В качестве главных двигателей на судах морского флота используются дизели различных типов в широком диапазоне мощности и частоты вращения вала. Наиболее широкое распространение получили малооборотные (до 200 об/мин) двухтактные дизели крейц-копфного типа с наддувом.
В последнее время, главным образом на судах специального назначения, все большее применение начинают находить форсированные среднеоборотные (от 200 до 750 об/мин) дизели тронкового типа с наддувом. На судах вспомогательного флота, а также небольшой грузоподъемности, ограниченного района плавания нашли применение высокооборотные (свыше 750 об/мин) дизели тронкового типа.
Характерной особенностью рабочего процесса главных дизелей является его развитие и протекание по винтовой характеристике.
Изменение параметров рабочего процесса при изменении нагрузки происходит для различных типов топливоподающей системы по-разному. Регулирование подачи топлива может осуществляться «по началу», «по концу» или «по началу и по концу» (смешанная регулировка).
Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки, вторые целесообразно оценить в порядке комплексного рассмотрения процессов топливоподачи, сгорания топлива и работы газов в цилиндрах дизеля. На рис. 28 приведена осциллограмма подачи топлива топливоподающей системой с регулировкой «по началу», где зафиксирован подъем иглы форсунки и изменение давления топлива непосредственно в форсунке и в топливном насосе высокого давления. Осциллограмма соответствует эксплуатационному режиму «полного хода» (~90% номинальной мощности дизеля). Для уменьшения нагрузки дизеля уменьшается цикловая подача топлива путем более позднего начала подачи, т. е. изменяется угол начала подачи.
Теоретически угол конца подачи при работе этой системы должен оставаться постоянным. Однако практически, в силу явлений сжимаемости топлив и их протечек, он также изменяется, незначительно уменьшаясь при уменьшении нагрузки. Нарастание давления при впрыске топлива в форсунке начинается несколько позже по сравнению с началом нарастания давления в насосе. Это объясняется влиянием сжимаемости топлива. Происходит как бы запаздывание нарастания давления в форсунке в результате того, что часть времени уходит на сжатие столба топлива, находящегося в форсуночном трубопроводе.
Рис. 1. Характер изменения углов подачи топлива в топливоподающей системе с регулировкой «по началу» при изменении нагрузки дизеля
Таким образом, самой системой регулировки подачи топлива «по началу» предусмотрено при уменьшении нагрузки смещение процесса сгорания за в. м. т.
В результате такого смещения процесса сгорания топлива в режиме малого хода максимальное давление сгорания становится меньше давления сжатия воздуха в цилиндре. Угол максимального давления сгорания топлива почти не изменяется во всем диапазоне нагрузок. Смещение процесса сгорания топлива в сторону за в. м. т. безусловно ставит его в неблагоприятные условия по температурному режиму испарения капель распыленного топлива, образования активных частиц и центров возникновения и развития пламени, а также по времени протекания процесса. Однако хорошее качество распыла топлива, высокий коэффициент избытка воздуха (более 4 на режимах -малого и самого малого хода) обеспечивают удовлетворительное развитие и протекание процесса сгорания.
На рис. 3 приведены осциллограммы подачи топлива в цилиндры дизеля топливоподающей системой с регулировкой «по концу». Здесь к концу впрыска давление топлива повышается, что благоприятно сказывается на окончании впрыска. Действительно, в этом случае обеспечивается резкая посадка иглы на гнездо, что исключает или по крайней мере снижает вероятность подтеканий топлива после окончания процесса подачи. Такое повышение давления в топливоподающей системе с регулировкой «по началу» предусматривать нецелесообразно, поскольку для этой системы увеличение количества топлива, подаваемого в конце впрыска, может привести к неполному сгоранию топлива на режимах малого и самого малого ходов.
