ДВС

Рабочий процесс

Цикл. Такт. Рабочие процессы 4-х-тактных двига­телей. Кру­говая диаграмма газораспределения.

1. Рабочим циклом называется совокупность последователь­ных и периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя.

2. Отдельный процесс рабочего цикла, совершающийся в цилиндре двигателя за один ход поршня (всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск газов) называется тактом.

3. Рабочий цикл ДВС может быть осуществлен за 2 или 4 хода поршня (1 или 2 оборота коленчатого вала). В первом случае двигатель будет называется двухтактным, а во втором — четырехтактным.

4. Положения коленчатого вала, при которых поршень дос­тигает крайних положений во время его перемещений в ци­линдре, называются верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ).

5. Длина пути, который проходит поршень от ВМТ до НМТ и наоборот, называется ходом поршня. Ход поршня соответству­ет повороту коленвала на 180°.

6. Длина хода поршня S и число оборотов n определяют сред­нюю скорость поршня Сm, которая характеризует быстроход­ность двигателя,

7. Объем пространства, заключенный между головкой цилин­дра и днищем поршня при его положении в ВМТ, называется камерой сжатия или камерой сгорания, а объем, образующийся при движении поршня от ВМТ до НМТ, рабочим объемом цилиндра.

Рабочие циклы двигателей.

Четырехтактный двигатель.

1 -й такт — всасывание. Поршень движется от ВМТ к НМТ, в цилиндре образуется разрежение и воздух через открытый впускной клапан идет в цилиндр,

2-й такт — сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ (все клапаны закрыты). Давление в цилиндре повышается и темпе­ратура смеси достигает 300÷400˚C.

3-й такт — рабочий ход. В цилиндр впрыскивается топли­во, оно воспламеняется, давление в цилиндре повышается и поршень движется к НМТ.

4-й такт — выпуск. Поршень движется к ВМТ, через от­крытый выпускной клапан из цилиндра удаляются газы.

Затем цикл повторяется в том же порядке.

Д вухтактный двигатель.

В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала. Наполнение цилиндра воздухом, сжа­тие и сгорание горючей смеси, а также расширение и выпуск газов происходит за два хода поршня. При этом и выпуск продуктов сгорания, и зарядка воздухом совершается лишь на некотором уча­стке рабочего хода поршня.

Если процессы сжатия, сгорания и расширения в двух- и четырехтакт­ных двигателях аналогичны, то очи­стка цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежим воздухом у них существенно различаются. В че­тырехтактном двигателе основная масса остаточных газов вытесняется поршнем при его ходе к ВМТ. В двух­тактном двигателе очистка произво­дится при открытых продувочных выхлопных окнах, то есть продувка и выпуск происходят одновременно. У двухтактных двигателей применя­ются следующие типы продувок: П- образная (контурная) и прямоточно-­клапанная.

Схема наддува двухтактного двигателя и четырех­тактного.

Увеличение массы воздушного заряда в цилиндре за счет предварительного сжатия воздуха в компрессоре называют над­дувом. Компрессор входит в состав газотурбонагнетателя (ГТН). Воздух после компрессора охлаждается в воздухоохладителе и потом попадает в продувочный рессивер или в подпоршневое пространство крейцкопорных двигателей. При наличии проду­вочных насосов воздух из продувочного рессивера в подпорш­невое пространство подают продувочные насосы — это двух­ступенчатый наддув.

У четырехтактных двигателей схема наддувов следующая: ГТН — вохдухоохладитель — продувочный ресивер.

Индикаторное давление, индикаторная и эффек­тивная мощность. Характеристики двигателя.

Характеристики двигателя:

P_i — среднее индикаторное давление — условное среднее постоянное давление в рабочем цилиндре.

N_i — индикаторная мощность — мощность, развиваемая газами внутри цилиндра.

N_e — эффективная мощность двигателя, ƞ_max — механи­ческий КПД двигателя, N_e = N_i · ƞ_max.

Характеристики двигателя

Характеристиками двигателя называются кривые, определяющие зависимость мощности и крутящего момента от различ­ных показателей: числа оборотов вала, расхода топлива, на­грузки и пр. Характеристики составляются при испытании двигателя на стенде.

Различают характеристики: скоростные, нагрузочные и ре­гулировочные.

Скоростные характеристики определяют зависимость мощ­ности от оборотов n.

Нагрузочные характеристики определяют связь между пара­метрами, оценивающими работу двигателя, и параметрами нагрузки. Обычно нагрузочные характеристики выражают за­висимость расхода топлива и температуры отработавших газов от эффективности мощности N_e,

Регулировочные характеристики показывают влияние на мощность и экономичность двигателя параметров регулировки при n = const. Например, зависимость мощности и расхода топлива от угла опережения подачи топлива и др.

