Область применения дизелей в судовых установках непрерывно расши­ряется, а потому повышение мощности их является одним из важнейших вопросов современного судового дизелестроения. Для выявления возмож­ных путей повышения агрегатной мощности судовых дизелей рассмотрим выражение эффективной мощности

Как показывает эта формула, эффективная мощность двигателя зависит от диаметра цилиндра, средней скорости поршня, числа рабочих ходов поршней всех цилиндров двигателя за один оборот вала (i = kz), среднего индикатор­ного давления и механического к. п. д. Увеличение каждого из указанных параметров повышает агрегатную мощность двигателя.

Увеличение диаметра цилиндра, как это мы отмечали и ранее, повышает тепловую нагрузку стенок цилиндра, повышает нагрузку на поршень и на подшипники шатунно-мотылевого механизма, увеличивает массы дви­жущихся деталей, а следовательно, силы инерции их; увеличивает габарит­ные размеры и вес двигателя, а значит и стоимость. Кроме этого, изготов­ление цилиндров с большими диаметрами связано с технологическими трудностями. Вот почему увеличение максимального диаметра цилиндра в судовом дизелестроении происходило медленно. Значительный период времени наибольший диаметр, равный 900 мм, имел двухтактный дизель фирмы «Зульцер» с ходом поршня 1550 мм и с цилиндровой мощностью 2000 э. л. с.

Несмотря на это, последнее время некоторые дизелестроительные заводы приступили к выпуску судовых дизелей с увеличенными диаметрами ци­линдра.

Фирма «Бурмейстер и Вайн» с 1967 г. строит судовые двухтактные дизели с диаметром цилиндра 980 мм и ходом поршня 2000 мм. Цилиндровая мощ­ность этого дизеля составляет 3570 л. с. при п = 100 об/мин и р_е = 10,8 кГ 1см². Агрегатная мощность указанного дизеля в двенадцатици­линдровом исполнении равна 42 800 л. с. и является наибольшей мощностью в данное время.

Фирма «Зульцер» также приступила к выпуску двухтактных судовых дизелей с диаметром цилиндра 1050 мм и ходом поршня 1800 мм. Цилиндро­вая мощность дизеля 3200 л. с. (п = 103 об/мин, р_е = 9,84 кГ/см).

Фирмы МАН и «Фиат» в 1967 г. начали испытания судовых двухтакт­ных дизелей с диаметрами цилиндра 1050 и 1060 мм; их цилиндровая мощ­ность 3500—4000 л. с.

Увеличение средней скорости поршня повышает тепловую и динамиче­скую напряженность двигателя и износ трущихся деталей его. По мере по­вышения средней скорости поршня срок службы двигателя сокращается, что вызывает увеличение стоимости его эксплуатации. Наибольшее число выпускаемых в данное время судовых дизелей имеет среднюю скорость поршня 6—6,5 м/сек. Более высокую скорость имеют двигатели многооборотные с небольшими размерами цилиндров. Дальнейшее повышение средней скорости поршня связано с успехами в области повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей двигателя. Следует заметить, что в послед­ние годы наблюдается тенденция к расширению области применения средне­оборотных судовых дизелей. Так, фирмы «Пилстик», «Зульцер», МАН, «Фер­бенкс-Морзе» стали выпускать дизели с агрегатной мощностью до 12 000 л. с. при 400—475 об/мин.

Увеличение числа рабочих ходов поршня за один оборот вала опреде­ляется увеличением числа цилиндров и тактностью двигателя. Применение двухтактных двигателей позволяет значительно повысить агрегатную мощ­ность. Современные мощные судовые дизели строятся только двухтактными. Число цилиндров при однорядном расположении достигает 12. В быстро­ходных двигателях (с малыми размерами цилиндра) при неоднорядном рас­положении цилиндров число их доходит до 18; 24; 30 и больше.

Дальнейшее увеличение механического к. п. д. судовых двигателей возможно как за счет повышения качества изготовления и сборки деталей двигателя, улучшения смазки трущихся деталей, так и за счет уменьшения мощности механических потерь двигателя в целом.

Наиболее эффективным средством увеличения мощности двигателя яв­ляется повышение среднего индикаторного давления его. Среднее индика­торное давление может быть повышено за счет улучшения протекания ра­бочего цикла двигателя и за счет повышения весового заряда воздуха, по­ступающего в цилиндр, или, как последнее называют, за счет наддува двига­теля.

Совершенствование рабочего цикла двигателя может быть осуществлено различными путями, к числу которых относятся: повышение степени сжатия у двигателя, улучшение качества смесеобразования и повышение интенси­фикации процесса сгорания топлива. Выполненные исследования показы­вают, что повышение степени сжатия примерно до 12 значительно увеличи­вает среднее индикаторное давление. При дальнейшем повышении степени сжатия рост среднего индикаторного давления происходит медленно, а мак­симальное давление цикла возрастает быстро.

