ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 8 страница

Характер сгорания капель топлива, не успевших сгореть к началу третьей фазы процесса, а также поступивших в камеру сгорания в процессе продолжающегося впрыска, существенно отличается от сгорания во второй фазе. Так как в горящем факеле очень высокие температуры - в среднем по факелу 2500-2700°С (см. рис. 3.1-39), то процессы прогрева и воспла­менения паров многократно сокращаются. Скорость сгорания топлива лимитируется физическими процессами: испарением капли и взаимодиффузией паров топлива и воздуха вокруг кап­ли. Принято считать, что сгорание топлива в 3 фазе определяет­ся процессами турбулентной диффузии. В связи с сокращением содержания воздуха в факеле и медленным его притоком в зону горения диффузионное сгорание к концу фазы переходит в до­горание топлива с низкими скоростями.

Сокращению процесса догорания топлива способствует ор­ганизованное (вихревое) движение воздушного заряда в камере сгорания (см. раздел 3.1). Продолжительность 3 фазы также за­висит от продолжительности впрыскивания топлива форсункой <р_впр = Фнпф + фкпф♦ Сокращение ср_впр приводит к сокращению дли­тельности 3 фазы и в целом процесса сгорания топлива и на­оборот.

§ 3.4. Образование экологически вредных веществ при сгорании

При сжигании углеводородных топлив в судовых дизелях наряду с безвредными для окружающей среды компонентами отработавших газов (ОГ) - кислородом, азотом и водяным па­ром (их доля составляет более 99,5% всего объема ОГ) в атмо­сферу выбрасываются также экологически вредные компонен­ты. Их доля в общем составе невелика (менее 1% по объему).

Вредные компоненты состоят из следующих веществ. Ок­сиды азота - смесь окиси азота N0 (95%) и двуокиси азота NO2 (5%) - составляют большую часть всех вредных выбросов. Ок­сиды азота принято обозначать NO_x.

Оксиды серы - SO_x (смесь SO2 и SO3, соотношение 15:1), их содержание в ОГ пропорционально содержанию серы в топливе.

Окись углерода - СО, углеводороды НС и твердые части­цы (сажа) - являются продуктами неполного сгорания топлива.

В состав твердых частиц кроме сажи (углерод) входят зола и механические примеси топлива, продукты износа ЦПГ.

Для определения величины вредных выбросов с ОГ дизе­лей применяются строго регламентированные процедуры газо­вого анализа.

В результате газового анализа определяются объемные концентрации всех газообразных компонентов. Объемную кон­центрацию принято измерять в % для компонентов, доля кото­рых составляет более 1%. При меньших концентрациях (харак­терных для экологически вредных газообразных компонентов ОГ) их принято измерять в ррт {parts per million - частей на миллион). Соотношения между единицами измерения следую­щие: 1% = \0⁴ ррт, или 1 ррт ~ 10'⁴%.

Обозначим через С, объемную концентрацию /-го компо­нента ОГ. По международной терминологии С, называется со­ставом газообразных выбросов и измеряется в % или ррт.

Концентрация твердых частиц измеряется в миллиграммах на кубический метр газов при нормальных условиях (мг/Нм³). Концентрация газообразных компонентов ОГ также может быть выражена в мг/Нм³, для этого используется формула:

С и “ 22,4 ’ ^{{ }}

где: C_img - состав (объемная концентрация) /-го компонента ОГ в мг/Нм³; Cippm - состав (объемная концентрация) /-го компонента ОГ в ррт; //,- молекулярная масса /-го компонента ОГ.

Приведенная выше формула может быть использована на­оборот, для перевода концентрации из мг/Нм³ в ррт.

Объемная концентрация вредных веществ в ОГ ДВС не от­ражает количественно величину их выброса, для этой цели ис­пользуются следующие характеристики:

- скорость выделения выбросов Ei кг/ч;

-удельный выброс г/(кВт*ч).

Характеристики вредных выбросов, связанных между со­бой следующими соотношениями:

е. =А, (3.4) где N_e - эффективная мощность двигателя, кВт.