Конструкция двс

Классификация дизелей по конструктивному вы­полнению.

ДВС классифицируется по следующим основным признакам:

1. По способу осуществления рабочего цикла — на 4-х тактные и 2-х тактные.

2. По способу воздухоснабжеиия — с наддувом и без наддува.

3. По способу воспламенения топлива — с воспламенением от сжатия (дизели), с искровым зажиганием (карбюраторные и газовые).

4. По роду применяемого топлива — жидкого топлива и газовые.

5. По способу смесеобразования — с внутренним смесеобра­зованием (дизели) и с внешним смесеобразованием (карбюра­торные и газовые).

6. По частоте вращения коленчатого вала: малооборотные двигатели (МОД) с оборотами до 240 в мин.; среднеоборотные двигатели (СОД) с оборотами от 240 до 750 в мин.; повышен­ной оборотности (ПОД) с оборотами от 750 и выше.

7. По назначению — главные и вспомогательные.

8. По принципу действия — простого действия (рабочий цикл совершается только в одной полости цилиндра); двойного дей­ствия (рабочий цикл совершается над и под поршнем) и с про­тивоположно движущимся поршнями),

9. По конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма — тронковые и крейцкодфные.

10. По расположению цилиндров — вертикальные, горизон­тальные, однорядные, двухрядные, V/W-образные, звездообраз­ные и т.п.

11. Реверсивные и нереверсивные.

Маркировка судовых двигателей.

«Бумейстер и Вайн», 8VTBF-600/1200.

V — 2-х тактный F — реверсивный

Т — крейцкопфный d цилиндра 600 мм

В — с наддувом h поршня — 120 мм

М — 4-х тактный Н — вспомогательный

«Зульцер», 8RD90, RSAD76

8 — число цилиндров 8 — крейцкопфный

В — 4-х тактный Т — тронковый

D — реверсивный Н — вспомогательный

А — с наддувом

«Фиат»

С — крейцкопфный Т — тронковый

S — с наддувом

«Пильстик», 12 РС2 V400

12 — число цилиндров V — V-образный

Р — с наддувом 400 — диаметр цилиндра

С — нереверсивный

Р абочие цилиндры и крышки цилиндров двухтак­тных и четырехтактных двигателей.

Рабочие цилиндры бывают индивидуальные и блочные. Ци­линдры, установленные в блоке, охлаждаются водой. Одной из наиболее ответственных деталей двигателя является втулка цилиндра, которая изготавливается из чугуна, может быть хро­мирована.

Крышки цилиндров бы­вают чугунные, стальные, из алюминиевого сплава. Крышка цилиндра — одна из наиболее сложных и ответственных деталей. Она также охлаждается водой. Крышка цилиндра четырехтактного двигате­ля более сложна, а у двух­тактного двигателя более простая, так как отсут­ствуют впускные и вых­лопные клапаны.

Фундаментные рамы. Рамовые подшипники. Станины.

1. Фундаментные рамы двигателей выполняют цельными, либо состав­ными и делают их чугун­ными, стальными или из алюминиевых сплавов. Фундаментная рама — основа для остова. Внут­реннее пространство, об­разуемое рамой и блоком цилиндров, называется картером. В фундамент­ной раме изготовлены постели для рамовых подшипников и упорно­го подшипника, (см. рис. 35).

2 . Рамовые подшипни­ки — на них укладыва­ется коленвал, в них же он и вращается. Рамовые подшипники бывают толстостенные, залитые баббитом Б83, Б88 и тон­костенные, с нескольки­ми слоями антифрикционных металлов: свинцовистая бронза, оловянистый баббит, алюминиевые сплавы, медь и др.

Н а фундаментную раму устанавливается станина, которая является промежуточной деталью между рамой и цилиндра­ми. У крейцкопфных двигателей станины выполняются в виде вертикальных колонн, у тронковых двигателей средней мощ­ности станины коробчатого типа. Анкерные связи (стальные шпильки) стягивают станину с рамой.

Поршневые кольца. Крейцкоп­фы и штоки.

1. Поршень воспринимает давление газов и передает его коленвалу через шатун. Поршень обычно изготавливают из чугуна или алюминиевых сплавов. Поршень состоит из головки, канавки для поршневых колец, юбки, канавки для стопорного кольца и бобышки, в нижней части поршня канавки для мас­лосъемных колец.