Рис. 2. Осциллограммы изменения давления газов в цилиндре дизеля, имеющего топливоподающую систему с регулировкой «по началу»:
а — режим полного хода; б — режим малого хода
Рис. 3. Осциллограммы подъема игл форсунок и изменения давления топлива в топливоподающей системе с регулировкой «по концу»
Увеличение подачи топлива к концу процесса впрыска для топливоподающей системы с регулировкой «по концу» практически не влияет на полноту сгорания, поскольку эта система не смещает, при уменьшении нагрузки, процесс сгорания за в. м. т.
Здесь угол начала подачи топлива при изменении нагрузки почти не меняется, а изменяется угол конца подачи срк.
Таким образом, начало сгорания топлива практически остается близким к в. м. т. для всех нагрузок в диапазоне от режима полного до режима самого малого ходов. В этом случае, даже если к концу процесса впрыска подать увеличенное количество топлива, оно имеет возможность полностью или по крайней мере с большой полнотой прореагировать с кислородом воздуха.
Характерной особенностью рабочего процесса дизелей с топливоподающей системой с регулировкой «по концу» является уменьшение угла максимального давления сгорания ф2 при уменьшении нагрузки.
Сравнивая дизели с двумя рассмотренными типами топливопо-дающих систем, можно сделать вывод, что для более эффективного сжигания топлив дизели, оборудованные системой с регулировкой «по концу», располагают определенным «запасом» более полного сгорания топлива, что особенно важно при использовании высоковязких топлив.
Рис. 4. Изменение углов подачи топлива в топливоподающей системе с регулировкой «по концу» при изменении нагрузки дизеля
Рис. 5. Осциллограммы изменения давления газов в цилиндре дизеля, имеющего топливоподающую систему с регулировкой «по концу»:
а — режим полного хода; б — режим малого хода
Топливоподающие системы со смешанной регулировкой подачи занимают промежуточное положение между двумя рассмотренными выше в части влияния на развитие и протекание рабочего процесса дизеля. Поэтому специально на рассмотрении этой системы можно не останавливаться.
Особо необходимо отметить следующее обстоятельство, которое, как в дальнейшем будет показано, оказывает существенное влияние на работу топливоподающих систем при использовании средне- и высоковязких топлив. Это касается влияния на начало, конец и продолжительность подачи физических свойств топлива (вязкости, плотности, сжимаемости). Вязкость топлива определяет истечение его через сопловые отверстия распылителя, движение в трубопроводах системы и каналах в топливном насосе и форсунках. Увеличение вязкости при впрыске топлива прежде всего ведет к росту давления топлива в топливоподающей системе. Плотность топлива влияет на параметры его подачи, главным образом через инерционность массы топлива, находящегося в форсуночном трубопроводе. Естественно, чем больше объем этого трубопровода и плотность топлива, тем больше инерционность массы последнего.
Сжимаемость топлива является показателем, связанным с плотностью обратно пропорциональной зависимостью. Чем больше плотность топлива, тем меньше его сжимаемость, и наоборот. Сжимаемость топлива оказывает влияние в основном на углы начала и конца подачи. При увеличении сжимаемости используемых топлив это влияние увеличивается.
Средне- и высоковязкие топлива по сравнению с маловязкими топлива-ми характеризуются во много раз более высокой вязкостью, повышенной плотностью и меньшей сжимаемостью.
Увеличение вязкости топлива при впрыске с 1,2 до 4,0°ВУ существенно увеличивает давление в топливоподающей системе (рис. 34) на (50-^90) Х98066 Па. Причем большая разница в давлениях топлива наблюдается в режиме полного хода, для которого в связи с большими скоростями движения топлива в системе влияние гидравлического сопротивления максимально.
Поскольку средне- и высоковязкие сорта топлив имеют более высокую плотность, то для одной и той же нагрузки цикловая подача этих топлив в объемных единицах должна быть меньше подачи маловязкого топлива. Обычно в эксплуатации топливная рукоятка перемещается в положение меньшей подачи топлива в связи с переходом дизеля на более вязкий сорт топлива. Но это не значит, что уменьшается масса подачи топлива. Наоборот, из-за более низкой теплоты сгорания масса цикловой подачи вязких топлив будет несколько больше. В топливоподающей системе с регулировкой подачи топлива «по началу» угол начала подачи Фн для маловязкого топлива больше этого угла для средне- и высоковязкого топлива. Из-за большей сжимаемости» маловязкого топлива эта разница может быть несущественной, но тем не менее она существует.