Для пересчета выбросов из % в г/(кВт ч) может быть ис­пользована формула:

5,72 • 10⁴ С (G - 0,974G„) е, = — ¹------- —, (3.5)

3600#,

где кроме известных обозначений - G_s и G₄ - измеренные рас­ходы воздуха и топлива на дизель, кг/ч.

Наиболее объективным показателем для количественной оценки выброса вредных компонентов с ОГ ДВС является удельный выброс, поэтому этот параметр принят как норматив­ный в международных и национальных стандартах по ограниче­нию выбросов.

В таблице 3.1 в качестве примера приведены результаты измерения составляющих ОГ судового малооборотного дизеля при его работе на номинальной нагрузке. Двигатель работал на тяжелом топливе с содержанием серы 2,25%.

Таблица 3.1

Образование оксидов азота в камере сгорания дизеля обу­словлено наличием больших количеств азота, кислорода и вы­сокими температурами в отдельных зонах расслоенного заряда, где смесь приближается по составу к стехиометрической, а ло­
кальная температура может достигать 2500-3000°С (см. рис 3.1-40). Установлено, что NO_x в дизелях образуется только в период го­рения топливных факелов (т.е. в течение 2 и 3 фаз процесса сго­рания, которые составляют 40-50° п.к.в.). При увеличении час­тоты вращения коленчатого вала время горения факелов обрат­но пропорционально уменьшается, что приводит к снижению количества образовавшихся NO_x. Данный вывод подтверждается экспериментальными исследованиями.

В паровых котлах и газовых турбинах температуры горе­ния значительно ниже, поэтому количество NO_x в ОГ этих уста­новок практически на порядок меньше, чем в дизелях. По этой причине в настоящее время ограничение вредных выбросов кот­лов и газовых турбин не предусмотрено.

Оксиды азота образуются также из-за наличия азота в топ­ливе. Как показали исследования, азот, содержащийся в топли­ве, значительно более активен в химических реакциях окисле­ния по сравнению с атмосферным азотом и практически полно­стью окисляется при сго­

рании топлива. Содержа­ние азота в тяжелых топливах может достигать 0,15-0,85% по массе, увеличивая выброс NO_x на 10-30% при работе дизеля в эксплуатации.

Рис. 3.1-40. Зависимость образования Л/О* от температуры

Такие химические вещества, как NO_x, СО, SO_x и др., попа­дая в атмосферу, нарушают ее естественный экологический ба­ланс за счет образования слабых кислот.

В таблице 3.2 приведены диапазоны значений выброса вредных компонентов с ОГ дизелей различного класса, указаны
их предельно допустимые концентрации (ПДК) и характер воз­действия на человека (данные ИМО).

Таблица 3.2

Токсичные примеси в выпускных газах дизелей

С 1 января 2000 года введены нормы на выброс экологиче­ски вредных вещества с ОГ СЭУ морских судов. Нормативы и процедуры подробно рассмотрены в главе 14.

Глава 4

ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА

Задачи газообмена. Для осуществления рабочего цикла не­обходимо после завершения процесса расширения удалить из ци­линдра продукты сгорания и заполнить его к началу сжатия заря­дом свежего воздуха. Эти задачи решаются в процессе газообмена.

Параметры воздуха и газов на выпуске и впуске. Задан­ную степень форсирования рабочего процесса обусловливает давление наддува p_s, которое представляет собой давление воз­духа в ресивере непосредственно перед впускными органами. Давление воздуха р_ю создаваемое наддувочными агрегатами, выше давления p_s на значение сопротивления воздухоохладителя

Ap_s = 0,002- 0,004 МПа. В свою очередь р_к =Р₀ тс_к- (к_к степень повышения давления в наддувочных агрегатах). В двигателе без наддува давление воздуха перед цилиндром определяется дав­лением окружающей среды.

Среднее давление газов за цилиндром (в выпускном пат­рубке) р_г или рт в двигателях с наддувом находится в прямой зависимости от давления воздуха перед цилиндром (в ресивере) p_s и сопротивления продувочно-выпускного тракта цилиндра, в основном определяемого сопротивлением продувочно­выпускных окон или клапанов P_m = Ј„P_st где - коэффициент потери давления (для двухтактных дизелей = 0,88-0,96). Т.о. Ps всегда должно быть больше Рт*.