У двигателей МАН, Зульцер, Гетаверкен и др. поршни составные: верхняя часть из кованной стали, нижняя из чугуна, с охлаждением верхней части мас­лом. У двигателей МАН, Зульцер тронковые поршни имеют медные противоизносные кольца.

2. Поршневые кольца слу­жат для уплотнения поршня в цилиндре, предотвращения по­падания масла в камеру сго­рания и отвода тепла от порш­ня в стенку цилиндра. Изго­тавливаются кольца из чугу­на. Для ускорения приработ­ки колец и повышения изно­состойкости применяются раз­личные покрытия колец: лу­жение, оксидирование и пр. Иногда в кольца завальцовываются бронзовые пояски из антифрикционного материала.

По назначению кольца бывают компрессионные и маслосъемные. Компрес­сионные кольца имеют прямоугольное сечение. Число компрессионных колец зависит от давления газа и диаметра цилиндра и обычно составляет 3-5 у быстроходных двигателей и 6-7 у тихоходных.

М аслосъемные кольца служат для удаления из­быточного масла со стенок цилиндра и не допускают его попадания в камеру сгорания. Их ставят: над бобышками — одно, и вто­рое — внизу на тронке. Чтобы кольцо не заело при нагревании, в нем делает­ся разрез — замок. Замки поршневых колец бывают прямыми, косыми и сту­пенчатыми.

Наибольшему износу подвержены два верхних поршневых кольца. Кольда выходят из строя не одновременно: сперва — верхнее, а затем — среднее и нижнее.

3. Поршневой палец служит для шарнирного сочленения пор­шня с шатуном. Поршневые пальцы для тихоходных двигате­лей изготавливаются из мягкой у глеродистой стали, а для бы­строходных — из хромоникелевой стали. Поверхность пальцев цементируют и закаляют, часто хромируют, В зависимости от посадки в бобышках поршня бывают неподвижные и плаваю­щие. Для предотвращения осевого перемещения пальца в бо­бышках фиксируются пружинными кольцами.

Крейцкопфы и штоки.

У больших малооборотных двигате­лей (диаметр цилиндра больше 500 мм) энергия движения от поршня к коленвалу передается по двухступен­чатой схеме через крейцкоифный ме­ханизм, Поршень соединяется с крей­цкопфом с помощью штока. Шток поршня, всегда круглого сечения, со­единяется с поперечиной. Шток кре­пится к поршню с помощью кругло­го фланца на шпильках. Шток с по­перечной крейцкопфа соединяется по­средством цилиндрического хвостови­ка с гайкой на конце. Вильчатый шток имеет две опорные поверхности для поперечины.

Крейцконфные двигатели оснаще­ны также ползунами и параллелями, воспринимающими давление газов.

Шатуны.

Шатун — основная деталь шатунно-кривошипного механиз­ма, преобразующего возвратно-поступательное давление порш­ня во вращательное движение коленвала. Шатуны изготавли­вают штамповкой или поковкой из углеродистой стали высо­кого качества. Шатуны делают обычно круглого сечения, а в быстроходных двигателях — двутавровыми. Верхняя головка шатуна неразъемная. В нее запрессовывают бронзовую втулку с канавками на рабочей поверхности. Нижняя головка шату­на, соединяющая его с шейкой вала, разъемная. Крышка нижней головки шатуна крепится к телу шатуна двумя или четырь­мя шатунными болтами с гайками или без них. В нижнюю го­ловку вставляются вкладыши мотылевого подшипника. Шатун­ные болты устанавливаются в калиброванные отверстия голов­ки и затягиваются корончатыми гайками, з афиксированными шплинтами. От проворачивания болты предохраняют фиксиру­ющими штифтами или выступами на головке. В V - образных двигателях могут быть и обычные шатуны, и прицепные шату­ны, которые соединяются с главными шатунами.

Коленчатые валы, маховик, демпфер.

Коленчатый вал — наиболее ответствен­ная и сложная по кон­струкции деталь, срок службы которой часто определяет долговеч­ность двигателя.

Коленвалы состоят из рамовых и мотылевых шеек, соединен­ных щеками. Число колен коленвала зави­сит от числа цилинд­ров. Небольшие валы изготовляют цельны­ми, крупные — со­ставными из двух или трех частей. В шей­ках вала и щеках про­сверлены отверстия, по которым к под­шипникам подводит­ся смазка. Один ко­нец коленвала имеет фланец для крепле­ния маховика двига­теля. На другом кон­це крепятся шестерни привода насосов, ком­прессора.

Д ля уравновешива­ния центробежных сил, с которыми вращающиеся насосы дей­ствуют на подшипни­ках, щеки мотылей снабжены противовесами. Для снижения уровня резонансных колебаний коленвала применяется демпфер (успокоитель колеба­ний), который обычно монтируется на носо­вой части коленвала.