В топливоподающей системе с регулировкой подачи топлива «по концу» угол начала подачи фн, наоборот, для более вязких топлив всегда больше, чем для маловязкого топлива. Это обусловливается тем, что более вязкие топлива имеют меньшую сжимаемость. Осциллограммы показывают, что начало подачи маловязкого топлива топливоподающей системой первого типа производится раньше, чем для той же нагрузки работы дизеля на высоковязком топливе. Топливоподающая система второго типа всегда подает раньше высоковязкое топливо. Учитывая, что дизель по опережению подачи топлива всегда регулируют на основной сорт топлива (высоковязкое топливо), то топливаподающая система с регулировкой «по концу» обеспечивает более „благоприятные условия работы дизеля в период выполнения реверсов на маловязком топливе. Действительно, эта система маловязкое топливо подает позже, чем высоковязкое, что и требуется для нормальной его подготовки к сгоранию в цилиндре дизеля.
Рис. 6. Изменение давления топлива в топливоподающей системе при изменении частоты вращения дизеля:
1 — для вязкости 1,2°ВУ; 2—для вязкости 4,0°ВУ
Теперь рассмотрим эффективность подготовки распыленного топлива в цилиндре дизеля. Результаты осциллографирования
дизелей с топливоподающими системами двух рассматриваемых типов показывают, что и по параметрам рабочего процесса работа этих дизелей имеет свои особенности. Рассмотрим, как изменяется при изменении режимов работы дизеля угол задержки ф3 воспламенения топлива в цилиндре дизеля.
На рис. 8 и 9 показаны зависимости изменения угла ф3 и периода времени т3 задержки воспламенения топлив от частоты вращения дизелей. На рисунках можно видеть две зоны значений угла <р3: одна для дизелей, оборудованных топливоподающей системой с регулировкой «по началу» (дизель Зульцер 6RD76); другая, II — для дизелей, оборудованных топливоподающей системой с регулировкой «по концу» (дизель Бурмейстер и Вайн 550VTBF 110). Нижняя прямая соответствует изменению ф3 в зависимости от частоты вращения при работе дизеля на маловязком топливе, а верхняя — на высоковязком топливе.
Для дизелей, оборудованных системой с регулировкой «по началу», соответственно снижению частоты вращения увеличивается ф3. Для дизелей, оборудованных системой с регулировкой «по концу», наоборот, ф3 при снижении частоты вращения уменьшается. Период задержки воспламенения т3 в обоих случаях при уменьшении частоты оборотов увеличивается.
На период и угол задержки воспламенения влияет ряд факторов. Основные из них: тепловое состояние заряда воздуха в объеме камеры сгорания, качество- распыла топлива, физико-химические показатели топлива.
При уменьшении частоты вращения дизеля уменьшается давление сжатия рс и соответственно этому изменяется тепловое состояние заряда воздуха в цилиндрах. От теплового состояния заряда воздуха зависит плотность образования активных частиц (ионов, атомарного кислорода, возбужденных ;молекул и атомов воздуха). По мере уменьшения частоты вращения дизеля плотность этих частиц уменьшается и .поэтому становятся хуже условия самовоспламенения топлива. Здесь следует особо отметить, что плотность образования активных частиц зависит не только от теплового состояния заряда воздуха, но и от времени. При сжатии воздуха в цилиндре плотность активных частиц увеличивается. Происходящий одновременно с этим процесс рекомбинации активных частиц в условиях повышения давления и теплового состояния заряда воздуха не превалирует над процессом образования активных частиц. Наоборот, при уменьшении давления сжатия заряда воздуха, соответственно движению поршня вниз от в. м. т., процесс рекомбинации начинает преобладать над процессом образования активных частиц и плотность распределения последних в объеме камеры сгорания снижается.