В двигателях с выпуском в атмосферу давление р_г зависит от сопротивлений выпускного трубопровода, утилизационно­го котла и глушителя шума на выпуске, и лежит в пределах аб­солютного давления р_г = 0,103-0,105 МПа. Такое же давление характеризует условия в выпускном трубопроводе за турби­ной в двигателе с газотурбонагнетателем (ГТН).

Температура наддувочного воздуха (за компрессором):

Т_к=Т₀ж_к\-^1/п_к(4-1),

где Т_к - температура наддувочного воздуха в град. С\п_К- — -

Ро

степень повышения давления в наддувочных агрегатах; щ - показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе (для цент­робежных нагнетателей я* = 1,6-1,8, для поршневых насосов щ = 1,45-1,6).

В современных дизелях Г* достигает 170-190°С.

Температура воздуха перед цилиндром (в ресивере) T_s (по­сле сжатия в наддувочных агрегатах воздух обычно направля­ется в воздухоохладитель и лишь затем поступает в ресивер)

Tsmin ⁼ Т_вз + (10-15),

где Т_вз - температура забортной воды на входе в воздухоохлади­тель, °С.

В двигателях без наддува температура воздуха перед цилин­драми определяется температурой охлаждающей среды Т&

§ 4.1. Газообмен в четырехтактных дизелях

На газообмен в четырехтактном цикле отводятся два хода поршня. В действительности для более полной очистки цилин­дра от продуктов сгорания и лучшего наполнения свежим воз­духом с учетом инерционности газовых потоков впускные и выпускные клапаны, как это видно из диаграммы газораспреде­ления (рис. 4.1), приходится открывать раньше, а закрывать позже соответствующих мертвых точек. В итоге продол­жительность газообмена занимает более двух ходов поршня и состоит из следующих периодов: свободного выпуска ЬЪ\ вы­пуска Ь V, продувки г”г, г\ наполнения га' и дозарядки а'а.

Для более подробного ознакомления с процессами газооб­мена рассмотрим рис. 4.2, на котором приведены кривые изме­нения давлений в цилиндре р_ц9 в выпускном патрубке рт ив ре­сивере p_s в функции угла поворота вала. Здесь же нанесены мо­менты открытия и закрытия клапанов.

Свободный выпуск начинается в момент открытия выпуск­ного клапана, осуществляемого за 20-50° п. к. в. до прихода
поршня в НМТ, поэтому расширение газов в цилиндре закан­чивается ранее - в точке Ь. Давление в цилиндре в этот момент равно 0,88 МПа, а давление в выпускном патрубке - 0,16 МПа. Столь значительная разница способствует тому, что, несмотря на продолжающееся движение поршня вниз, газы с большой ско­ростью устремляются из цилиндра в выпускной патрубок. Из-за малого объема патрубка и выпускного тракта, по которому газ направляется к газовой турбине, давление в нем резко поднимается и возникает импульс давления (на рис. отмечен цифрой 1).

Рис. 4.1. Фазы газообмена четырехтактного дизеля

свободного выпуска bb' приблизи­тельно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана a_h Принужденный выпуск условно начинается в НМТ и продолжается в течение всего хода поршня к ВМТ. В начальной фазе восходящего движения поршня эффект выталкивания не­велик, так как около мертвой точки мала скорость поршня, и истечение из цилиндра происходит в основном вследствие пе­репада давлений (р_и-рт, т.е. в режиме свободного выпуска. В дальнейшем скорость поршня увеличивается, в средней части достигает максимума, растет и масса выталкиваемого поршнем газа. Это приводит к вторичному повышению давления (цифра 2, см. рис.4.2) в выпускном патрубке, на которое существенно влияет также первый импульс давления.

В силу увеличивающегося сопротивления истечению газа из цилиндра падение давления в нем в это время замедляется. Изменение массы заключенного в цилиндре газа характери­зуется кривой G_MZ.

