Сравнение двигателей тяжелого и легкого топлива

 Особенности рабочего процесса двигателей тяжелого топлива

  Двигателями тяжелого топлива или двигателями с воспламенением от сжатия называются ДВС, работающие с самовоспламенением тяжелого топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя в конце сжатия. Под тяжелым топливом обычно понимают жидкое нефтяное топливо – керосин, газойль, соляровое масло – менее летучее (т.е. хуже испаряющееся), чем бензин. Самовоспламенение топлива в двигателях обеспечивается применением высоких степеней сжатия (ε = 13-18), благодаря которым температура воздуха в цилиндре в конце хода сжатия повышается до величины, достаточной для получения своевременного самовоспламенения топлива при соответствующем давлении.

      Опасность детонации, возможной в карбюраторных двигателях при столь высоких степенях сжатия, устраняется тем, что в процессе наполнения цилиндр заполняется не свежей смесью, а чистым воздухом и, следовательно, в период сжатия топливо в цилиндре отсутствует.

      Обычно подача топлива в цилиндр двигателя с воспламенением от сжатия начинается за 20-40⁰ до ВМТ в конце хода сжатия. Величина опережения впрыска существенно сказывается на протекании рабочего процесса: чем ближе к ВМТ начинается впрыск топлива, тем большее количество топлива сгорает после ВМТ в процессе расширения, что приводит к ухудшению экономичности двигателя. Увеличение опережения впрыска обычно связано с улучшением экономичности, но приводит к возрастанию максимального давления сгорания. Чрезмерное опережение впрыска, приводящее к максимальному повышению давления газов еще при движении поршня к ВМТ, связано с резким ухудшением экономичности и снижением мощности двигателя. Таким образом, изменение момента подачи топлива в цилиндр является одним из наиболее существенных элементов регулирования рабочего процесса двигателя тяжелого топлива.

       Достаточно полное сгорание топлива при его подаче в цилиндр в конце хода сжатия даже в мелкораспыленном виде возможно при сравнительно большом общем избытке воздуха в камере сгорания. Поэтому в авиационных двигателях тяжелого топлива коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме равен примерно 1,5-1,8. Уменьшение коэффициента α ниже этих значений, как правило, приводит к резкому уменьшению полноты сгорания, догоранию на выхлопе, перегреву и общему снижению экономичности и надежности работы двигателя. Следует отметить, что если в двигателях с искровым зажиганием возможный предел обеднения ТВС соответствует величине α = 1,2-1,3, то в двигателях с воспламенением от сжатия возможное обеднение смеси практически неограничено.

      Совместное влияние обеднения смеси и повышенной степени сжатия приводит к тому, что удельный расход топлива у этих двигателей получается на 20-39% меньше, чем у двигателей легкого топлива. Однако работа с большим избытком воздуха сопровождается понижением литровой мощности, получаемой при том же наддуве. В результате двигатель тяжелого топлива оказывается более тяжелым, чем двигатель легкого топлива (при той же общей мощности). Выполненные конструкции двигателей тяжелого топлива имеют на 30-50% больший удельный вес, чем двигатели легкого топлива.

      Таким образом, высокая степень сжатия и большое значение коэффициента избытка воздуха двигателей тяжелого топлива обусловливают их основные преимущества и недостатки: высокую экономичность и большой удельный вес конструкции.

      Специфические свойства тяжелых углеводородных топлив – более высокая температура вспышки и большой удельный вес – обусловливают дополнительные преимущества двигателей тяжелого топлива: пониженную пожарную опасность в эксплуатации и меньший объем топливных баков при одинаковом весе запасаемого топлива.