Маховик предназна­чен для накопления энергии во время рабочего хода и отдачи ее во время нерабочих ходов. Благодаря этому достигается равномерное вращение вала. Маховик дает также возможность выводить коленвал из мерт­вых точек и облегчает пуск двигателя. На маховике обычно делают зубья шестерни для ВПУ.

Механизм газораспределения четырехтактного и двухтактного двигателей.

Г азораспределительный механизм обеспечивает своевремен­ное поступление в цилиндры топлива, свежего воздуха и вы­пуск газов.

В 4-х-тактных двигателях эти процессы осуществляются впус­кными и выпускными клапана­ми, приводимыми в действие рас­пределительным валом. Распре­делительный вал соединяется с коленвалом через шестеренчатую или цепную передачу.

Двухтактные двигатели, как правило, имеют контурное газо­распределение, для чего в цилин­дре сделаны окна, открывающи­еся и закрывающиеся самим пор­шнем, который выполняет фун­кции распределительного золот­ника. Это самая простая конст­рукция. В некоторых двухтакт­ных двигателях имеется прямо­точно-клапанная или прямоточно-щелевая продувка. При пря­моточно-клапанной продувке газы выпускаются через клапа­ны, установленные в крышках цилиндра, а подача воздуха — через окна во втулке.

Распределительный вал от­крывает в определенной после­довательности впускные и вы­пускные клапаны при помощи имеющихся на нем профиль­ных кулачных шайб. У нере­версивных двигателей распред­валы имеют только одинарные кулачные шайбы, у реверсив­ных — сдвоенные, переднего и заднего хода для впускных и выпускных клапанов.

К улачные шайбы впускных и выпускных клапанов и ТНВД у нереверсивных двига­телей изготовлены заодно с распредвалом и расположены в соответствии с фазами газо­распределения и порядком ра­боты цилиндров.

У реверсивных дизелей кулачные шайбы закреплены на рас­предвале, При набегании ролика штанги на выступ кулачной шайбы клапаны открываются, а при сбегании ролика на ци­линдрическую часть шайбы клапаны закрываются под воздей­ствием пружины.

Толкатели передают осевое усилие от толкателя к рычагу. Рычаг (коромысло) служит для передачи усилия от штанги или кулачной шайбы к клапану. Рычаг выполняют неравноплечим. Длинное плечо, сопряженное со стержнем клапана, снабжают бойком, роликом или плоским наконечником на сферической опоре. В коротком плече расположен регулировочный болт, с помощью которого устанавливается нужный тепловой зазор в механизме газораспределения.

В современных СОД вместо регулировочного болта используют гид­равлический толкатель, который автоматически устраняет зазор в кла­панном механизме.

В современных МОД механический привод выпускного клапана за­менен на гидропневма­тический. Такой привод повышает надежность работы, уменьшает шум, износ, устраняет удары в приводе, увели­чивает срок службы клапана.

Коллекторы всасывающие и выхлопные. Глуши­тели. Наддув 4-х-тактного и 2-х-тактного двигателей. Системы наддува.

Система воздухоснабжения состоит из газотурбонагнетателя, воздухоохладителя, ресивера, воздуховодов, глушителей шума в системе воздухоснабжения.

К лассификация систем:

Системы воздухоснабже­ния классифицируются по следующим признакам:

1. По числу ступеней сжатия воздуха: одно- и двухступенчатые.

В 4-х-тактных двигате­лях без наддува ГТН отсут­ствует. Их системы возду­хоснабжения работают без сжатия воздуха благодаря всасывающему действию поршней двигателей.

2. По числу компрессо­ров: бескомпрессорные, одно- и многокомпрессор­ные.

3. По назначению и числу теплообменников; с охладителями и подогревателями воздуха.

4, По способу поддержанию параметров воздуха: нерегулиру­емые и регулируемые.

Элементы системы.

1. Центробежные, поршневые и роторно-лопастные компрес­соры.

Ц ентробежные — это газотурбонагнетатели (ГТН).

Поршневые — это продувочные насосы на двухтактных дви­гателях, они приводятся от коленчатого вала. У таких двигате­лей первая ступень наддува от ГТН, вторая ступень — проду­вочные насосы.

2. Ресиверы воздушные могут быть выносными (автономны­ми), либо встроенными, как в V-образном двигателе (между цилиндрами V-образного двигателя).

Система газоотвода.

Система газоотвода состоит из выпускных кол­лекторов, газотурбонагнетателей (ГТН), газоотводов, глушителей, утиль-котлов.