Наряду с глубокими исследованиями в области общей теории процессов сгорания у нас в Советском Союзе выполнено большое количество работ по интенсификации процесса сгорания топлива, протекающего в цилиндре дизеля. В результате этих исследований установлено влияние испаряемости топлива, физико-химических свойств топлива, интенсифицирующих приса­док к топливу, газовых присадок к воздуху на процесс сгорания топлива в цилиндре дизеля. Меньше была исследована возможность повышения мощ­ности дизеля и его экономичности путем присадок к воздуху горючих при­родных газов или различных фракций жидкого топлива.

Особенность цикла с присадкой топлива к сжимаемому заряду воздуха заключается в том, что в период процесса сжатия имеет место подготовка к низкотемпературному многостадийному процессу самовоспламенения. Характер, или, вернее, интенсивность этой подготовки в цилиндре дизеля зависит от концентрации и природы добавочного топлива (присадки).

Момент самовоспламенения (образование «горячего» взрыва) при этом будет определяться накоплением необходимой концентрации активных про­дуктов окисления. Топливо, вводимое в цилиндр через форсунку (основное топливо) в конце процесса сжатия, увеличивает необходимую концентрацию активных продуктов и тем самым определяет момент самовоспламенения смеси. Протекание процесса сгорания происходит с лучшим использованием воздуха, т. е. с меньшим коэффициентом избытка воздуха. Нами выполнено исследование работы судового дизеля с присадкой к воздуху горючего газа (пропан-бутановая смесь) и жидкого дизельного топлива [24]. Исследования проводились с судовым дизелем марки ЗД6. Добавочное топливо (присадка) вводилось во всасывающий коллектор двигателя. Горючий газ (пропан-бутановая смесь) вводился во всасывающий коллектор непосредственно из бал­лона, где он находился под давлением в жидком виде. Дизельное добавочное топливо специальным насосом вначале впрыскивалось в камеру (трубу), расположенную в выпускном коллекторе, где оно испарялось, и потом пары его оттуда поступали (засасывались) во всасывающий коллектор двигателя. Результаты выполненных нами исследований позволили сделать следующие заключения.

Впрыскивание жидкого добавочного дизельного топлива в камеру (трубу), расположенную в выхлопном коллекторе, вполне обеспечивает образование однородной смеси паров топлива с воздухом во впускном тракте двигателя.

Присадка как газообразного топлива, так и паров жидкого топлива к воздушному заряду цилиндра интенсифицирует процесс сгорания топ­лива, сокращая его продолжительность. При этом степень сокращения про­должительности процесса сгорания в основном зависит от количества и свойств добавочного топлива. Чем больше цетановое число дизельного топлива, тем значительнее степень сокращения продолжительности про­цесса сгорания при одинаковом коли­честве добавочного топлива. Для ди­зельного топлива наивыгоднейшее ко­личество добавочного топлива (при­садки к воздуху) составляет примерно 50% от суммарного расхода топлива.

При наивыгоднейшем количестве добавочного топлива и неизменной мощности двигателя температура отработавших газов уменьшается, окраска их почти полностью исчезает и отсутствуют отложения нагара на стенках камеры сгорания цилиндра. У исследуемого двигателя ЗД6 удельный эф­фективный расход дизельного топлива при этом снизился с 0,163 до 0,159 кг/э. л. с·ч.

Степень форсирования мощности двигателя данным методом зависит от значения допустимого максимального давления цикла и скорости нараста­ния давления при сгорании. При умеренных значениях максимального дав­ления цикла (р_z? 70 кГ/см²) и скорости нарастания давления (?p / ?? = 4,0 ? 4,5 кГ/см²/°п. к. в.) мощность двигателя 3Д6 путем присадки дизельного топлива к воздушному заряду может быть повышена па 25—30% за счет уменьшения коэффициента избытка воздуха при горении до 1,65; удельный эффективный расход топлива при этом остается примерно без изменения.

Если добавить к воздушному заряду пропан-бутановую газовую смесь, мощность двигателя повышается до 35%; при этом эффективный к. п. д. повышается.

Для осуществления данного метода не нужны сложные специальные агрегаты, как, например, наддувочные агрегаты, и не требуется конструк­тивных изменений самого двигателя.

Применение присадки топлива к воздушному заряду особенно может повысить эффективность работы судовых дизелей на вязких сортах жидкого топлива.

На рис. 115 приведена осциллограмма рабочего процесса дизеля ЗД6 с присадкой оптимального количества дизельного топлива к воздушному заряду (50% от всего расхода топлива). Наличие окисления топлива в пе­риод сжатия определяет плавный переход от линии сжатия к процессу сго­рания на приведенной осциллограмме. Максимальное давление у рассма­триваемой осциллограммы равно р_z = 73 кГ/см², и скорость нарастания давления (?p / ??)_ср = 3,6 кГ/см²/°п. к. в.

Наиболее распространенным и эффективным способом повышения мощ­ности двигателя в настоящее время является увеличение весового заряда воздуха, т. е. наддув двигателя.

