Физико-химические свойства топлива. В судовых дизелях используют только жидкое топливо, являющееся продуктом переработки нефти. Основными химическими элементами, входящими в состав топлива, являются углерод и водород. Топливо для дизелей, как правило, содержит 83—87% углерода и 11—14% водорода. Кроме этих элементов, в составе топлива могут быть также сера, кислород, азот, водорастворимые кислоты и щелочи, механические примеси и вода.

Сера в топливе содержится в виде различных соединений, наличие которых крайне нежелательно, так как, сгорая, сера превращается в сернистый газ. При реакции с водой он образует сернистую или серную кислоты, вызывая повышенную коррозию внутренних поверхностей цилиндров, стенок цистерн, трубопроводов и деталей топливной аппаратуры. По этой же причине нежелательно содержание в топливе и других кислот и щелочей. Содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,5%, а в тяжелом — 3%.

Вредными составляющими топлива являются высокомолекулярные соединения плотностью, превышающей 1 г/см3, называемые смолами. Они увеличивают количество осадков в топливе, повышают коррозионную активность последнего, ухудшают работу топливной аппаратуры и при сгорании в виде нагара откладываются на стенках деталей цилиндропоршневой группы. Концентрация фактических смол допускается не более 40 мг на 100 см3 топлива.

Доля азота (0,1—0,2%) и кислорода (не более 1%) в топливе по массе незначительна. Азотистые соединения практически не влияют на качество сгорания. Кислород, как известно, поддерживает горение. Однако в составе различных соединений кислот, смол и других примесей кислород оказывает вредное воздействие на детали дизеля.

Механические примеси состоят из частиц органического и неорганического происхождения. Наличие в топливе механических примесей и воды нарушает нормальную работу дизеля, приводит к интенсивному изнашиванию топливной аппаратуры и деталей цилиндропоршневой группы. В соответствии со стандартами содержание механических примесей в различных марках топлива колеблется от 0 до 0,2%, воды — от 0 до 1,5%.

Жидкое топливо характеризуется и рядом других физико-химических свойств:
плотностью, теплотой сгорания, вязкостью, температурами вспышки, самовоспламенения и кристаллизации (застывания).

Под плотностью понимается масса единица объема топлива при температуре 20 °С. Для судовых дизелей используют топливо с плотностью более 800 кг/м3. По плотности можно ориентировочно судить о содержании в топливе легких фракций, т. е. группы углеводородов, имеющих примерно одинаковую температуру кипения. В топливе содержатся легкие и тяжелые фракции. При наличии легких фракций, кипящих при температуре до 250 °С, облегчается пуск дизеля. Однако с увеличением легких фракций в топливе возрастают нагрузки на детали криво-шипно-шатунного механизма. При наличии тяжелых фракций, кипящих при температуре 250—350 °С, ухудшается качество распыливания топлива и происходит отложение нагара на деталях цилиндропоршневой группы. Как показывает опыт эксплуатации дизелей, целесообразный предел количества фракций в топливе, выкипающих при температуре 250 °С, не должен превышать 10—15%. Чем больше в топливе тяжелых фракций, тем выше его плотность.

Основным свойством, определяющим качество топлива как носителя тепловой энергии, является теплота сгорания. Количество теплоты, выделяемой при полном сгорании 1 кг топлива (теплота сгорания), для дизелей колеблется в пределах 40— 43 МДж/кг. При большей теплоте сгорания топлива обеспечивается меньший расход его в дизеле. Это особенно важно для судовых дизелей, так как при заданном запасе топлива можно увеличить автономность плавания судна. Нормирование и отчетность по расходу горючего на судах ведутся в условном топливе. Так называют топливо с теплотой сгорания 29,307 МДж/кг. Например, если СЭУ за отчетный период израсходовано 50 т дизельного топлива с теплотой сгорания 42,5 МДж/кг, то это будет составлять 50 (42,5/29,307) =72,5 т условного топлива.

Качество сгорания топлива в дизелях во многом зависит от его вязкости (мм2/с), под которой понимают свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одних ее частиц относительно других. С уменьшением вязкости топлива смазочные свойства его несколько ухудшаются. Значительное снижение вязкости может привести к повышенному изнашиванию деталей топливной аппаратуры. При увеличении вязкости ухудшается качество рас-пыливания топлива, увеличивается его расход и затрудняется пуск дизеля. Вязкость топлива при повышении температуры уменьшается, поэтому сорта топлив с высокой вязкостью перед впрыскиванием в цилиндры подогревают до 40— 70 °С.