Рис. 7. Осциллограммы подъема иглы форсунки при работе дизеля на маловязком (1) и высоковязком (2) топливах с топливоподающими системами с регулированием «по началу» (а) и «по концу» (б)
Рис. 8. Изменение угла задержки воспламенения топлив в зависимости от частоты вращения дизелей
Известно, что при работе дизеля по винтовой характеристике давление сжатия изменяется. Следовательно, изменяется и плотность образования активных частиц. Но плотность активных частиц, отнесенная к количеству подаваемого в цилиндр топлива, при этом не уменьшается. Поэтому, если обеспечить хорошее качество распыла топлива, период задержки воспламенения будет незначительно колебаться при изменении режима работы дизеля.
В то же время качество распыла топлива по мере уменьшения нагрузочного режима значительно ухудшается. Дисперсность распыленного топлива уменьшается. На испарение более крупных капель требуется больше времени, и период задержки воспламенения, как правило, увеличивается. Для дизелей, оборудованных топливоподающей системой с регулировкой подачи «по началу», увеличение периода задержки воспламенения топлива при уменьшении частоты вращения более существенно еще и потому что подача топлива начинается за в. м. т. тогда, когда процесс рекомбинации активных частиц начинает преобладать над процессом их образования. Исследования показывают, что период т3 и угол задержки воспламенения у высоковязких топлив больше, чем у маловязких. И эта разница возрастает при уменьшении частоты оборотов дизеля. Это объясняется тем, что высоковязкие топлива распиливаются с меньшей дисперсностью, а также тем, что эти топлива обладают более низкой испаряемостью.
Рис. 9. Изменение периода задержки воспламенения топлив в зависимости от частоты вращения дизеля
Сгорание топлив в цилиндре дизеля так же, как и подготовка, зависит от ряда факторов, и в первую очередь от процесса подачи топлива — его продолжительности и подачи в единицу времени.
На рис. 10 и 11 приведены зависимости средней скорости нарастания давления для дизелей Зульцер RD76 и Бурмейстер и Вайи 550VTBF110 при изменении частоты вращения. Характер кривых, представленных на рисунках, существенно отличается.
Средняя скорость нарастания давления у дизеля Зульцер RD76 на режиме полного хода имеет самые большие значения. Затем, по мере снижения частоты вращения, значение этого параметра уменьшается. В дизеле Бурмейстер и Вайн 550VTBF110 средняя скорость нарастания давления Ад/Дер в интервале частоты вращения для режимов полного и малого ходов сначала возрастает и достигает максимума при частоте вращения, равной 50% полной, а затем снижается. При этом Др/Дф для полного и малого ходов примерно одинаково.
Рис. 10. Изменение средней скорости нарастания давления в цилиндре дизеля Зульцер 6RD76 при изменении частоты вращения
Рис. 11. Изменение средней скорости нарастания давления в цилиндре дизеля Бурмейстер и Вайн 550VTBF110 при изменении частоты вращения
На режиме п. х. скорость нарастания давления в цилиндре дизеля Зульцер RD76 значительно больше, чем у дизеля Бурмейстер и Вайн 550VTBF110. Топливоподающие системы этих дизелей «организованы» так, что цикловая подача у первого дизеля (Зульцер RD76) характеризуется изменением от максимума до минимума, а у второго дизеля, наоборот,— от минимума до максимума. Таким образом, максимальное количество топлива подается в дизеле Зульцер RD76 в начале процесса подачи, а в дизеле Бурмейстер и Вайн 550VTBF110 —в конце.