Количественную оценку наддува определяют степенью наддува, пред­ставляющую собой отношение давления в начале сжатия при работе двига­теля с наддувом p_ан к давлению в начале сжатия без наддува р_а.

Величина форсировки мощности двигателя при наддуве и неизменном числе оборотов вала определяется отношением среднего эффективного дав­ления при наддуве р_ен к среднему эффективному давлению двигателя без наддува р_е.

Наддув называют умеренным, когда давление наддувочного воздуха не больше р_к ? 1,8—2,0 кГ/см² и р_е = 10—12 кГ/см², и высоким, когда р_к ? 2 кГ/см² и р_е ? 12 кГ/см².

Значение параметров рабочего цикла дизеля с наддувом в основном определяется величиной давления наддувочного воздуха и степенью сжа­тия у двигателя.

Температура воздуха в начале сжатия при работе двигателя с наддувом Т_ан, при охлаждении его после нагнетателя примерно равняется температуре воздуха в начале сжатия Т_а при работе без наддува.

При равных степенях сжатия и при работе с наддувом и без наддува ?_н = ?, температура в конце сжатия при наддуве будет равна

где среднее значение показателя политропы сжатия п₁ принято в том и дру­гом случае одинаковым.

Давление в конце сжатия при наддуве р_с.н будет равно

т. е. возрастает пропорционально степени наддува.

Максимальное давление цикла при наддуве р_zн при условии ?_н = ? и ?_н = ?, возрастет также пропорционально степени наддува:

Таким образом, при рассматриваемых условиях ?_н = ?; ?_н = ?; ?_и = ? среднее индикаторное давление четырехтактного дизеля с наддувом возраста­ет пропорционально степени наддува.

При этом увеличение р_i происходит за счет увеличения р_z (площадь индикаторной диаграммы возрастает за счет увеличения высоты ее). Удель­ный индикаторный расход топлива примерно остается без изменения, а удельный эффективный расход зависит от способа привода в действие над­дувочного агрегата, т. е. от системы наддува и от степени повышения мощ­ности при наддуве. При газотурбинном наддуве удельный эффективный расход топлива уменьшается за счет увеличения механического к. п. д., как это было показано ранее в формуле (140). Тепловая нагрузка стенок цилиндра при наддуве возрастает вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи от газов к стенке цилиндра.

Степень наддува, а следовательно, и степень повышения мощности ограничивается максимально допустимым значением давления р_zн, а особенно при условиях ?_н = ?; ?_н = ?.

В целях возможного повышения степени наддува и снижения роста давления р_zn при этом в практике осуществления наддува дизелей степень сжатия ?_н и степень повышения давления при сгорании несколько уменьшают. Величина степени повышения давления ?_н снижается путем уменьшения угла опережения подачи топлива. При указанных условиях ?_н < ? и ?_н < ?, найдем значение степени наддува:

Приведем пример, из которого будет видно, насколько можно повысить сте­пень наддува ?_н при уменьшении степени сжатия и степени повышения дав­ления.

Имеем: ? = 1,5; ? = 15; р_z = 55 кГ/см²; п₁ = 1,37 и по условиям проч­ности и удельных давлений допустимо р_zн = 65 кГ/см² и, соответственно, ?_н = 1,25. Примем ?_н = 12,8, находим

Значение ?_н равно принятому ранее.

Таким образом, путем снижения степени сжатия и степени повышения давления при сгорании можно значительно повысить степень наддува. Однако работа двигателя при этом будет происходить при более высоком значении температуры выпускных газов и средней температуры цикла, т. е. с худшим теплоиспользованием в цилиндре. По этой причине в дизелях с наддувом с однокамерным смесеобразованием степень сжатия применяют равной 13—15.

На рис. 116 приведены результаты испытаний быстроходного четырех­тактного дизеля с наддувом (D = 127 мм, S =127 мм и п = 1 250 об/мин), с вихрекамерным смесеобразованием (р_к = 1,69 кГ/см² и t_к = 60° С) при различных углах опережения подачи топлива 0 по насосу [18]. Приведен­ные результаты испытаний показывают, что с увеличением угла опережения подачи топлива выше оптимального (9° до ВМТ) удельный эффективный расход топлива g_e снижается незначительно, тогда как максимальное дав­ление цикла повышается довольно значительно. Данные испытания подтверждают целесообразность применения малых углов опережения подачи топлива при работе двигателя с наддувом, и во всяком случае меньших, чем при работе двигателя без наддува.

На рис. 117 показаны сравнительные результаты испытаний однотип­ного двигателя с предыдущим (D = 120, 5 мм, S = 139,7 мм и п = 1 250 об/мин), но только с неразделенной камерой сгорания [ 18]. Давление и температура наддувочного воздуха, как и в предыдущем случае, равны р_к = 1,69 кГ/см² и t_к = 60° С, Наименьший удельный эффективный расход топлива двигатель имеет при угле опережения подачи топлива около 13° и максимальном давлении цикла около 85,5 кГ/см².