О возможности применения топлива при низких температурах окружающей среды судят по температуре кристаллизации, когда выпадающие из топлива кристаллы углеводородов затрудняют его подачу к форсунке. Момент образования кристаллов характеризуется температурой помутнения. Текучесть топлива полностью прекращается при температуре застывания, когда топливо теряет способность перемещаться. При температуре застывания топлива выше 5 °С в топливную систему включают устройства для его подогрева.

Пожарную безопасность топлива характеризует температура вспышки, т. е. минимальная температура, при которой пары топлива вспыхивают от соприкосновения с пламенем. В соответствии с Правилами Речного Регистра РСФСР топлива для судовых дизелей должны иметь температуру вспышки не ниже 60 °С.

В дизелях топливо самовоспламеняется при соприкосновении с нагретым в цилиндре воздухом, поэтому одной из важных характеристик топлив, применяемых в дизелях, является температура самовоспламенения, т. е. минимальная температура нагрева топлива, при которой оно воспламеняется в присутствии воздуха без постороннего источника зажигания. Обычно у дизельных топлив температура самовоспламенения не превышает 400 °С.

Топливо для дизелей. Затраты на топливо составляют основной расход при эксплуатации судна, поэтому выбор марки топлива для каждого типа дизеля обосновывают экономическими расчетами с определением народнохозяйственного эффекта. Марки и характеристики топлив, выпускаемые отечественной промышленностью, приводятся в соответствующих государственных стандартах. Судовые дизели работают на легком (дизельном) или тяжелом (газотурбинном или моторном) топливах. Дизельное топливо марки Л (летнее) используют в дизелях, эксплуатируемых при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С; марки 3 (зимнее) — при температуре воздуха минус 20 °С и выше; А (арктическое) — при температуре минус 50 °С и выше.

Вязкость колеблется в пределах для дизельного топлива марки Л 3,0— 6,0 мм2/с, марки 3 1,8—5,0 мм2/с марки А 1,5—4 мм2/с.

Количество серы в названных марках дизельного топлива указывается первой цифрой. Например, для летнего периода марки Л-0, 2-60 температура вспышки 60 °С, массовая доля серы 0,2%; для зимнего топлива марки 3-0, 2-35 температура застывания минус 35 °С, массовая доля серы до 0,2%; для топлива марки А-0,4 массовая доля серы достигает 0,4%.

Необоснованное использование топлив лучших марок экономически невыгодно, так как это дороже. На речном транспорте широкое применение получило газотурбинное топливо ТГ и ТГВК (газотурбинное высшей категории качества). Теплота сгорания этого топлива составляет около 40 МДж/кг. В топливе марки ТГВК содержится до 1% серы, в топливе марки ТГ — до 2,5%. Температура застывания топлив обеих марок не выше 5 °С. В газотурбинном топливе может наблюдаться повышенное содержание смол, особенно после длительного хранения, поэтому перед употреблением его необходимо подвергать сепарации. Газотурбинное топливо несколько дешевле дизельного. Низкую стоимость имеет и моторное топливо марки ДТ с содержанием серы от 0,5 до 1,5%. Моторные топлива имеют повышенную вязкость, поэтому дизели СЭУ, работающие на топливах этих марок, оборудуют устройствами для их подогрева и предварительной очистки. В последнее время для работы среднеоборотных дизелей используют смеси дизельного и моторного топлив или при полной нагрузке — моторное, а при пуске, во время маневров и перед остановкой СЭУ — дизельное.

Смесеобразование в дизелях. Для полного сгорания топливо в цилиндре должно быть распылено на мельчайшие капли, тщательно перемешано с частицами воздуха и равномерно распределено по объему пространства сжатия (камеры сгорания). Процесс подготовки топлива к сжиганию называют смесеобразованием. Топливо начинает дробиться на мельчайшие частицы в момент выхода из отверстий форсунки. Количество струй определяется числом отверстий в форсунке и чем их больше, тем равномернее распределяется топливо в камере сгорания. С помощью специальных насосов создается давление, необходимое для распыления топлива. Скорость истечения топлива из форсунки достигает 250—350 м/с, а давление впрыскивания — 40—100 МПа.

Рис. 1. Формы камер сгорания

Формы камер сгорания должны соответствовать направлению и длине струй топлива. В ней не должно быть «мертвых пространств», в которые не проникло бы распыленное топливо. Площадь поверхности камеры должна быть возможно наименьшей. Чем она меньше, тем ниже тепловые потери через стенки камеры. В зависимости от числа и конструкции камер сгорания в дизелях может осуществляться одно- или двухкамерное смесеобразование.