С точки зрения «жесткости» работа дизеля 550VTBF110 находится в более благоприятных условиях. Действительно, при работе дизеля на эксплуатационном режиме полного хода «жесткость» минимальная — такая же, как на режиме малого хода. Это особенно важно потому, что на режиме полного хода дизель работает длительное время. В этом смысле дизель Зульцер RD76 является противоположностью дизелю Бурмейстер и Вайн 550VTBF110. Именно на длительном эксплуатационном режиме полного хода дизель Зульцер RD76 имеет наибольшую «жесткость». Изменить характер цикловой подачи дизелей, оборудованных топливоподающей системой с регулировкой подачи «по началу», не представляется возможным, потому что тогда на долевых режимах, особенно на режиме малого хода, из-за поздней подачи относительно больших порций топлива будет иметь место неполное сгорание. Таким образом, чтобы обеспечить нормальную работу дизеля этого типа на всех эксплуатационных режимах, приходится допускать более высокую «жесткость», чем у дизелей, оборудованных топливоподающей системой с регулировкой подачи «по концу». Нормальную работу любой топливоподающей системы, эффективное протекание рабочего процесса при использовании средне- и ёысоковязких топлив обеспечивают правильным выбором вязкости топлива при впрыске.
Вязкость топлива зависит от температуры. Но с температурой подогрева топлива связана и его плотность. Поэтому, устанавливая (перед подачей в цилиндры дизеля) определенную вязкость топлива, необходимо иметь в виду, что при этом будет изменяться и плотность. И вязкость, и плотность топлива, подаваемого в цилиндры, влияют на рабочий процесс.
Поэтому, выбирая значение вязкости топлива при впрыске и его подогреве, необходимо учитывать изменение плотности топлива в зависимости от температуры.
Поддерживать плотность в рекомендованных пределах не менее важно, чем вязкость. С вязкостью связано качество распыла топлива. Чем она выше, тем больше внутримолекулярные силы сцепления и, следовательно, тем ниже дисперсность распыленного топлива. Плотность определяет массу капель распыливаемого топлива.
Естественно, тяжелые капли обладают большей кинетической энергией и в камере сгорания они концентрируются в периферийной зоне камеры. Капли топлива с небольшой плотностью обладают незначительной кинетической энергией и в камере сгорания концентрируются в зоне, близкой к сопловому аппарату.
Оптимальным является такое состояние топлива (такие вязкость и плотность), при котором капли распыленного топлива равномерно распределяются в объеме камеры сгорания.
На рис. 12 приведена диаграмма зависимости вязкости от температуры и давления в логарифмических координатах. Левая часть диаграммы выражает зависимость вязкости от температуры при нормальном атмосферном давлении, правая — вязкости от давления. На диаграмме выделена рабочая зона вязкости, при которой осуществляется подача топлива в цилиндры. Диапазон вязкости, при которой допускается впрыск топлива, указан на оси ординат справа (1,5-г-4,0оВУ). Наклонные линии на правой половине диаграммы, ограничивающие этот диапазон, показывают зависимость вязкости от давления в топливоподающей системе при впрыске. По известному давлению впрыска и выбранной вязкости топлива на правой половине диаграммы отмечается точка, через которую проводят прямую, параллельную наклонным линиям, ограничивающим рабочий диапазон вязкости до пересечения с вертикальной линией раздела диаграммы. Горизонтальная линия, проведенная из точки пересечения, покажет на ординате слева вязкость, которую следует поддерживать перед топливоподающей системой, и соответственно этому для любого топлива температуру его подогрева (на оси абсцисс).
Рис. 12. Диаграмма зависимости вязкости топлива от температуры и давления
На рис. 13 приведена диаграмма, которая позволяет по заданной плотности определять допустимую температуру подогрева топлива, и наоборот. А по температуре с помощью диаграммы на рис. 12 можно найти вязкость, при которой целесообразно осуществлять подачу топлива в цилиндры дизеля. Оптимальные значения вязкости и плотности можно найти опытным путем, по результатам анализа параметров рабочего процесса, измеренных температур -выпускных газов и удельного расхода топлива.