Продувка начинается с открытием впускного клапана (ориентировочно за 30-50° п. к. в. до прихода поршня в ВМТ) -

Рис. 4.2. Изменение давлений в процессе газообмена в 4-х тактном двигателе

г" и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана (40-70° п.к.в. за ВМТ) - г'. К моменту полного открытия выпу­скного клапана давление р_ц оказывается равным, а затем и ниже давления воздуха в ресивере p_s - точка 3, благодаря чему он по­лучает возможность поступать в цилиндр, несмотря на продол­жающееся движение поршня вверх. Давление в выпускном пат­рубке р_т еще ниже (р_т < р_ц < р₅)\ оставшиеся в камере сжатия газы вытесняются воздухом и уходят вместе с ним в выпускной тракт. Падение давления в цилиндре и выпускном патрубке продолжается на протяжении всего периода продувки, и раз­ность давлений р₅ - Р_ц наибольшего значения (4) достигает в то время, когда поршень, двигаясь вниз, приобретает максималь­ную скорость. Это способствует еще большему поступлению воздуха в камеру сжатия и ее продувке. Благодаря продувке обеспечивается возможность заполнения воздухом не только объема цилиндра, описываемого ходом поршня, но и объема камеры сжатия. Наличие периода продувки способствует также снижению температур стенок камеры, выпускного клапана и его седла, температуры выпускных газов, а это положительно ска­зывается на ресурсе газовой турбины.

Поэтому в двигателях с высоким наддувом, где проблема теплонапряжённости особенно остра, идут на увеличение фазы перекрытия клапанов: в отдельных двигателях она достигает 150° п. к. в.

Наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха фактически начинается вблизи ВМТ и вначале, до закрытия выпускного клапана - г\ протекает одновременно с продувкой. Окончание наполнения совпадает с приходом поршня в НМТ.

После закрытия выпускного клапана значение и характер изменения давления в выпускном тракте несущественны. Не оказывает влияния и то обстоятельство, что к патрубку в этот момент подходит волна давления (5), возникшая благодаря на­чавшемуся свободному выпуску и появлению импульса дав­ления в цилиндре, объединенном с рассматриваемым общим выпускным трактом.

К окончанию наполнения давление в цилиндре р_ц поднима­ется и достигает значения p_s.

Дозарядка продолжается от НМТ, и, хотя поршень пошел вверх, воздух продолжает поступать в цилиндр через открытый клапан вследствие отсасывающего действия столба воздуха, движущегося по инерции по впускному тракту, а также вслед­ствие существования положительной разности p_s -р_ц.

В последней фазе дозарядки из-за движения поршня вверх давление в цилиндре р_ц начинает расти, несмотря на все еще от­крытый впускной клапан. Здесь сказывается дросселирование воздуха в уменьшающейся щели под клапаном (поскольку он уже начал закрываться). С закрытием впускного клапана (а) доза­рядка и газообмен завершаются. Общая продолжительность газо­обмена четырехтактного двигателя составляет 400-500° п. к. в.

В ряде конструкций современных двигателей с высокой сте­пенью наддува, впускной клапан закрывается не за 40-50° за НМТ (см. рис. 4.1), а в целях увеличения степени сжатия в цилиндре за­крытие клапана осуществляется в зоне НМТ. Это должно привести к уменьшению продолжительности впуска и отрицательно сказать­ся на величине заряда воздуха, но благодаря высокому давлению наддува и в связи с малыми подачами топлива на малых нагрузках, в этих условиях необходимая величина заряда воздуха обеспечива­
ется. Это решение получило наименова­ние - способ Миллера (рис. 4.3).

Изменение фаз достигается путем использования в приводе клапанов в до­полнение к традиционно используемому механическому приводу промежуточных гидравлических элементов (двигатели фирм Вяртсиля, Катерпиллар.

