WYŻSZA SZKOŁA MORSKA W SZCZECINIE

INSTYTUT TECHNICZNEJ EKSPLOATACJI SIŁOWNI OKRĘTOWYCH

PRACA MAGISTERSKA

RAFAŁ KURTYKA

Wpływ regulacji i sposobu obsługi aparatury wtryskowej wybranych silników pomocniczych na ich parametry eksploatacyjne

Praca wykonana w Zakładzie Siłowni Okrętowych pod kierunkiem dr inż. Zbigniewa Matuszaka i mgr inż. Wojciecha Polka

SZCZECIN 1999

SPIS TREŚCI

WSTĘP..................................................................................................................4

1. PALIWA STOSOWANE DO NAPĘDU SILNIKÓW OKRĘTOWYCH...............................................................................................6

1.1 Pochodzenie i produkcja współczesnych paliw...................................6

l .2 Cechy i własności paliw stosowanych w

okrętownictwie.....................................................................................7

2. WTRYSK I SPALANIE PALIWA.................................................................16

2.1 Tworzenie mieszaniny palnej..............................................................16

2.2 Spalanie w silniku o zapłonie samoczynnym.....................................19

2.3 Zużycie aparatury paliwowej..............................................................25

3. ZMIANY W OBSŁUDZE APARATURY WTRYSKOWEJ NA PRZYKŁADZIE SILNIKÓW POMOCNICZYM DAIHATSU TYP 8PSHTb-26D...........................................................................................33

3.1 Budowa i działanie aparatury wtryskowej..........................................33

3.2 Sposób przeprowadzania badań oraz interpretacja

wyników..............................................................................................38

3.3 Wpływ zwiększenia częstotliwości przeglądów wtryskiwaczy

i pomp wtryskowych na eksploatację silnika......................................47

4. ZMIANY W OBSŁUDZE APARATURY WTRYSKOWEJ

WYBRANYCH SILNIKÓW POMOCNICZYCH NA PRZYKŁADZIE SILNIKÓW WARTSILA TYP 414TK...........................................................48

4.1 Budowa i działanie aparatury wtryskowej..........................................48

4.2 Sposób przeprowadzenia badań oraz interpretacja wyników.............. 50

4.3 Wpływ zwiększenia ciśnienia otwarcia wtryskiwaczy na

eksploatację silnika..............................................................................56

5.UWAGI KOŃCOWE.......................................................................................58

BIBLIOGRAFIA.................................................................................................60

WSTĘP

Praca obejmuje zagadnienia związane z eksploatacją aparatury wtryskowej, która jest jednym z najistotniejszych elementów silnika spalinowego. Odpowiada ona między innymi za średnie ciśnienie indykowane, jednostkowe zużycie paliwa, obciążenie mechaniczne i cieplne silnika, toksyczność spalin oraz hałaśliwość pracy silnika.

Pogarszanie się jakości współczesnych paliw, związane z kolejnymi kryzysami paliwowymi oraz ograniczanie rezerw tego surowca na świecie znacznie wpływa na eksploatacje aparatury wtryskowej. Programy obsługi aparatury wtryskowej proponowane przez producentów nie są jednak modyfikowane pod kątem zmian właściwości współczesnych paliw. Szczególnie dotyczy to silników, które konstruowane były w latach, kiedy właściwości paliw były lepsze. Silniki te były przygotowane do spalania paliw o lepszych właściwościach, dlatego należy dokonywać analizy procesu spalania oraz eksploatacji silnika w przypadku zabunkrowania paliwa o gorszych właściwościach fizykochemicznych.

Cel pracy.

Podstawowym celem pracy jest analiza parametrów pracy pomocniczych silników spalinowych siłowni okrętowej w wyniku zwiększenia częstotliwości przeglądów wtryskiwaczy, pomp wtryskowych, zaworów zwrotnych pomp wtryskowych oraz analiza wpływu zwiększenia ciśnienia otwarcia wtryskiwaczy oraz stosowania korekcji nastawy tego ciśnienia na eksploatacje silników pomocniczych.