  Характеристики двигателей тяжелого топлива

      Как известно, регулирование мощности двигателей легкого топлива в основном достигается изменением расхода бензино-воздушной смеси, причем на расход воздуха воздействуют изменением давления поступающего в цилиндр воздуха и числа оборотов двигателя, а расход бензина регулируется дозирующими устройствами системы питания, обеспечивающими сохранение требуемого состава смеси. Принципиальной особенностью двигателей тяжелого топлива является возможность регулирования мощности не только таким «количественным» способом, но и путем существенного изменения состава смеси, достигаемого регулированием количества подаваемого за каждый цикл топлива. Подобный способ регулирования, называемый качественным, во многих случаях более выгоден, так как позволяет повышать экономичность двигателя на крейсерских режимах.

      Наиболее употребительными характеристиками двигателей тяжелого топлива являются те же, что и для двигателей легкого топлива, а именно: внешняя, винтовая и высотная.

      Внешняя характеристика. Внешней характеристикой, как известно (п.3.1), называется зависимость максимально располагаемой эффективной мощности и соответствующего удельного расхода топлива от числа оборотов при работе двигателя на земле. Для двигателей тяжелого топлива при этом под максимально располагаемой мощностью понимают мощность, получаемую при максимально возможной подаче цикловой топлива, ограниченной резким ухудшением рабочего процесса и надежности двигателя при дальнейшем обогащении смеси.

      При уменьшении числа оборотов давление поступающего в цилиндры воздуха может оставаться либо постоянным (в невысотных двигателях или в двигателях с нагнетателями при дросселировании воздуха до давления р_к = const), либо падать (в двигателях с нагнетателями без дросселирования воздуха). В первом случае при снижении числа оборотов состав смеси будет изменяться мало, соответственно изменению коэффициента наполнения двигателя при примерно постоянной подаче топлива за цикл; во втором случае смесь будет обогащаться соответственно уменьшению давления поступающего в цилиндр воздуха, что приведет к уменьшению индикаторного КПД и к увеличению температуры газов. Предельно возможное снижение оборотов в этом последнем случае будет определяться допустимым по условиям надежной работы двигателя обогащением смеси.

      Винтовая характеристика. Винтовой характеристикой двигателей тяжелого топлива, так же как у двигателей легкого топлива, называется зависимость эффективной мощности и удельного расхода топлива от числа оборотов при нагрузке двигателя подобранным по расчетному режиму винтом с фиксированным шагом. При этом число оборотов двигателя меняется не дросселированием (как у двигателей легкого топлива), а изменением количества подаваемого за цикл топлива. Таким образом, коэффициент избытка воздуха по винтовой характеристике с уменьшением числа оборотов увеличивается, что вызывает повышение индикаторного КПД (до некоторого предельного значения по α).

      Изменение параметров двигателя тяжелого топлива по винтовой характеристике получается примерно таким же, как у двигателей легкого топлива. Однако при переходе от крейсерского режима к взлетному режиму удельный расход у двигателей тяжелого топлива растет менее сильно в соответствии с менее резким ухудшением полноты сгорания по сравнению с бензиновыми двигателями, работающими при сильно обогащенных смесях.

      Высотная характеристика. Двигатели тяжелого топлива могут иметь различное протекание высотной характеристики в зависимости от системы наддува и от принятого способа регулирования двигателя. Обычно для высотных двигателей с наддувом до расчетной высоты регулирование производится таким же способом, как и для двигателей легкого топлива, т.е. сохраняется постоянным число оборотов, давление наддува и состав смеси. Следовательно, протекание высотных характеристик обоих двигателей до расчетной высоты примерно одинаково и зависит только от системы наддува.

      Протекание высотных характеристик для высотных двигателей за расчетной высотой (а для невысотных начиная от земли) может быть различным в зависимости от двух возможных способов регулирования подачи топлива:

      1) можно уменьшать цикловую подачу топлива пропорционально уменьшению весового заряда воздуха, так что состав смеси будет сохраняться постоянным; в этом случае протекание характеристики получится примерно таким же, что и у двигателей легкого топлива;