Рис. 4.3. Изменение фазы закрытия впускного клапана по способу Миллера при снижении нагрузки на 50 и более % (метод VIC - Variable НМТ Intake Closing)

§ 4.2. Газообмен в двухтактных дизелях

4.2.1. Организация процессов газообмена

Особенности осуществления процессов очистки и наполне­ния цилиндров двухтактных двигателей сводятся к следующему:

• процессы газообмена происходят лишь в конце рабочего хода поршня и в начале хода сжатия, занимая всего 140-150° п. к. в. (рис. 4.4, а);

• невозможность использования в двухтактном дизеле вса­сывающего и выталкивающего действия поршня требует для осуществления газообмена предварительного сжатия воздуха в продувочном или наддувочном агрегате до давления, по край­ней мере, превышающего сопротивление выпуску.

В двухтактном двигателе процесс газообмена условно принимают состоящим из трех периодов (рис. 4.4, б): свободно­го выпуска bd; принудительного выпуска; продувки и наполне­ния da'd; потери или дозарядки d’a. При построении диаграммы «время-сечение» по оси ординат откладывают сечения / открытия окон или щели под клапаном, а по оси абсцисс - время открытия или ср° п. к. в. Поэтому площади под кривыми (рис. 4.5) пред­ставляют собой время, умноженное на сечение (время-сечение) открытия органов газообмена в соответствующие периоды, опре­деляющие их пропускную способность: (/ - время-сечение сво­бодного выпуска; // - принудительного выпуска; III - продувки; IV - потери заряда).

Рис. 4.5. Процесс газообмена в двигателе МАН-БВ МС: а) - кривые давлений: pd - в цилиндре, ps- в ресивере, рт- перед ГТК; б) - диаграмма располагаемого «время - сечения».

В рассматриваемом варианте продувочные окна располо­жены в нижней части цилиндра, фазы и закон их открытия и за­крытия определяются поршнем. Фазы открытия и закрытия вы­пускного клапана, высота его опускания задаются профилем кулака распределительного вала.

Согласно диаграмме (см. рис. 4.4, б) первым в точке b с опережением в 70° открывается выпускной клапан и начинается процесс свободного выпуска. В цилиндре к этому моменту за­канчивается расширение продуктов сгорания, давление состав­ляет —1,0 МПа, а давление в выпускном коллекторе рт ~ 0,29 МПа (см. рис. 4.4 и 4.5). Поэтому продукты сгорания с большой скоростью устремляются в выпускную систему, давление в ци­линдре р_ц резко падает и к моменту, когда поршень, двигаясь вниз, открывает продувочные окна, оно выравнивается с давле­нием p_s в ресивере продувочного воздуха. Условие достижения в точке d равенства р_ц - p_s или р_ц < р₅ обязательно, так как толь­ко тогда будет возможным поступление воздуха из ресивера в цилиндр, определяющее начало продувки. В противном случае, если в первый период открытия продувочных окон р_ц > p_s, мо­жет произойти заброс горячих газов из цилиндра в ресивер и вы­звать в нем пожар, обусловленный сгоранием накопившихся в ресивере паров масла. Поэтому важно, чтобы участок (bd) обес­печивал пропуск за этот период такого количества продуктов сгорания, при котором в точке d достигается р_ц- p_s. Более позд­нее начало открытия клапана, уменьшение щели под ним приве­дут к отрицательному результату. В рассматриваемом варианте продувочные окна открываются за 40° до НМТ, по мере опуска­ния поршня в цилиндре время и сечение их открытия увеличи­ваются и достигают максимума в НМТ.

Давление р_и, достигнув значения p_S) продолжает падать и, несмотря на начавшееся поступление в цилиндр воздуха, умень­шается даже ниже давления в выпускном коллекторе р_т. Отме­чаемый на участке 1-2 провал давления объясняется эжекти- рующим действием движущегося с большой скоростью потока газов в патрубке за выпускным клапаном. Однако продолжаю­щееся заполнение цилиндра воздухом из ресивера приводит к повышению давления в нем, давление р_ц приближается к р₅. В этот период на участке d-d' через открытый клапан продол­жается выпуск из цилиндра продуктов сгорания под действием вытесняющего их воздуха. На участке 2-3 происходит дополни­тельная продувка цилиндра в сочетании с принудительным вы- пуском.