Rozdział I poświęcony został omówieniu współczesnych paliw stosowanych do napędu okrętowych silników spalinowych, sposobom ich otrzymywania oraz ich właściwościom, szczególną uwagę zwrócono na obliczeniowy wskaźnik aromatyczności węgla CCAI, który jest bardzo dobrym kryterium porównawczym współczesnych paliw.

W rozdziale II przedstawiono zagadnienia dotyczące teorii wtrysku i spalania paliwa w silnikach z zapłonem samoczynnym, zwrócono uwagę na nieprawidłowości pracy układu wtryskowego oraz na ich konsekwencje w eksploatacji silnika.

Rozdział III zawiera część doświadczalną, jaką przeprowadzono na silnikach DAIHATSU 8PSHTb-26D, która dotyczyła zmian w eksploatacji aparatury wtryskowej, tj. zwiększenia częstotliwości przeglądów wtryskiwaczy, pomp wtryskowych, zaworów zwrotnych pomp wtryskowych oraz omówiono wpływ tych zmian na eksploatację silnika.

W rozdziale IV przedstawiono część doświadczalną przeprowadzoną na silnikach pomocniczych WARTSILA 414TK, w której badano wpływ

zwiększenia ciśnienia otwarcia wtryskiwaczy oraz stosowania korekcji nastawy tego ciśnienia na eksploatacje silnika.

1. PALIWA STOSOWANE DO NAPĘDU SILNIKÓW OKRĘTOWYCH

1.1 Pochodzenie i produkcja współczesnych paliw.

Ropa naftowa jest złożoną mieszaniną związków chemicznych, której podstawową masę (ok. 80-90%) stanowią ciekłe oraz rozpuszczone w nich stałe i gazowe węglowodory. Oprócz węglowodorów ropa naftowa zawiera związki organiczne tlenu, siarki, azotu, których obecność wpływa (podobnie jak obecność różnych węglowodorów) na jakość produktów i sam przebieg (technologię) procesu przeróbki ropy naftowej. Ropy z różnych złóż różnią się składem, a więc jednocześnie właściwościami. Ropa wydobyta ze złoża zawiera zanieczyszczenia mechaniczne, nieco rozpuszczonego w niej gazu ziemnego oraz wodę, a właściwie solankę. Dlatego też wstępna obróbka ropy naftowej polega na pozbyciu się zanieczyszczeń stałych-mechanicznych, gazu ziemnego oraz usunięciu soli i wody (odsoleniu ropy).

Paliwa ciężkie stosowane obecnie we flocie pochodzą z destrukcyjnej przeróbki ropy naftowej (krakingu).

KRAKING jest to proces w wyniku którego następuje:

- rozerwanie wiązań węgla C-C w cząsteczkach alkanów o dużej masie cząsteczkowej, w wyniku czego powstają cząstki o mniejszej masie cząsteczkowej (aikeny, alkany o krótszych łańcuchach),

- rozerwanie pierścieni cykloalkanów- powstają węglowodory nienasycone (aikeny, dieny),

- odwodomienie cykloalkanów, co prowadzi do powstania węglowodorów aromatycznych,

- polimeryzacja aikenów wytworzonych w poprzednich reakcjach, które następnie kondensują z dienami do węglowodorów aromatycznych. Ze względu na różną technologię można wyróżnić:

- kraking termiczny pod wpływem działania wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia,

- kraking katalityczny pod wpływem działania wysokiej temperatury i w

obecności katalizatora (glinokrzemianu Ah03+Si02).

Katalizator umożliwia przebieg procesu pod ciśnieniem atmosferycznym, a także go intensyfikuje.

Paliwa lekkie (oleje napędowe) bywają rozmaitego pochodzenia i składu. Naturalny olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów(od CiH24 do CisUss) otrzymywanych przez rafinację ropy naftowej o temp. wrzenia 150-350 C. Paliwa te uzyskuje się zarówno w atmosferycznej kolumnie destylacyjnej jak i w reaktorze krakingu katalitycznego.

