В качестве вспомогательных дизелей на судах морского флота успешно используются среднеоборотные (до 750 об/мин) и многооборотные (выше 750 об/мин) тронковые дизели отечественной и иностранной постройки; широко применяются четырех- и двухтактные дизели с нормальной продувкой, наддувом и промежуточным охлаждением воздуха. Дизели выпускают в однорядном или V-образном исполнении с различным количеством цилиндров. Ответственные детали остова дизелей изготавливают из мелкозернистых, модифицированных чугунов, коленчатый вал — из легированной стали. Вкладыши рамовых и мотылевых подшипников, как правило, изготавливают из стали с заливкой их свинцовистой бронзой.
Поршни изготавливают из чугуна или алюминиевого сплава. Днище поршня, как правило, охлаждается струей масла, подаваемой через кривошинно-шатунный механизм и головной подшипник.
Развитие дизелей вообще и среднеоборотных, в частности, проходит в направлении дальнейшей их форсировки. Особенно интенсивно идет форсировка среднеоборотных четырехтактных дизелей. Уже сейчас выпускают дизели, работающие при среднем эффективном давлении реср 18×98066 Па.
Форсировка среднеоборотных двухтактных дизелей идет медленнее, в ближайшем будущем ожидается, что ресР у них возрастет до 14×98066 Па.
В качестве наддувочной системы обычно используется импульсная система.
Учитывая тенденции к увеличению степени наддува, в перспективе следует ожидать применения двух- и даже трехступенчатых компрессоров с промежуточным охлаждением воздуха между ступенями.
В связи с форсировкой дизелей появляются проблемы, связанные с высокими механическими и термическими напряжениями в деталях камеры сгорания (крышка, втулка, поршень). Высокое давление газов влечет за собой, для обеспечения необходимой прочности, увеличение толщины стенок цилиндра. В то же время это не всегда возможно, поскольку увеличенные тепловые потоки требуют интенсивного отвода тепла, что в случае значительной толщины стенок невозможно обеспечить, не вызывая при этом повышенных термических напряжений. В результате указанных трудностей невозможно обеспечить в зоне поршневых колец небольшую температуру, которая у ряда современных танковых дизелей достигает 280°С.
Для обеспечения нормальной работы поршня необходим определенный зазор между поршнем и втулкой. В связи с высокими температурами в верхней части поршня форма его сложна — наружную поверхность на участке от днища до маслосъемных колец и далее, на участке до нижней части «юбки», выполняют конусной. При этом конусность на участке от днища до маслосъемных колец больше, чем на участке от маслосъемных колец до нижнего торца юбки. Таким способом обеспечивается при расширении поршня необходимый зазор между поршнем и втулкой, а также предупреждается задир втулки при движении поршня по ее зеркалу.
Конструкция топливоподающей системы вспомогательных дизелей примерно такая же, как у главных. В системе устанавливают топливные насосы, золотниковые или клапанные, с регулировкой подачи «по началу» или «по концу».
Последние модели форсированных тронковых дизелей для обеспечения надежной работы форсунок имеют охлаждение форсуночных распылителей. Часто охлаждаемыми делаются и клапаны, что обеспечивает работу этих дизелей на топливах повышенной вязкости.
Выбор рационального сорта топлива для вспомогательных дизелей осуществляется с учетом: сорта топлива, рекомендованного для главного дизеля; надежности работы вспомогательных дизелей на выбранном сорте топлива.
Для обеспечения нормальной эксплуатации дизельной установки предусматривается два сорта топлива. Один из них, который может быть классифицирован как основной, предназначается для работы дизелей на эксплуатационных режимах, включая выполнение реверсов и пусков в случае кратковременных остановок. Второй сорт, вспомогательный, предназначается для работы дизелей в течение 1—2 ч перед их длительной остановкой, а также для работы в случае возникновения сложных эксплуатационных ситуаций (авария и др.).
Основной сорт по качественным показателям значительно отличается от вспомогательного. Последний должен быть более качественным, способным обеспечить надежную работу дизелей в любых сложных метеорологических и аварийных условиях. Этот сорт топлива не должен быть агрессивным в жидкой фазе и нарушать сохранность оборудования топливной системы.
Вспомогательный сорт топлива должен обеспечивать надежную работу дизелей без его предварительной очистки и подогрева на пути следования к дизелю. Оно не должно образовывать с водой стойкой эмульсии и должно легко от нее отстаиваться. Таким сортом может быть маловязкое топливо.
Такие жесткие требования к качеству основного сорта топлива не предъявляются. Этот сорт топлива должен обеспечивать надежную работу дизелей после его соответствующей подготовки (подогрев, очистка). За счет более низкого качества топливо должно быть недорогим и, таким образом, обеспечивать эксплуатацию дизельной установки с оптимальными эксплуатационными расходами.
Учитывая изложенное, наиболее целесообразным является использование во вспомогательных дизелях тех же сортов, которые рекомендованы для главного дизеля.
Однако вспомогательные дизели вследствие их неприспособленности — отсутствие охлаждения распылителей форсунок и клапанов, несовершенство организации рабочего процесса, недостаточные зазоры в прецизионных парах топливной аппаратуры — часто не могут надежно работать на основном сорте, рекомендованном для главного дизеля.
