ее температуры интенсифицируется процесс разложения топ­ лива, переходящий в процесс термического пиролиза с образова­ нием ароматических газообразных углеводородов и кокса. Сгора­ ние этих углеводородов в зоне пламени сопровождается высокой све­ тимостью продуктов сгорания, обусловленной повышенным содер­

233

жанием сажистых частиц. С течением времени в массе капли накап­ ливаются кокс и продукты полимеризации смол и асфальтенов.

Количество газообразных углеводородов, выделяющихся с по­ верхности капли, непрерывно уменьшается, и дальнейшее сгорание связано с медленным горением коксового остатка в жидкой фазе.

Этим можно объяснить, что процесс сгорания тяжелых топлив в судовых мало- и среднеоборотных дизелях, в основном развиваясь по тем же законам, по которым происходит сгорание дистиллятных топлив, в конечной фазе несколько растягивается, что приводит к увеличению общей продолж ительности сгорания и повышению тем­ пературы выпускных газов.

Поскольку в конечной фазе в сгорании участвуют небольшие количества топлива, то его затягивание не оказывает существен­ ного влияния на индикаторный процесс. Обычно при переводе дви­ гателя на тяжелое топливо отмечаются снижение на 0,2—0,3 МПа максимального давления сгорания и скорости нарастания давления, в результате чего двигатель работает мягче. Небольшое снижение экономичности двигателей, работающих на тяжелом топливе, обу­ словленное увеличением удельного расхода топлива на 2—5 г/ /(кВт-ч), в основном объясняется небольшим смещением процесса сгорания в сторону запаздывания из-за увеличения коэффициента ср3, снижением давления рг, а также меньшей теплотой сгорания тя­ желого топлива, которая в зависимости от химического состава ле­ жит в пределах 39 500—41 ООО кДж/кг.

Приведенные данные показывают, что сжигание тяжелых топ­ лив в судовых дизелях с точки зрения организации их удовлетво­ рительного сгорания в цилиндрах за редким исключением техниче­ ских трудностей не представляет.

Нагарообразование тесно связано с содержанием в топливах ас­ фальтосмолистых соединений и протеканием в каплях несгоревшего топлива жидкофазного крекинга, последующего пиролиза и, на­ конец, коксования, в процессе которого образуются твердые части­ цы кокса, осаждающиеся на поверхностях камеры сгорания. Осо­ бенно интенсивно нагарообразование происходит, если топливо попа­ дает на стенку камеры сгорания, температура которой ниже 500 °С.

Наряду с коксом в состав нагаров входит сажа, являющаяся так­ же причиной дымного выпуска. Сажа состоит из частиц свободного углерода, образовавшегося в ходе реакций сгорания путем распа­ да под влиянием высокого нагрева молекул углеводородов и их де­ гидрогенизации. Сажа осаждается на стенках, впитывается маслом и вместе с ним стекает в подпоршневые пространства или картер.

Нагарообразованию и дымлению способствует неоднородность смеси, увеличивающаяся при ухудшении распыливания топлива. Образование при распыливании крупных частиц топлива обуслов­ ливает более длительное их существование в камере сгорания и бла~ годаря этому увеличивает вероятность развития процессов жидко­ фазного крекинга и коксования, а также неполного сгорания. Про»

.234

дукты неполного сгорания вместе с сажей уносятся выпускными газами и откладываются на стенках выпускного тракта и в рабочем

асфальтенов. Важным преимуществом использования эмульсий в ди­ зелях является существенное уменьшение в цилиндрах нагара. Объ­ ясняется это каталитическим действием образующихся в ходе сгора­ ния вследствие диссоциации введенной с топливом воды ионов водо­ рода и гидроксильной группы. Более полному сгоранию также спо­ собствует улучшение смесеобразования благодаря микровзрывам капель эмульсии. При нагреве капли эмульсии от соприкосновения с находящимся в камере сгорания сжатым воздухом вода испаря­ ется быстрее, и под действием растущего внутреннего давления обо­ лочка рвется. В итоге сгорание протекает быстрее и полнее, что спо­ собствует более экономичной работе двигателя. Выигрыш в рас­ ходе топлива при использовании водотопливных эмульсий состав­ ляет 1,5—4 г/(кВт*ч).