2.2 Cechy i własności paliw stosowanych w okrętownictwie.

Do najbardziej charakterystycznych własności paliw, wpływających na konstrukcję, działanie i eksploatację silników należy zaliczyć:

Gęstość, która wyrażona w jednostkach bezwzględnych [kg/m³], określa masę paliwa zawartego w jednym metrze sześciennym.

Nie jest to jednak jednoznaczne kryterium oceny jakości paliw, jednak jej znajomość jest bardzo istotna gdyż umożliwia:

- prawidłową kontrolę ilości paliwa na statku,

- przybliżone określenie wartości opałowej paliwa,

- właściwy dobór tarczy selekcyjnej wirówki.

Znajomość gęstości umożliwia także wyznaczenie CCAI (calculated carbon aromacity index)- obliczeniowego wskaźnika aromatyczności węgla, opracowanego przez firmę Snęli. CCAI daje przybliżone pojęcie o możliwej zwłoce zapłonu. Im jest on większy, tym paliwo wykazuje większą zwłokę zapłonu.

I tak na przykład dla paliw ciężkich:

- CCAI do 860 - normalne warunki pracy,

- CCAI powyżej 860 - spalanie utrudnione (zwiększenie zwłoki zapłonu).

CCA^d^l-Ml.lg^+O^l) gdzie:

d" -gęstość paliwa w temp. 15° C [kg/m³]

v 50 -lepkość kinematyczna w temp. 15° C [cst = mm² /s]

Wartość CCAI ma duży wpływ na:

- wskaźnik zadymienia,

- zwłokę zapłonu,

- temperaturę zapłonu,

- temperaturę spalin,

- ciśnienie maksymalne,

- osadzanie się zanieczyszczeń na końcówce rozpylacza.

Ze względu na powyższe czynniki, szczególnie zaś na osadzanie się zanieczyszczeń na końcówce rozpylacza w zależności od CCAI, zaprezentowana zostanie część badań jakie były przeprowadzone na silniku SULZER CEGIELSKI 5 AL. 25/30 przeznaczonego do spalania paliwa MDO

Analizie poddano 5 rodzajów paliw: A,B,C,X,Y przy czym paliwa X,Y były to mieszaniny paliwa ciężkiego IFO 180 z odpowiednio paliwem B i C. W paliwie X i Y było odpowiednio ok. 24% paliw B i C. Właściwości tych paliw przedstawiono w tabeli 1.1.

TABELA 1.1. Charakterystyka paliw stosowanych do napędu silnika SULZER CEGIELSKI 5 AL.25/30 podczas badań.

Paliwo	A	B	C	X	Y
		Fujairah	Genoa	N.Orlean	Durban+B	Durban+C
Gęstość[kg/m^3] przy 15°C	855,8	853,0	867,5	953.4	954,4
Lepkość [cst] przy 50°C	3,57	2,88	2,40	43.97	37.19
Siarka [%]	0,83	0,50	0,18	2,54	2.35
Asfalteny [%]	0,38	0.11	0,06	8,64	8,46
Popioły [%]	0,003	0,007	0,005	0,059	0,058
Liczba Condradsona	1,22	0,38	0,05	15,7	14,0
CCAI	801	806	828	842	845

Badania przeprowadzono przy obciążeniu prądnicy 100 kW oraz przy 300 kW, co na silniku odpowiednio dało średnie ciśnienie indykowane 0,45MPa oraz 0,88MPa

W wyniku pomiaru otrzymano dane przedstawione w tabeli l .2.