Диаграммы на рис. 12 и 13 можно использовать для выбора вязкости и температур подогрева топлива на всем пути следования его из запасных танков к дизелю, чтобы обеспечить перекачивание топлив из танка в танк, очистку их в сепараторах и фильтрах и другие процессы подготовки. С применением различных сортов топлив, в частности средне- и высоковязких, связаны некоторые трудности, возникающие при выполнении реверсов. Именно эти трудности вынуждают в период выполнения реверсов и пусков переводить дизель на маловязкое топливо.
Режимы пуска и реверсирования отличаются следующим:
— тепловое состояние цилиндров неблагоприятно для прогрева и испарения капель распыленного топлива;
— подача топлива осуществляется при малой частоте вращения дизеля.
Это значит, что топливо распыливаетея при небольших давлениях в системе, т. е. при условиях, которые не обеспечивают хорошего качества рас-пыливания. В этих условиях средне- и высоковязкие топлива распыливаются с меньшей дисперсностью. На прогрев и испарение более крупных капель требуется больше времени. Топливо, подготовленное недостаточно качественно, сгорает менее эффективно и не полностью. В отдельных случаях могут происходить пропуски вспышек топлива в цилиндре. Чем тяжелее состав топлива, тем труднее запустить дизель.
При испытании малооборотных дизелей Зульцер 6RD76, Зульцер 9RD90, Бурмейстер и Вайн 550VTBF110 на каждом виде топлива были выполнены пуски при ходе «Вперед». Испытания зафиксировали более медленное нарастание частоты вращения при пуске на высоковязких топливах.
При испытании дизеля Бурмейстер и Вайн на топочном мазуте 40 не удалось сделать более трех-четырех пусков подряд. Вязкость мазута при остывании его в нагнетательном трубопроводе повышалась до такой степени, что распыливание не обеспечивало необходимой для самовоспламенения дисперсности и плотности распределения топливных частиц в объеме камеры сгорания. В этом случае пуск дизеля оказывался невозможным.
Пропуск вспышек топлива в отдельных цилиндрах замедлял нарастание частоты вращения. Таким образом, выход дизеля на заданный режим при пуске на высоковязком топливе несколько замедлен.
Рис. 13. Диаграмма зависимости плотности топлива р от температуры t подогрева топлива
Однако такое замедление наблюдалось только в начальный момент пуска (при «раскручивании»). На рис. 43 приведены кривые, показывающие, как влияет пропуск вспышки на нарастание частоты вращения вала двигателя Зульцер 6RD76 и его турбонагнетателей. Сгорание дизельного топлива в цилиндре, начавшееся приблизительно через 0,85 с после пуска, обеспечило повышение частоты вращения дизеля (пунктир). Еще через 1,1 с газовый импульс из цилиндра резко повысил частоту вращения турбонагнетателя (пунктир). При работе на высоковязком топливе в случае пропуска вспышки в аналогичные моменты наблюдалось снижение частоты вращения дизеля (сплошная кривая) и незначительное повышение частоты вращения турбины (сплошная кривая). Последнее связано уже только с импульсом от других цилиндров, поэтому увеличение частоты вращения незначительно и сдвинуто по фазе (происходит через 1,3 с после начала пуска).
Рис. 14. Осциллограмма изменения давления (в цилиндре) подъема иглы форсунки и давления топлива в топливоподающей системе, указывающая на пропуск вспышек топлива в режиме -пуска дизеля
Рис. 15. Влияние пропусков вспышек топлива в цилиндрах на «раскручивание» дизеля 6RD76
Длительная эксплуатация теплоходов «Елгава» (дизель Бурмейстер и Вайн 550VTBF110) и «Лисичанск» (дизель Зульцер 9RD90) показала, что при кратковременных остановках судов в море пуск дизеля может осуществляться на высоковязком топливе (например, на экспортном мазуте +10 °С) без перевода на дизельное. Только при длительной остановке судна топливная система должна быть очищена от высоковязкого топлива и прокачана дизельным топливом для дальнейшего осуществления пусков и реверсов.