Реализация перечисленных процессов возможна при со­хранении следующего соотношения давлений p_s >р_ц >р_т. В точ­ке d' через 40° после НМТ продувочные окна закрываются, на­полнение цилиндра воздухом прекращается, и давление в нем начинает падать, снова сказывается эжектирующее (отсасы­вающее) действие потока газов и воздуха, движущихся по выпу­скному каналу. На участке 3-4 снова р_ц < р_т, но постепенно, по мере закрытия выпускного клапана, сечение щели под ним уменьшается, клапан начинает дросселировать вытесняемый поршнем из цилиндра поток газов. В итоге давление в цилиндре начинает расти и к моменту закрытия клапана - окончания газо­обмена (точка а) - давление р_ц на 0,01-0,015 МПа оказывается выше p_s. Последняя фаза процесса газообмена (участок d^fa) представляет собой потерю заряда.

Как видно из рис. 4.5, давление в выпускном коллекторе р_Т, как и давление в ресивере р₅, сохраняются на одном уровне.

Небольшие колебания обусловлены волновыми явления­ми, вызываемыми циклическим поступлением газов в выпуск­ной коллектор из цилиндров. Постоянство давления газов, в колллекторе определяет и постоянство давления газов перед турбинами турбонаддувочного агрегата, поэтому реализуемый в двигателях этого типа наддув является наддувом при /?_т = const.

4.2.2. Схемы газообмена

Общие сведения. Схемы газообмена дизелей в зависимо­сти от направления движения потоков воздуха внутри цилиндра подразделяют на два основных типа - контурные и прямоточ­ные. Размеры окон и выпускных клапанов, фазы их открытия даны в табл. 4.1 и 4.2.

Контурные схемы. Типичная для контурной схемы орга­низация газообмена заключается в том, что поступающий через продувочные окна поток продувочного воздуха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описывают контур ци­линдра. Сначала воздух по одной стороне цилиндра поднимает­ся, у крышки поворачивается на 180° и опускается к выпускным окнам. Так организован газообмен в односторонней щелевой (петлевой) схеме фирмы МАН (рис. 4.6, а) или в близкой к ней схеме фирмы «Зульцер» (рис. 4.6, б). Здесь для прохода воздуха и газов служат окна, выфрезерованные во втулке на одной сто­роне цилиндра, верхний ряд занимают выпускные 2, а нижний -
продувочные/. Их откры­тием и закрытием уп­равляет поршень. Вы­пускные окна при рабо­чем ходе поршня вниз открываются первыми, и начинается процесс свободного выпуска. Продукты сгорания под действием перепада давлений (р_ц-рт) покидают цилиндр. Затем открываются продувочные окна и надду­вочный воздух устремляется вверх, вытесняя из цилиндра продукты сгорания через открытые выпускные окна. В своем движении в цилиндре воздух описывает характерную для двигателей МАН петлю, поэтому такой тип продувки часто называют петлевой.

Существенным недостатком газообмена в двигателях МАН КZ является наличие заброса газов из цилиндра в ресивер в нача­ле продувки, когда продувочные окна только начинают откры­ваться. Нередко это является причиной пожаров в ресиверах. Ка­чество очистки цилиндров хорошее (у_г = 0,02-0,09) при относи­тельно небольших расходах воздуха на продувку ((р_а = 1,6). В двигателе Зульцер продувочные окна занимают большую часть окружности цилиндра, поэтому петлевой характер тока воздуха менее выражен, наблюдается большее перемешивание входящего в цилиндр воздуха с вытесняемыми им продуктами сгорания. От­сюда и несколько хуже очистка цилиндра (у_г = 0,1; (р_а - 1,62).

Перемешиванию способствует и интенсивное поступление воздуха в цилиндр в начале продувки из-за создаваемого в этот момент подпоршневым насосом большого перепада давлений, необходимого для исключения заброса газов в ресивер в начале продувки. Подпоршневой насос в двигателях серии RD к мо­менту открытия продувочных окон поднимает давление перед ними с 0,17 МПа (давление наддува) до 0,21 МПа.