TABELA 1.2. Wyniki badań uzyskane dla obciążeń Nel=100kW i Nel=300kW

Paliwo	A	B	C	X	Y
Nd=100kW
Kąt zapłonu [degi	-3,4	-2,4	-1,4	-0,1	-0,2
Stopień zadymienia wg. Boscha	0,45	0,45	0,45	0,25	0,25
Temp. wydechu [°C]	282	285	280	296	288
Ciśnienie max. [MPa]	5,66	5,61	5,78	5,74	5,94
Wskaźnik obciążenia	2,4	2,55	2,4	2,35	2,25
Nel=300kW
Kąt zapłonu fdeg]	-4,5	-3,3	-3,0	-1,7	-1,4
Stopień zadymienia wg. Boscha	0.8	0,95	0,8	0,85	0,6
Temp. wydechu [°C]	395	401	398	420	402
Ciśnienie max. [MPa]	7,70	7,51	7,86	7,82	8,24
Wskaźnik obciążenia	5,0	5,2	4,95	4,95	4,8

Wyniki z tabeli 1.2 pokazano na rysunkach 1.2.1-1.2.6

Kąt zapłonu w funkcji CCAI paliwa

801

806 828 842 CCAI paliwa

•Neł=100RW -»-Neł=300RW

Rys. l.2. l. Kąt zapłonu w funkcji CCAI paliwa.

Stopień zadymienia w funkcji CCAI paliwa

•NeMOORW NeJ=300RW

Rys. 1.2.2. Stopień zadymienia w funkcji CCAI paliwa.

10

Wskaźnik obciążenia w funkcji CCAI paliwa

C3

O

^

^ •^^ ca

801

806 828 842 CCAI paliwa

-Nel=100kW -»-Nel=300kW

Rys. 1.2.3. Wskaźnik obciążenia w funkcji CCAI paliwa.

Temperatura wydechu w funkcji paliwa

806 828 842 CCAI paliwa

Nel=300kW -s-Nel=100kW

Rys. l.2.4. Temperatura wydechu w funkcji CCAI paliwa.

11

Rys. 1.2.5. Maksymalne ciśnienie spalania w funkcji CCAI.

Ilość zanieczyszczeń osadzających się na rozpylaczu w funkcji czasu pracy

•NeMOORW Neł=300RW

0,5 2 4 Godziny pracy [h]

Rys. 1.2.6. Ilość zanieczyszczeń osadzających się na końcówce wtryskiwacza w funkcji czasu pracy.

12

Ilość zanieczyszczeń i kąt zapłonu w fimkcjiCCAl

801 806 828 842 845 CCAI paliwa

l Ilość zanieczyszczeń przy lOOkW 5- Kąt zapłonu przy lOOkW

l Ilość zanieczyszczeń przy 300kW Kąt zapłonu przy 300kW

Rys. 1.2.7. Ilość zanieczyszczeń i kąt zapłonu w funkcji CCAI.

Szczególnie rys. l.2.7 jest bardzo istotny, gdyż ukazuje ilość osadzonych zanieczyszczeń na końcówce rozpylacza po czterech godzinach pracy przy obciążeniu prądnicy Nel=100kW oraz Nel=300kW w zależności od CCAI. Na rysunku naniesiono także kąty zapłonu dla każdego rodzaju paliwa. Kąt zapłonu jest ściśle związany ze zwłoką zapłonu jako, że przy danych rodzajach paliw kąt otwarcia wtryskiwaczy był ten sam nie zależny od obciążenia silnika.

Im wyższy CCAI tym mniejsza intensywność osadzania się zanieczyszczeń na końcówce rozpylacza.

Lepkość jest miarą tarcia między warstwami paliwa. Istnieją dwie definicje lepkości: dynamiczna i kinematyczna. W praktyce okrętowej wykorzystujemy lepkość kinematyczną. Jednostką jej jest [m² /s] ale w rzeczywistości używa się jednostki milion razy mniejszej [mm² /s= cst. ].

Lepkość ma istotne znaczenie, ponieważ wywiera wpływ na:

- możliwość pompowania paliwa,

- prawidłowy przebieg oczyszczania paliwa,

- prawidłowe rozpylanie paliwa przez wtryskiwacze,

- lotność paliwa (zdolność do odparowania).

Lepkość produktów naftowych zmienia się bardzo silnie wraz ze zmianą temperatury (maleje ze wzrostem temp.).