Тогда для вспомогательных дизелей выбирают один сорт — маловязкое топливо, рекомендованное для главного дизеля в качестве вспомогательного.
Таким образом, для вспомогательных дизелей могут использоваться топлива:
— маловязкие (дизельные, дистиллятные и перспективные сорта) — в качестве единого сорта;
— средневязкие (топливо ДТ, флотский мазут Ф-5, перспективные сорта) — в качестве основного и маловязкие — в качестве вспомогательного сорта;
— высоковязкие: легкие (топливо ДМ, экспортный мазут + 10°С, флотский мазут Ф-12, перспективные сорта)—в качестве основного и маловязкие — в качестве вспомогательного сорта.
Вспомогательные дизели работают по нагрузочной характеристике. Это значит, что изменение параметров рабочего процесса происходит при постоянной частоте вращения в зависимости от изменения нагрузки. При изменении нагрузки вспомогательного дизеля меняется цикловая подача топлива за счет увеличения продолжительности и давления впрыска.
В зависимости от группового и фракционного состава топлива закономерность может быть более или менее выраженной. Так, угол задержки воспламенения ф3, скорости нарастания давления и и максимальное давление сгорания pz при работе на средне- или высоковязких топливах могут быть больше или меньше, чем эти же параметры при работе на маловязком топливе — дизельном дистиллятном. Однако общий характер изменения этих параметров при изменении нагрузки сохранится.
Рис. 1. Процесс топливоподачи и рабочий процесс вспомогательного дизеля
Вследствие наличия в широкофракционном топливе компонентов, которые легко испаряются, распыленное топливо сравнительно легко образует пары. Эти пары под действием высоких температур в цилиндре атомизируются, ионизируются и воспламеняются.
Таким образом, угол задержки воспламенения ф3 у широкофракционных топлив незначительно больше, а иногда и меньше, чем у маловязких топлив — дизельных дистиллятных сортов.
Скорости нарастания давления и широкофракционных топлив больше, чем топлив узкого фракционного состава. При этом, поскольку процесс сгорания смещается на линию расширения, максимальное давление сгорания при работе на широкофракционном топливе меньше, чем при работе на топливе узкого фракционного состава.
Рис. 2. Процесс сгорания топлива широкого фракционного состава
Рис. 3. Изменение задержки воспламенения и скорости нарастания давления газов при работе вспомогательного дизеля на дизельном топливе (1) и топливе ДТ (2)
При увеличении угла воспламенения ср3 характер изменения скоростей нарастания давления может быть самым различным и —— и могут иметь значения как больше, так и меньше тех которые бывают при работе на маловязких топливах.
Увеличение задержки воспламенения происходит вследствие укрупнения частиц распыленного топлива, более медленного испарения.
Влияние этих особенностей на протекание рабочего процесса противоположно. Все дело в том, что по мере уменьшения цикловой подачи топлива качество его распыла ухудшается — топливные частицы укрупняются и плотность их распределения в объеме камеры сгорания становится неодинаковой. Это связано прежде всего с уменьшением давления впрыска топлива, происходящим под влиянием сжимаемости топлива, которое (это влияние) при уменьшении цикловой подачи становится все более значительным.
На испарение более крупных топливных частиц и образование активных частиц требуется большой промежуток времени. Но поскольку частота вращения постоянна, то, значит, увеличение периода задержки воспламенения смещает процесс сгорания топлива на ход расширения. То, что давление сжатия при уменьшении нагрузки практически остается постоянным, является положительным фактором, поскольку в этом случае сохраняется одно и то же температурное состояние воздушного заряда в цилиндре дизеля.
Менее качественный распыл топлива при уменьшении нагрузки может и не оказывать влияния на задержку воспламенения средне- и высоковязких топлив.
При этом характерно, что при работе, например, на топливе ДТ угол ф3 может иметь и меньшие значения, чем при работе на дизельном дистиллятном топливе (рис. 46). Меньшие значения ф3 для топлива ДТ по сравнению с ф3 для дизельного дистиллят-ного топлива объясняются наличием в них тяжелых компонентов, имеющих более низкую температуру самовоспламенения. Таким образом, при менее качественном распыле этих топлив на малых нагрузках влияние состава делается более существенным.
Кривые показывают, что при сгорании топлива ДТ развитие процесса на участке О’А“ происходит с меньшей скоростью. Это смещает весь процесс сгорания вправо от в. м. т. На участке А’В“ скорость сгорания топлива ДТ становится больше скорости сгорания дизельного дистиллятного топлива (участок АВ). Окончание процесса сгорания топлива характеризуется его постепенным затуханием, которое для топлива ДТ происходит медленнее, чем для дизельного дистиллятного топлива (участок BZ).
В целом весь процесс сгорания топлива ДТ смещается вправо. Причиной этого является, с одной стороны, увеличенный период задержки воспламенения ф3, а также замедленное развитие сгорания (участок О’А“) при более высокой «жесткости» сгорания по сравнению с дизельным дистиллятным топливом.