10.10. Процесс расширения

При перемещении поршня от ВМТ (точка zr на рис. 10.18) к НМТ (точка Ь) происходит расширение находящейся в цилиндре смеси продуктов сгорания и воздуха. Но в точке г' процесс сгора­ ния еще не закончился, идет ин­ тенсивное выделение теплоты до точки и лишь за ней давление начинает падать. Поэтому нача­ ло процесса расширения условно

относят к точке z. Заканчивает­ ся расширение теоретически в НМТ, а фактически в момент открытия выпускных окон или клапана (точка Ь'). В расчетном цикле конец расширения отно­ сят к точке Ь, которая должна находиться на одной вертикали с точкой а — точкой действи­ тельного начала сжатия.

Перемещение поршня в про­ цессе расширения и связанное с этим увеличение объема цилинд­

235

В отличие от идеального цикла, в котором расширение рабочего тела осуществляется адиабатно, без теплообмена с окружающей средой, в действительном цикле расширение сопровождается под» водом теплоты к газу от догорающего топлива и отводом теплоты в стенки цилиндра» Поэтому, как и при сжатии, показатель степени

п2 кривой расширения непрерывно меняется.

Вначальной стадии расширения происходит интенсивное дого­ рание топлива, не успевшего сгореть или не полностью окисливше­ гося в процессе видимого сгорания, до точки z.

Количество догорающего топлива и продолжительность процес­ са тепловыделения вследствие догорания определяются качеством распыливания топлива, особенно в последнюю фазу впрыскивания, интенсивностью вихревых движений воздуха и газов в камере сго­ рания, процессов испарения, и диффузии паров топлива, наличием свободного кислорода и пр. Существенное влияние на перечислен­ ные процессы оказывают физические свойства топлива: утяжеление фракционного состава обусловливает увеличение продолжительно­ сти и доли догорающего топлива. К этому же приводит и сокраще­ ние времени, отводимого на процесс сгорания при увеличении часто» ты вращения двигателя. Поэтому в высокооборотных двигателях догорание растягивается на значительно большую часть хода рас» ширения, чем в малооборотных.

Наряду с теплопритоком (участок /) происходит отдача теплоты (участок II) от расширяющихся продуктов сгорания в стенки, что зависит от разности температур и времени теплообмена,

Вцелях упрощения расчета принято, как и для процесса сжа­ тия, пользоваться политропой с некоторым средним показателем п2, постоянным на протяжении всего хода поршня;

Опытные значения среднего показателя политропы расширения для двигателей: малооборотных с охлаждаемыми поршнями 1,3— 1,2, высокооборотных с неохлаждаемыми поршнями 1,25— 1,15.

Волее низкие значения п2 у высокооборотных двигателей обус­ ловлены большим догоранием и меньшей теплоотдачей на линии рас­ ширения.

Давление и температура газов в конце расширения (точка b)

Р

236

Как видно из формул (10,24) и (10.25), с увеличением степени последующего расширения 6 уменьшаются давление и температура газа в конце расширения, что свидетельствует о более полном ис­ пользовании его энергии. Чем больше расширяется рабочее тело (газ) в цикле, т. е. чем больше степень последующего расширения: 6, тем большую механическую работу оно совершает, следовательно, тем выше экономичность цикла. Таким образом. степень последую­ щего расширения можно рассматривать как косвенную характеристи­ ку экономичности рабочего цикла.

Увеличить показатель 8 можно путем сокращения степени пред» варительного расширения р и увеличения степени повышения дав­ ления Я, если увеличить количество топлива, сгорающего в цилинд­ ре до ВМТ. Для этого необходимо сместить подачу топлива в сторо­ ну опережения, развернув топливный кулак относительно распреде­ лительного вала в сторону вращения. Этот путь повышения эко­ номичности цикла двигателя сопряжен с одновременным ростом максимального давления цикла рг и соответственно механических, нагрузок в элементах конструкции.