Temperatura zapfonu- jest to najniższa temperatura w której ilość par wydzielonych z paliwa ogrzewanego w ściśle określony sposób jest wystarczająca do wytworzenia z powietrzem mieszaniny zapalającej się przy zbliżeniu płomienia. Temperatury zapłonu wyznacza się w tyglu zamkniętym

lub otwartym. Jest ona istotna z uwagi na bezpieczeństwo transportu i przechowywania paliw, nie pozwala jednak na ich ocenę z punktu widzenia przydatności pod względem własności zapłonowych w silnikach spalinowych-Ze względów bezpieczeństwa dopuszcza się do eksploatacji w siłowni okrętowej paliwa o temp. zapłonu wyższej od 60°C.

Temperatura krzepnięcia- ze względu na to, że paliwo jest mieszaniną wielu węglowodorów, przyjmuje się temperaturę umowną, w której oziębione paliwo traci swą płynność i przy nachyleniu znormalizowanego naczynia pod kątem 45° menisk nie zmienia swojego położenia przez jedną minutę. Temperatura krzepnięcia służy do ogólnej oceny możliwości pompowania paliw w niskich temperaturach.

Stabilność paliwa- określa możliwość tworzenia aglomeratów asfaltowo-żywicznych. Pojęcie zapasu stabilności mówi tolerancji utrzymania własności wykazywanych przez paliwo na skutek niekorzystnego oddziaływania (przegrzanie, obecność wody).

Zawartość zanieczyszczeń'.

SIARKĄ-występuje w paliwie w stanie wolnym jak też w formie związków organicznych i nieorganicznych. Podczas spalania siarka ulega utlenianiu do dwu- i trójtlenku siarki, w połączeniu z wodą pochodzącą ze spalania wodoru, a także z wilgoci zawartej w powietrzu, tworzy korozyjnie działające kwasy:

siarkawy KbSOs i siarkowy H2S04. Same tlenki siarki wykazują nieznaczne właściwości korozyjne. Wzrost zawartości siarki w paliwie powoduje wzrost temperatury punktu rosy spalin do 150-160°C, co dodatkowo prowadzi do zwiększenia zagrożenia korozją. Ponadto trójtlenek siarki powoduje utwardzanie nagarów. Zawartość siarki w paliwach stosowanych w okrętownictwie dochodzi do 5%.

WANAD-zawartość wanadu i jego związków w paliwie dochodzi od kilku do kilkunastu ppm. Jest on (a właściwie pięciotlenek wanadu ¥205) katalizatorem utleniania się dwutlenku do trójtlenku siarki, a także sam działa korozyjnie (najintensywniej przy stosunku ilości sodu do wanadu 1:3). Całkowita ilość ze spalonego paliwa pozostaje w popiele, tworząc z solami sodu i siarki niskotopliwe stopy soli. Temperatura topnienia stopów jest dużo niższa od temperatury topnienia ich składników, więc popioły będą osadzały się na gorących elementach komory spalania.

GLIN-wy stepuj e w postaci kompleksowych związków glinokrzemianów o dużej porowatości. Ze względu na niewielką gęstość pozorną (do 3 g/cm³) i małe

wymiary są bardzo trudne do usunięcia. Odznaczają się bardzo dużą twardością, powodują gwałtowne zużycie par precyzyjnych, pierścieni tłokowych i tulei cylindrowych. Graniczna wartość w bunkrowanym paliwie do 30 ppm.

WODA-może występować w formie roztworu, tworzyć emulsje, stanowić odrębną fazę. Współczesne paliwa są bardzo podatne na tworzenie emulsji, a rozproszona woda w postaci małych kropelek może być bardzo trudna do usunięcia. Zawartość wody w paliwie przed silnikiem może wynosić max. Do 0,2% wagowych paliwa. Nadmierna ilość wody w paliwie może powodować przyspieszone zużycie par precyzyjnych (mikrozatarcia), co prowadziło do zwiększonych przecieków paliwa, a wiec zmniejszenia ciśnienia wtrysidwanego paliwa oraz jego dawki.