При однокамерном смесеобразовании формы камер сгорания судовых четырехтактных дизелей создаются путем изменения конфигурации верхней части (днищ) поршней. Наибольшее распространение получили камеры сгорания с плоскими днищем, с полусферическим углублением днища, с выступом в центре днища, с углублением трапецеидальной формы и сферическим углублением днища. Частицы воздуха в таких камерах при движении поршня вверх перемещаются в различных направлениях с неодинаковой скоростью, благодаря чему обеспечивается лучшее перемещение частиц топлива с воздухом. В камерах с плоским и с полусферическим углублением днища поршня основная масса воздуха сосредотачивается в районе форсунки 2. Для камер таких форм исключается попадание частичек топлива на стенки цилиндра. Однако при сгорании топлива днища поршней усиленно нагреваются, что усложняет условия работы верхних поршневых колец. Кроме того, в центре камеры образуется «мертвое пространство», куда не попадают частицы топлива. Из-за неравномерности распределения частиц топлива снижается эффективность процесса смесеобразования. Форме струй топлива в наибольшей степени соответствует камера сгорания с выступом в центре днища поршня, основная масса воздуха в которой находится вдали от форсунки. Движение воздуха в таких камерах близко к вихреобразному, и условия для качественного смесеобразования в них лучше. Недостатком камеры является повышенный нагрев выступа в центре днища и кольцевого выступа по образующей поршня.

Наиболее организованное вихреоб-разное движение воздуха осуществляется в камерах с углублением трапецеидальной формы конструкции Центрального научно-исследовательского дизельного института (ЦНИДИ). Однако при сгорании топлива в таких камерах значительно нагреваются днище и стенки поршня. Поэтому камеры с углублением трапецеидальной формы применяются лишь в дизелях небольших размеров.

Рассмотренные способы смесеобразования называют объемными, так как при подготовке к сжиганию доза топлива полностью распыливается в объеме соответствующей камеры. На некоторых дизелях с диаметром цилиндра до 140 мм внедрен объемно-пленочный способ смесеобразования, так называемый М-процесс. Камера сгорания в этом случае образуется сферическим углублением в днище поршня. При впрыскивании топлива через форсунку около 95% его оседает на стенках поршня и лишь около 5% распыливается в камере. Процесс сгорания топлива в камерах с объемно-пленочным смесеобразованием можно условно, разделить на две стадии: вначале самовоспламеняется распыленное топливо, а затем по мере испарения сгорает и топливная пленка, покрывающая стенки камеры.

Частично объемно-пленочное смесеобразование происходит и в камерах ЦНИДИ. Дизели с камерой, показанной на рис. 1, д, отличаются наиболее мягкой работой, так как топливо в них сгорает постепенно и скорость нарастания давления в период сгорания сравнительно невысока.

При однокамерном смесеобразовании топливо в цилиндры дизеля подается под высоким давлением через 6—8 отверстий диаметром 0,2—0,5 мм. Чтобы обеспечить высокое давление впрыскивания топлива, дизели оборудуют сложной топливной аппаратурой. Для упрощения топливной аппаратуры и процесса обслуживания отдельные дизели небольшой мощности имеют две камеры сгорания: в крышке цилиндра и в пространстве под крышкой. Камеры в крышке (обычно сферической формы) часто делают со вставной горловиной, которая выполняет функции теплового аккумулятора. Она нагревается при работе дизеля и повы.шает температуру сжатого воздуха. Процесс сгорания топлива в дизелях с двухкамерным смесеобразованием осуществляется следующим образом. Во время такта сжатия воздух из одной камеры б по соединительному каналу поступает в другую камеру а.

Так как камера а имеет сферическую форму, движение воздуха в ней вихреобразное. Поэтому такой способ смесеобразования называют вихрека-мерным. В вихревую камеру поступают 70—80% всего объема воздуха. Здесь сгорает основная часть топлива, подаваемого через форсунку. При воспламенении топлива давление в вихревой камере а возрастает и продукты сгорания с частицами несгоревшего топлива выходят в камеру б, где они окончательно догорают. Вследствие большой скорости движения, а также интенсивного вихреобразования топливо в таких камерах хорошо распыливается и перемешивается с воздухом. Поэтому дизели с двухкамерным смесеобразованием имеют несколько упрощенную топливную аппаратуру. Топливо в них впрыскивается при давлении 12— 24 МПа через форсунку с одним отверстием диаметром более 1 мм. Такие дизели менее чувствительны к качеству очистки топлива. Однако крышки цилиндров у дизелей имеют более сложную конструкцию. Чтобы облегчить пуск дизелей, в вихревых камерах часто устанавливают спирали накаливания. Дизели с двухкамерным смесеобразованием расходуют больше топлива на единицу мощности, чем однокамерные, из-за чего снижается их экономичность и ограничивается область применения. На судах такие дизели, как правило, используют в качестве вспомогательных.