2) можно сохранить постоянную цикловую подачу топлива, не зависящую от высоты полета. Этот способ регулирования связан с обогащением смеси при подъеме на высоту, что приводит к ухудшению экономичности двигателя, т.е. увеличению удельного расхода топлива и снижению мощности (хотя и меньшему, чем при α = const). Такое обогащение смеси по высотной характеристике возможно, так как давление поступающего в цилиндры воздуха понижается, благодаря чему тепловая перегрузка цилиндра становится менее опасной. Сохранение постоянного циклового расхода топлива при подъеме на высоту возможно лишь до тех пор, пока чрезмерное обогащение смеси не приведет к резкому падению мощности и появлению неустойчивой работы двигателя. Поэтому, начиная с некоторой предельной высоты, необходимо переходить на первый способ регулирования, т.е. уменьшать цикловую подачу топлива, сохраняя постоянный состав смеси.

13. Режимы работы поршневых двигателей

  В целях обеспечения необходимой продолжительности и надежности работы двигателя в процессе его эксплуатации введены понятия о различных мощностях или режимах работы двигателя. Для каждого из режимов установлена гарантированная продолжительность непрерывной работы и общая продолжительность работы на каждом режиме в течение установленного срока службы двигателя. Для двигателя без наддува установлены следующие режимы работы: максимальный, номинальный, эксплуатационный и крейсерские.

  Максимальный режим характеризуется наибольшей мощностью, которую может развить двигатель. Продолжительность непрерывной работы на этом режиме – не более 5 мин.

  Номинальный режим и соответствующая ему мощность являются исходными при тепловых и прочностных расчетах двигателя. По номинальной мощности производится также расчет параметров самолета, которые данный двигатель может обеспечить в условиях полета.

  На эксплуатационном режиме двигатель развивает мощность, составляющую 90% от номинальной мощности, а соответствующее число оборотов примерно на 4% меньше числа оборотов на номинальном режиме. На эксплуатационном режиме продолжительность непрерывной работы двигателя не ограничивается.

  На крейсерских режимах двигатель развивает мощность 30-75% от номинальной. На крейсерских мощностях достигаются максимальные дальность и продолжительность полета.

  Для двигателей с наддувом принято различать следующие режимы работы: номинальный, взлетный, чрезвычайный и крейсерский.

  Номинальным называется основной расчетный режим работы двигателя. Принимают, что на этом режиме двигатель развивает 100%-ную мощность. Различают номинальную земную и номинальную высотную мощности.

Мощность, развиваемая двигателем на земле или в полете у земли при номинальном числе оборотов и номинальном наддуве называется земной номинальной мощностью.

  Высотной номинальной мощностью называется мощность двигателя, развиваемая на расчетной высоте при номинальных оборотах и номинальном наддуве.

  Взлетным называется форсированный режим, на котором двигатель работает при взлете самолета для сокращения длины разбега. Форсирование мощности на взлетном режиме достигается увеличением наддува и оборотов. Мощность двигателя на взлетном режиме достигает 110-120% от номинальной. На взлетном режиме двигатель должен надежно работать около 5% срока службы периодами непрерывной работы не более 5 мин.

  Чрезвычайным называется максимально форсированный режим работы двигателя, применяемый только в случае крайней необходимости. Мощность на этом режиме составляет 130-160% от номинальной. Этот рост мощности достигается значительным увеличением давления наддува. На чрезвычайном режиме двигатель должен надежно работать около 3% срока своей службы периодами непрерывной работы не более 2-3 мин. После работы на чрезвычайном режиме состояние двигателя обязательно проверяется.

  Крейсерскими называются такие режимы работы двигателя, при которых его мощность составляет от 30 до 75% от номинальной.

  Различают три основных крейсерских режима: максимальный, наивыгоднейший и экономический. На максимальном крейсерском режиме мощность составляет 75% от номинальной. На наивыгоднейшем крейсерском режиме имеет место наименьший расход топлива на километр пути. Мощность на этом режиме составляет 50-60% от номинальной. На экономическом крейсерском режиме имеет место минимальный часовой расход топлива и, следовательно, наибольшая продолжительность полета. На этом режиме мощность двигателя составляет 30-40% от номинальной мощности.