Zwiększona ilość i wielkość cząstek substancji asfaltowo-zywicznych-

najogólniej jest przyczyną tworzenia się osadów w zbiornikach dennych, osadowych, wirówkach (częstsze czyszczenie, mała wydajność, wysoka temp. podgrzania), w podgrzewaczach paliwa (obniżają temp. podgrzania paliwa przed silnikiem oraz na wirówce). Szczególnie obniżenie temp. paliwa przed silnikiem prowadzi do wzrostu lepkości paliwa, a to z kolei do zwiększenia średnic wtryskiwanych do komory spalania kropel paliwa, do wydłużenia zasięgu strugi, zmniejszenia jej kąta, prowadząc do tego, że dopalające się paliwo osiada na powierzchniach komory spalania.

MALTENY- to wysokocząsteczkowe węglowodory i żywice o konsystencji od ciągliwej i lepkiej do kruchej i twardej substancji, rozpuszczone w paliwie lub zawieszone w nim w postaci miękkich cząstek. Posiadają skłonności do aglomeracji, co powoduje, że jeśli nie rozdrobni się ich przed spaleniem, zostaną częściowo usunięte podczas wirowania, a pozostała ich część będzie zapychać filtry. Te cząstki które pozostaną po wirowaniu i filtrowaniu, powodują przewlekłe spalanie, dopalanie w Tcanałach wydechowych, osadzają się w komorze spalania w postaci nagaru.

ĄSFALTENY-(asfalty twarde)-cząstki zbliżone budową i składem chemicznym do żywic (obok węgla i wodoru zawierają tlen, azot, siarkę, żelazo, nikiel, wanad), są od nich bardziej zwarte i kruche. W zależności od temp. paliwa mogą występować w układach koloidalnych lub w formie zawiesiny co jest bardzo niekorzystne. Mogą łączyć się w cząstki o wielkości od kilku do nawet kilkuset mikrometrów.

KARBENY. KARBOIDY- to koksowate substancje powstające głównie podczas wysokotemperaturowych procesów zachowawczej przeróbki ropy naftowej. Są cięższe od paliwa, posiadają własności ścierne, co powoduje przyspieszone zużywanie par precyzyjnych aparatury wtryskowej.

Wartość opałowa-^est to ilość ciepła wydzielająca się podczas zupełnego spalania l kg paliwa, przyjmując , że woda w produktach spalania pozostaje w postaci pary. Wartość opałowa paliw stosowanych do napędu okrętowych silników spalinowych wynosi od 39300kJ/kg (oleje ciężkie) do 42700kJ/kg (lekkie oleje napędowe). Teoretyczne zapotrzebowanie na powietrze wynosi 11,7 m³/kg, stąd wartość opałowa mieszaniny palnej olej-powietrze wynosi

15

3000-3650 kJ/rn³ (X=l). Jednakże wobec rzeczywistego współczynnika nadmiaru powietrza przy jakim silniki pracują (5i=2,5-3,5) wartość opałowa jest jeszcze mniejsza.

Na wartość opałową paliw stosowanych do napędu silników okrętowych istotny wpływ ma jego skład chemiczny, a głównie zawartość w paliwie wodoru. Im większa jest gęstość paliwa, to znaczy im mniejsza zawartość w paliwie wodoru, tym mniejsza jest jego wartość opałowa.

Liczba cetanowa jest miarą skłonności paliwa do samozapłonu, a ściślej-miarą opóźnienia zapłonu. Im większa jest liczba cetanowa paliwa tym bardziej jest ono skłonne do samozapłonu, to znaczy spala się z mniejszą zwłoką zapłonu. Liczbę cetanowa badanego paliwa określa się przez porównanie w specjalnym silniku, przebiegu spalania ze spalaniem paliwa wzorcowego stanowiącego mieszaninę dwóch węglowodorów- cetanu Ci2H34 bardzo skłonnego do samozapłonu i alfametylonaftalenu CnI-bo , nie wykazującego skłonności do samozapłonu. Liczba cetanowa jest równa procentowej zawartości cetanu w paliwie wzorcowym, dającym takie same opóźnienie zapłonu podczas badań w silniku wzorcowym, jak paliwo badane.

