Анализ способов совершенствования процессов сгорания в судовых дизелях

Литвиненко В.П., Крючкова Е.Н., Житаренко В.М.

АНАЛИЗ СПОСОБОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

СГОРАНИЯ В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ

Наиболее характерной причиной нарушения оптимальной организации рабочих процессов является образование смолистых отложений на деталях цилиндропоршневой группы и газообмена. При этом полнота сгорания уменьшается, и в отработавших газах появляется дым (сажа), что приводит к уменьшению сечения конструктивных элементов газообмена и последующему снижению мощности двигателя. По этим причинами проводилось исследование методов, обеспечивающих возможность исключения или, по меньшей мере, снижение отмеченных недостатков в работе двухтактных судовых двигателей. Было отмечено, что наиболее существенными режимами работы главных двигателей, при которых в наибольшей степени проявляется вероятность образования смолистых отложений, являются режимы малых оборотов. Причем, при переходах от режима малых оборотов на режимы полного хода, отмеченная особенность не устраняется, а наблюдается его прогрессирующая особенность. Так что можно говорить о некоторой цикличности процесса накопления отложений -«нагара», от некоторого минимума до предельного значения, и, как следствие проведение работ по обслуживанию двигателя. Было установлено, что режимы малых оборотов работы двигателя по своей продолжительности занимают (5÷15)%

времени, от общей продолжительности рейса, в зависимости от особенностей организации маршрута перевозок и технологических особенностей выполнения работ по перевалке грузов.

В сложившейся практике замечена неоднородность тяжелого топлива используемого для эксплуатации судовых дизелей, что в определенной мере усложняет принятие решений по его подготовке для использования и регулированию режимов организации рабочего процесса двигателя.

Учитывая отмеченные недостатки, в современных условиях находят все более широкое применение различные добавки – присадки к топливам.

Известны присадки, повышающие полноту сгорания, противонагарная и др. Отмечено также увеличение полноты сгорания тяжелых топлив при введении поверхностно-активных моющих присадок, улучшающих процесс распыливания топлив. Полноту сгорания дизельных топлив повышают противодымные присадки, сокращающие образование и выбросы сажи. Считается, что сажа – несгоревшие кристаллические частицы углерода графитной структуры – образуется в предпламенных стадиях процесса сгорания в тех зонах камеры сгорания, где имеется недостаток кислорода. Полагают, что в условиях начавшегося сгорания происходит крекинг и дегидрогенизация углеводородов с образованием мелких частиц сажи. В дальнейшем они частично выгорают, а частично укрупняются. Это явление можно ослабить, сократив период задержки воспламенения и, как следствие, повысив полноту сгорания топлива.

Принимаются решения по разработке новых видов топлива, представляющие собой, как правило, некоторые смеси стандартного топлива с углерод содержащими соединениями. Например, известны решения по использованию низших спиртов - этанола и метанола, как наиболее доступных по технологическим и экономическим соображениям. Рассматриваются также возможности использования многоатомных спиртов, с числом атомов углерода от одного до шести. Создаются смеси низших спиртов, трудно растворимых в топливе, за счет использования совместных растворителей, [1]. Разрабатываются и уже проходят испытания биодизельные топлива, которые в основе своей содержат получаемые из возобновляемого сырья биокомпоненты,

Изучалась, хотя и в малой степени, возможность повышения мощности дизеля и его экономичности посредством введения присадок к воздуху горючих природных газов и различных легких фракций жидкого топлива.

Установлено, что существенное влияние на процесс сгорания оказывает структура топлива. Топлива с большим содержанием парафиновых углеводородов (алканов) имеют наименьшие, а топлива с большим содержанием ароматиков — наибольшие периоды задержки воспламенения.

Известны, в том числе решения по совершенствованию процессов сгорания использованием дросселирования при наддуве воздуха в цилиндр двигателя, с помощью которого предусматривалось снижение количества надувочного воздуха, и предотвращения таким образом излишнего обеднения горючей смеси. Однако этот способ не нашел применения, так как дросселирование снижает давление конца сжатия и не сокращает длительность задержки воспламенения.

Так, что в дизельных двигателях обеспечивается возможность регулирования мощности только путем изменения количества топлива, подаваемого в цилиндры. Удается использовать количественное регулирование мощности, вплоть до холостого хода. Причем, до некоторых пределов избытка воздуха в цилиндре, характеризуемого коэффициентом ά= 3 ÷ 3,5 мощность двигателя возрастает, что объясняется кинетикой процесса смешения топлива с воздухом. В случае снижения количества воздуха, до значений коэффициента

(ά < 1,35 ÷ 1,5), полнота сгорания топлива снижается и сопровождается образованием коксовых отложений и сажи, что объясняется недостаточным количеством кислорода.

При значительном обеднении смеси (ά > 4) соответствующем очень малым нагрузкам двигателя, полнота сгорания несколько уменьшается, что связано с понижением температурного режима двигателя, а также с ухудшением качества распыливания, что приводит к возрастанию задержек воспламенения.

Результаты исследований позволили сформулировать некоторые наиболее вероятные подходы в разработке методов по устранению условий сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре дизельного двигателя. В общем виде они могут быть выражены в следующих положениях: 1. Необходима разработка инженерных решений, позволяющих осуществить впрыск некоторой смеси топлива в режимах наиболее вероятного образования отложения на деталях двигателя. К таким режимам, как отмечалось, относятся режимы работы двигателя на малых оборотах, которые характерны при выполнении маневровых операций, при прохождении узкостей и т.п. условий работы судна; 2. Наиболее благоприятными, являются смеси топлива с кислород содержащими жидкостями, благодаря которым вероятно проявление некоторой регулируемости расходуемого кислорода при протекании окислительных процессов и кислорода, выделяемого в результате диффузии смеси; 3. Смеси топлива должны обеспечивать возможность повышения цетанового числа, а скорость сгорания таких смесей не должна приводить к жесткой работе двигателя, т.е. скорость нарастания давления должна быть в пределах конструктивных требований; 4. Количество воздуха, необходимого для сгорания одного килограмма смеси топлива должно быть по возможности меньшим, в сравнении с количеством воздуха, которое требуется для сгорания такого же количества топливабез вводимых добавок. Таким образом, чтобы при прочих равных условиях, воздух, подаваемый устройствами наддува в цилиндр двигателя, мог бы быть употреблен для окисления наиболее тяжелых фракций топлива, сгорающих последними.