Министерство образования и науки Украины

Национальный университет кораблестроения

им. адм. Макарова

Кафедра ДВС

Конспект лекций по курсу двс (сдвс) Николаев – 2014

Содержание
		Стр.
	Тема 1. Сравнение ДВС с другими типами тепловых двигателей. Классификация ДВС. Область их применения, перспективы и направления дальнейшего развития. Соотношение в ДВС и их маркировка………………………………………………...	3
	Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без……………………………………………..	7
	Тема 3. Основные конструктивные схемы разных типов ДВС. Конструктивные схемы остова двигателя. Элементы остова двигателя. Назначение. Общее строение и схема взаимодействия элементов КШМ ДВС……………………………………...	13
	Тема 4. Системы ДВС…………………………………………………...	53
	Тема 5. Допущения в идеальном цикле, процессы и параметры цикла. Параметры рабочего тела в характерных местах цикла. Сравнение разных идеальных циклов. Условия протекания процессов в расчетном и действительном циклах……………	67
	Тема 6. Процесс наполнения цилиндра воздухом. Процесс сжатия, условия прохождения, степень сжатия и ее выбор, параметры рабочего тела при сжатии…………………………………..	71
	Тема 7. Процесс сгорания. Условия выделения и использования тепла при сгорании топлива. Количество воздуха необходимое для сгорания топлива. Факторы, влияющие на эти процессы. Процесс расширения. Параметры рабочего тела в конце процесса. Работа процесса. Процесс выпуска отработавших газов…………………………………………………….	78
	Тема 8. Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя..	88
	Тема 9. Наддув ДВС как способ повышения технико-экономических показателей. Схемы наддува. Особенности рабочего процесса двигателя с наддувом. Способы использования энергии отработавших газов…………………………………………………...	93
	Литература………………………………………………………………	101

Тема 1. Сравнение двс с другими типами тепловых двигателей. Классификация двс. Область их применения, перспективы и направления дальнейшего развития. Соотношение в двс и их маркировка.

Двигатель внутреннего сгорания – это такой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу. Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется посредством передачи энергии расширения продуктов сгорания на поршень, возвратно-поступательное движение которого, в свою очередь, через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, приводящего в движение гребной винт, электрический генератор, насос или другой потребитель энергии.

ДВС можно классифицировать по следующим основным признакам:

– по роду рабочего цикла – с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме, с подводом теплоты при постоянном давлении газов и со смешанным подводом теплоты, т. е. вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении газов;

– по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные у которых цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала);

– по способу воздухоснабжения – с наддувом и без наддува. В четырехтактных ДВС без наддува цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью) всасывающим ходом поршня, а в двухтактных ДВС – продувочным компрессором с механическим приводом от двигателя. Во всех ДВС с наддувом наполнение цилиндра осуществляется специальным компрессором. Двигатели с наддувом нередко называют комбинированными, так как помимо поршневого двигателя они имеют и компрессор, подающий воздух в двигатель при повышенном давлении;

– по способу воспламенения топлива – с воспламенением от сжатия (дизели) н с искровым зажиганием (карбюраторные к газовые);

– по роду применяемого топлива – жидкого топлива и газовые. К ДВС жидкого топлива относятся и многотопливные двигатели, которые без конструктивных изменений могут работать на различных топливах. К газовым ДВС относятся и двигатели с воспламенением от сжатия, в которых основное топливо газообразное, а жидкое топливо в небольшом ко­личестве используется как запальное, т. е. для воспламе­нения;

– по способу смесеобразования – с внутренним смесеобразованием, когда топливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели), и с внешним смесеобразованием, ко­гда эта смесь приготовляется до ее подачи в рабочий цилиндр (карбюраторные и газовые двигатели с искровым зажиганием). Основные способы внутреннего смесеобразования – объемное, объемно-пленочное и пленочное;

– по типу камеры сгорания (КС) – с неразделенны­ми однополостными КС, с полуразделенными КС (КС в порш­не) и разделенными КС (предкамерные, вихрекамерные и воз­душно-камерные КС);