Liczba cetanowa wynosi 44-55 dla olejów napędowych i 35-50 dla olejów ciężkich.

Praktycznie wrażliwe na zwłokę zapłonu są tylko silniki o prędkości obrotowej powyżej 500-600 obr/min. Paliwo dla tych silników powinno mieć liczbę cetanowa powyżej 40.

17

Rdzeń strumienia składa się z kropelek o stosunkowo dużej średnicy, mających znaczną zdolność przenikania powietrza. W otoczce znajdują się kropelki o stosukowo małych średnicach. Rozkład prędkości wynika z różnicy mas kropel - duże kropelki rdzenia, mające większą masę, pokonują łatwiej opory aerodynamiczne.

Strumień paliwa jest określony przez następujące parametry:

- zasięg strumienia jest odległością od wylotu rozpylacza do najdalej

położonego punktu wierzchołka strumienia. Zbyt duży niezamierzony zasięg strumienia spowoduje dolatywanie i osiadanie kropelek na ściankach komory spalania, co przy komorach z wtryskiem bezpośrednim jakie mają miejsce w okrętowych silnikach spalinowych, jest niepożądane gdyż następuje wypalanie. Zbyt mały zasięg strumienia powoduje niewykorzystanie ładunku powietrza zawartego w komorze spalania;

- kąt wierzchołkowy strumienia jest zależny od typu rozpylacza oraz ciśnienia ośrodka, do którego następuje wtrysk. Im kropelki paliwa mają mniejszą średnicę, tym prędzej zostają zahamowane i odchylając się od osi strumienia powodują zwiększenie się jego kąta wierzchołkowego;

- dokładność rozpylenia określa się średnicą kropelki paliwa. Średnica ta wynosi 0,0005- 0,015mm. Jednorodność rozpylenia paliwa ocenia się na podstawie liczby kropelek o jednakowej średnicy. Wymagania stawiane dokładności i jednorodności rozpylenia są tym większe im większa jest prędkość obrotowa silnika i im większe jest jego obciążenie.

Kształt strumienia nadaje rozpylacz. W okrętownictwie najczęściej

stosowanymi rozpylaczami są rozpylacze wielootworowe.

Rozpylacze te tworzą wiele strumieni paliwa. Kąt rozpylenia

poszczególnych strumieni wynosi 30-180°, zaś liczba strumieni dochodzi do 7 i

więcej.

Rys.2. l.2. Rozpylacz wielootworowy.

16

2. WTRYSK I SPALANIE PALIWA [l, 2, 4]

2.1. Tworzenie mieszaniny palnej.

Właściwe wytworzenie mieszaniny palnej w silnikach okrętowych jest najważniejszym czynnikiem, który odpowiada za uzyskanie odpowiedniego średniego ciśnienia użytecznego, prędkości obrotowej, sprawności ogólnej oraz ograniczenia toksyczności spalin i hałaśliwości silnika. Mieszanina ta musi się odznaczać równomierną makrostrukturą i drobną mikrostrukturą. Pod określeniem odpowiednia makrostrukturą należy rozumieć takie rozprzestrzenienie paliwa w całej przestrzeni komory spalania, przy którym każda jednostka objętości zawiera jednakową masę paliwa. Drobna mikrostruktura charakteryzuje się jednakowymi możliwie małymi średnicami kropel rozpylonego paliwa. Równomierna makrostrukturą pozwala dobrze wykorzystać tlen zawarty w powietrzu, a drobna mikrostruktura sprzyja szybkiemu spalaniu paliwa.

Główną rolę w wytworzeniu właściwej mieszaniny palnej odgrywa rozpylacz wtryskiwacza oraz parametry wtrysku paliwa.