К числу основных эксплуатационных факторов, оказывающих,

очередь определяющие режим его работы; техническое состояние топливной, аппаратуры, физико-химические показатели топлива и

ДР-

С ухудшением технического состояния топливной аппаратуры (снижение плотности прецизионных пар, подтекание топлива под иглой и пр.) понижается качество распыливания топлива, у в е н ­ чивается продолжительность подачи, что приводит к увеличение продолжительности догорания топлива на линии расширения и, как следствие, уменьшению показателя п 2 и росту ръ и Т ъ.

Утяжеление фракционного и группового составов топлива так­ же сопряжено с «растягиванием» процесса сгорания на линию рас* ширения и обусловливаемым этим уменьшением величин р2? п2 и увеличением рь. Индикаторный процесс становится менее эконо­ мичным.

4.Покажите и объясните основные фазы газообмена четырехтактного двигателя.

5.Как организован и каковы основные особенности газообмена двух­ тактного двигателя?

237

он зависит?

12.Какими показателями характеризуется способность топлива к са­ мовоспламенению?

13.Каковы основные эксплуатационные факторы, влияющие на смесе­

образование и сгорание?

14. Какие факторы определяют развитие процесса расширения?

Гл а в а 11. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ

11.1.Энергетические показатели

Общие сведения» Индикаторная диаграмма, полученная непо­ средственно с работающего двигателя с помощью механического или электронного индикатора, называется действительной диаграммой. Обработка диаграммы позволяет получить объективную информацию о протекании рабочего цикла. Из термодинамики известно, что работа газов в цилиндре пропорциональна площади диаграммы. На этом основании по площади диаграммы, взятой с учетом ее масштаба, и числу рабочих циклов, совершаемых в секунду, можно определить мощность, развиваемую газами внутри цилиндра, называемую инди­ каторной мощностью.

Вчетырехтактном двигателе площадь диаграммы (рис. 11.1, а) состоит из площади, соответствующей положительной работе, по­ лученной за такты сжатия и расширения, и площади, представляю­ щей собой положительную работу газов при осуществлении тактов впуска и выпуска (работу насосных ходов), которую принято вклю­ чать в механический КПД двигателя. Поэтому при определении ин­ дикаторной работы цикла ее не учитывают.

Вдвухтактном двигателе вся площадь индикаторной диаграм­ мы (рис. 11.1, б) представляет собой полезную индикаторную рабо­ ту Lf. По значению снимаемой с цилиндра индикаторной работы судят о степени использования его рабочего объема V's.

Среднее индикаторное давление. Некоторое условное постоян­ ное давление р ь действующее на поршень и совершающее в течение одного хода работу, равную работе газов за цикл, называетсяхсиедним шшикатопнь|м_давлещ[ем. Тогда индикаторная работа для за­

данного рабочего объема цилиндра V sf

Из определения также следует, что графически давление pi может быть представлено как высота прямоугольника, основание которого равно рабочему объему V's, а площадь равна площади ин­ дикаторной диаграммы (рис. 11.2)*

238

й)

р

Таким образом, если имеется индикаторная диаграмма и нужно определить среднее индикаторное давление, то необходимо: най­ ти площадь F, мм2, диаграммы; измерить ее длину /, мм; определить масштаб т , мм/МПа, пружины индикатора; вычислить

F

Из выражения (11.1) определим

Отсюда следует, что среднее индикаторное давление характери­ зует работу газов, условно снимаемую в течение цикла с каждого кубического метра рабочего объема цилиндра, и является мерой на­ грузки цилиндра, показателем, характеризующим использование его рабочего объема. Чем больше давление p h тем при заданных разме­ рах цилиндра большая работа снимается с его рабочего объема.

Значение p ip расчетного цикла

Кроме того, среднее индикаторное давление может быть опреде­

отнесенное к полезному ходу поршня, Для пересчета на полный ход поршня необходимо значение p ip умножить на (1 — \р). При анали­ зе факторов, оказывающих влияние на среднее индикаторное дав­ ление pi, а с ним и на мощность двигателя N h удобно пользоваться

уравнением, предложенным В, С, Стечкиным,

239