Понятие о внецилиндровом смесеобразовании. Для приготовления смеси топлива с воздухом в двигателях с искровым зажиганием используются карбюраторы. Простейший карбюратор состоит из поплавковой и смесительной камер. Уровень бензина поддерживается в камере б постоянным с помощью поплавка и клапана. Смесительная камера а имеет диффузор (канал переменного сечения). При работе двигателя во время всасывающего хода поршня под действием разности давлений в диффузоре и поплавковой камере бензин через калиброванное отверстие-жиклер поступает к распылителю. В результате распыливания топлива в потоке воздуха образуется смесь, которая и поступает в картерную полость двухтактного или цилиндр четырехтактного двигателя. Количество смеси, поступающей в двигатель, зависит от положения дроссельной заслонки.

Рис. 2. Схема простейшего карбюратора

Основные сведения о процессе сгорания топлива. Поступающее в цилиндр дизеля топливо воспламеняется не сразу. Сначала частички топлива испаряются в среде сжатого воздуха, перемешиваются с последним и нагреваются до температуры самовоспламенения за 0,001—0,005 с. За это время кривошип коленчатого вала повернется на некоторый угол, поэтому впрыскивание топлива в цилиндр осуществляется с опережением, т. е. до того, как поршень придет в в.м.т.

У судовых дизелей в зависимости от их типа, частоты вращения коленчатого вала, сорта топлива и других показателей угол опережения впрыскивания топлива колеблется от 15 до 33°. Предположим, что подача топлива в цилиндр начинается в точке с опережением на угол. За период задержки самовоспламенения коленчатый вал повернется на угол и в цилиндр поступит часть топлива (15—50% от дозы, впрыскиваемой за цикл). За период задержки самовоспламенения поступившая в цилиндр часть топлива успеет испариться и перемешаться с воздухом. В точке т диаграммы топливо самовоспламеняется и оставшиеся 50—85% топлива, поступившего в цилиндр после задержки самовоспламенения, попадают уже в среду, охваченную пламенем.

Процесс сгорания топлива на диаграмме условно разделен на четыре фазы. Во время первой фазы — фазы задержки самовоспламенения по линии km происходит образование горючей смеси, включающей распад струй топлива на капли, прогрев капель топлива, их испарение и смешивание с воздухом. Вторая фаза —фаза быстрого нарастания давления характеризуется резким возрастанием температуры и давления в цилиндре. В третьей фазе, когда поршень движется вниз, давление в цилиндре существенно не изменяется, в эту фазу сгорает большая часть топлива, впрыснутого за время задержки самовоспламенения, а также часть топлива, впрыскиваемого во второй и третьей фазах. Некоторое количество топлива догорает уже в четвертой фазе — фазе догорания, когда осуществляется процесс расширения рабочего газа. Сгорание топлива заканчивается в точке.

Как видно из диаграммы, в начальный период сгорания топлива давление возрастает от рт до рг. Скорость нарастания давления в данном случае должна быть в определенных пределах, и, если она превосходит заданные нормы, работа дизеля становится жесткой, сопровождается стуками в цилиндре. Жесткость работы дизеля нежелательна, так как она ускоряет изнашивание подшипников и может даже привести к поломке его деталей. Чтобы обеспечить нормальную (мягкую) работу дизеля, необходимо стремиться к уменьшению периода задержки самовоспламенения. Для этого нужно следить за герметичностью деталей цилин-дропоршневой группы и поддерживать дизель в горячем состоянии.

При хорошей герметизации камеры сгорания повышается давление сжатия воздуха в цилиндре. С возрастанием давления сжатия увеличивается плотность воздуха и улучшается теплообмен между воздухом и топливом, снижается температура самовоспламенения топлива и, следовательно, уменьшается период задержки самовоспламенения. Теплообмен между воздухом и топливом улучшается также и при повышении температуры воздуха. Известно, что холодный дизель при пуске иногда работает жестко (со стуками в цилиндре). Стуки прекращаются по мере нагревания дизеля.

Рис. 3. Диаграмма процесса сгорания

Период задержки самовоспламенения определяется также составом топлива, качеством его распыливания в цилиндре и в большой степени зависит от самовоспламеняемости топлива. Это свойство топлива характеризуется це-тановым числом. Его определяют в лабораторных условиях по совпадению периода задержки самовоспламенения эталонного и испытуемого топлив. Цета-новое число соответствует процентному содержанию цетана в эталонной смеси, период задержки самовоспламенения которой такой же, как и испытуемого топлива. Чем выше цетановое число топлива, тем короче его период задержки самовоспламенения и тем лучше пусковые качества дизеля. Для обеспечения наиболее мягкой работы дизелей цетановое число топлива должно быть не ниже 45.