Niemniej ważną rolę odgrywa zawirowanie ładunku powietrza, które ma na celu rozprowadzenie paliwa po całej komorze spalania. Zawirowanie może być wytworzone przez kanał dolotowy oraz komorę spalania przy wykorzystaniu ruchu tłoka w kierunku GMP.

Na rys.2.1.1 jest przedstawiony model strumienia zaproponowany przez Fujimoto, w którym rozróżnione są strefy o różnej strukturze. Model ten stosunkowo dobrze odpowiada rzeczywistemu strumieniowi paliwa.

L-zasiąg dola strumienia

Rys. 2.1.1. Schematyczny kształt strumienia paliwa w przekroju podłużnym;

19

Po w f r

Rys. 2.1.3. Wpływ nieszczelności par precyzyjnych na ciśnieniową charakterystykę wtrysku:

l- pary precyzyjne szczelne, 2- pary precyzyjne nieszczelne

2.2. Spalanie w silniku o zapłonie samoczynnym.

Podstawową charakterystyczną cechą spalania w silnikach okrętowych jest samoczynny zapłon paliwa. Strumień rozpylonego paliwa wtryśnięty do cylindra podlega w pierwszym okresie, w tzw. okresie opóźnienia zapłonu reakcjom przygotowawczym. W wyniku tych reakcji w różnych miejscach na otoczce strumienia pojawiają się ogniska samozapłonu. Dlatego też ten proces zapłonu jest nazywany samozapłonem wieloogniskowym. Powstanie takiej mieszaniny przedstawiono na rys.2.2.1

Rys. 2.2. l. Schemat powstawania mieszaniny w małym wycinku komory spalania silnika wysokoprężnego: a- wstępny okres tworzenia mieszaniny palnej; b- niejednorodność mieszaniny w rozpatrywanym wycinku komory spalania.

W małym wycinku komory spalania, bezpośrednio przed zapłonem paliwa można wyróżnić obszary objęte przez same krople paliwa ciekłego, jego

20

pary wymieszane z powietrzem oraz czyste powietrze (rys.2.2.1a). Jeżeli poddałoby się współczynnik nadmiaru powietrza w poszczególnych miejscach badanego wycinka pomiarom, można stwierdzić bardzo duży stopień niejednorodności mieszaniny, zbliżony do przedstawionego na rys.2.2.1b.

Spalanie paliwa zaczyna się w tym miejscu, gdzie wytworzyła się mieszanina o składzie, przy którym w danych warunkach samozapłon występuje najłatwiej (^=0,8-0,9). Stąd rozchodzi się czoło płomienia obejmując obszar mieszaniny par paliwa z powietrzem.

Podstawą badań przebiegu spalania są wykresy zmian ciśnienia w cylindrze, wykonane w funkcji kąta obrotu wału korbowego.

Rys. 2.2.2. Przebieg zmian ciśnienia i temperatury w cylindrze silnika ZS w funkcji kąta obrotu wału korbowego, l - początek wtrysku paliwa, 2-samozapłon mieszaniny paliwowo-powietrznej, 3-koniec drugiego okresu spalania (największe ciśnienie spalania) 4-umowny koniec spalania, I (pierwszy okres)- opóźnienie zapłonu, n (drugi okres) -rozprzestrzenienie się płomienia w komorze spalania -okres spalania wybuchowego (kinetycznego), in (trzeci okres) -sterowane spalanie paliwa (okres spalania dyfuzyjnego), począwszy od punktu 4 występuje ewentualne dopalanie (czwarty okres), aw -kąt wtrysku paliwa.

Pierwszy okres spalania J, tzw. okres opóźnienia zapłonu, rozciąga się od chwili powstania pierwszych ognisk samozapłonu. Charakterystyczne cechy tego okresu to: stosunkowo nieznaczna prędkość zachodzących reakcji utleniania, zmiany ciśnienia i temperatury odpowiadające politropowemu sprężaniu (linia wykresu indykatorowego nie odbiega od linii sprężania) oraz narastająca prędkość wtryskiwania paliwa.

---