Выпускные коллекторы предназначены для отвода из цилиндров отработавших газов.

Глушители снижают шум отработавших га­зов.

Искрогаситель устанавливается внутри глушителя или за ним. Он служит для гашения искр, вылетающих вместе с выпуск­ными газами. Искры — это частички раскаленной сажи, увлека­емой потоком газа со стенок выпускного коллектора и выпускных труб. Искрогашение производится путем разбрызгивания воды на пути газов перед выходом из глушителя. Вода подводится к искрогасителю по специальным трубам и по стенкам глушителя стекает в его нижнюю часть, а оттуда по сборной трубе отводится через грязевик, находящийся в нижней части глушителя. На глу­шителе устанавливают патрубок для слива воды в отливную трубу.

При прохождении по газовыпускному трубопроводу выпускные газы охлаждаются, в связи с чем температура трубопровода по длине различна. В местах наибольшего нагревания рядом с вы­пускным коллектором двигателя обязательно ставят компенсатор для компенсации тепловых напряжений. Кроме того, компенса­торы могут быть установлены и в других точках трубопровода, чтобы уменьшить влияние вибрации двигателя на корпусные конструкции. В основном применяют линзовые и сильфонные компенсаторы.

Газовыпускные трубопроводы крепят на пружинных под­весках, воспринимающих массу труб и не препятствующих их тепловому расширению. Эти трубопроводы от всех двигателей в виде пучка проходят под кожухом судовой дымовой трубы; каждая выпускная труба имеет отдельный выход в атмосферу. С целью удобства эксплуатации глушитель с искрогасителями обычно размещают также под кожухом этой трубы. На газо­выпускных трубопроводах во избежание попадания дождевой и забортной воды внутрь двигателя устанавливают заглушки - шиберы или клинкетные задвижки.

Если газоотвод производится не через судовую дымовую трубу, а через отверстие в борту, то перед выводом за борт на трубе делается вертикальная полупетля для предохранения дви­гателя от попадания в него воды.

Диаметр труб газовыпускного трубопровода выбирается из условий движения газов по трубам со скоростью, не превыша­ющей 20—30 м/с. Меньшая скорость принимается при длинном газовыпускном тракте и при наличии в системе утилизационного котла, глушителя и искрогасителя. Обычно внутренний диаметр газовыпускного трубопровода соответствует диаметру отверстия фланца на в ыпускном коллекторе дизеля.

Выпускной трубопровод следует охлаждать водой или покры­вать тепловой изоляцией, обеспечивающей на его наружной поверхности температуру не более 60 °С. Если газовыпускной трубопровод проходит вблизи деревянных конструкций или то­пливных цистерн, он должен иметь рубашку, охлаждаемую водой. I

На судах, где установлены утилизационные котлы, исполь­зующие тепловую энергию выпускных газов, газовыпускной трубопровод должен разветвляться и обеспечивать подачу газа в утилизационный котел и в обход его. Для этого на нём ставят заслонку, которой регулируется количество газа, подаваемого в котел и в обход его. Целесообразно автоматизировать работу заслонки, которая в зависимости от давления пара в паровых котлах или температуры воды в водогрейных котлах регулирует количество подаваемого газа. Для сокращения количества обору­дования утилизационные котлы одновременно выполняют функции глушителя, а глушители одновременно являются и искрогаси­телями. Только на танкерах и толкачах-буксирах, предназначен­ных для перевозки нефтепродуктов разрядов I и II, устанавливают независимые искрогасители «мокрого» типа.

Схема газовыпускной системы речного теплохода грузоподъем­ностью 1000 т приведена на рис. 3.61. Газы после турбонагнета­теля 2 главного дизеля 6ЧНСП 27,5/36 поступают по трубопро­воду 4 в утилизационный котел-глушитель 6 и далее отводятся в атмосферу. Вспомогательный дизель 1 имеет самостоятельную систему выпуска газа. На его выпускном трубопроводе имеется компенсатор 7. Перед выпуском газов в атмосферу в фальштрубе устанавливается глушитель 5. Для предохранения членов эки­пажа от возможных ожогов газовыпускной трубопровод покрыт теплозащитной изоляцией 3.

Элементы системы.

1. Выпускные коллекторы подразделяются на однотрубные и многотрубные, охлаждаемые изо­лированные, изолированные с охлаждаемым или неохлаждаемым кожухом.

2. Глушители шума могут быть активного (по­ложительного) или пассивного (расширитель­ного) типа.

3. Газоотводы имеют компенсаторы линзово­го (сильфонного) или поршневого типа.