– по частоте вращения коленчатого вала n – малооборотные (МОД) с n до 240 мин^-1, среднеоборотные (СОД) с 240 < n < 750 мин^-1, повышенной оборотности (ПОД) с 750 <n< 1500 мин^-1 и высокооборотные (ВОД) с n > 1500 мин-1;

– по назначению – главные, предназначенные для при­вода судовых движителей (гребных винтов), и вспомогатель­ные, приводящие в движение электрические генераторы судовых электростанций или судовые механизмы;

– по принципу действия – простого действия (рабо­чий цикл совершается только в одной полости цилиндра), двой­ного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях ци­линдра над и под поршнем) и с противоположно движущимися поршнями (в каждом цилиндре двигателя имеется два механи­чески связанных поршня, движущихся в противоположных на­правлениях, с помещенным между ними рабочим телом);

– по конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма (КШМ) – тронковые и крейцкопфные. В тронковом двигателе силы нормального давления, возникающие при наклоне шатуна, передаются направляющей частью поршня – тронком, скользящим во втулке цилиндра; у крейцкопфного двигателя поршень не создает сил нормального давления, возникающих при наклоне шатуна, нормальное уси­лие создается в крейцкопфном соединении и передается ползу­нами на параллели, которые закреплены вне цилиндра на ста­нине двигателя;

– по расположению цилиндров – вертикальные, го­ризонтальные, однорядные, двухрядные, У-образные, звездо­образные и т. п.

Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются:

– верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соот­ветствующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);

– ход поршня, т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое;

– объем камеры сгорания (или сжатия), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;

– рабочий объем цилиндра, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками.

Марка дизеля дает представление о его типе и основных размерах. Маркировку отечественных дизелей осуществляют в соответствии с ГОСТ 4393-82 «Дизели стационарные, судовые, тепловозные и промышленные. Типы и основные параметры». Для маркировки приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр:

Ч – четырехтактный;

Д – двухтактный;

ДД – двухтактный двойного действия;

Р – реверсивный;

С – с реверсивной муфтой;

П – с редукторной передачей;

К – крейцкопфный;

Г – газовый;

Н – с наддувом;

1А, 2А, ЗА, 4А – степень автоматизации по ГОСТ 14228-80.

Отсутствие в условном обозначении буквы К означает, что дизель тронковый, буквы Р – дизель нереверсивный, а буквы Н – дизель без наддува. Цифры в марке перед буквами указывают число цилиндров, а после букв: число в числителе – диаметр цилиндра в сантиметрах, в знаменателе – ход поршня в сантиметрах.

В марке дизеля с противоположно движущимися поршнями указывают оба хода поршня, соединенных знаком «плюс», если ходы разные, или произведение «2 на ход одного поршня» при равенстве ходов.

В марке судовых дизелей производственного объединения «Брянский машиностроительный завод» (ПО БМЗ) дополнительно указывается и номер модификации, начиная со второй. Этот номер приводится в конце маркировки по ГОСТ 4393-82. Ниже приведены примеры маркировки некоторых двигателей.

12ЧНСП1А 18/20 – дизель двенадцатнцилиндровый, четырехтактный, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, автоматизированный по 1-й степени автоматизации, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см.

16ДПН 23/2 X 30 – дизель шестнадцатицилиндровый, двухтактный, с редукторной передачей, с наддувом, с диаметром цилиндра 23 см и с двумя противоположно движущимися поршнями, имеющими каждый ход 30 см,

9ДКРН 80/160-4 – дизель девятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, с диаметром цилиндра 80 см, ходом поршня 160 см, четвертой модификации.

На некоторых отечественных заводах кроме обязательной по ГОСТу марки выпускаемым дизелям присваивают и марку заводскую. Например, заводской марке Г-74 (завод «Двигатель революции») соответствует марка 6ЧН 36/45.

В большинстве зарубежных стран маркировка двигателей не регламентируется стандартами, а фирмы-строители используют собственные системы условных обозначений. Но даже одна и таже фирма нередко меняет принятые обозначения. Все же необходимо отметить, что многие фирмы в условных обозначениях указывают основные размеры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня.

Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без.

Четырехтактный ДВС.

Четырехтактный ДВС На рис. 2.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтактные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).

Рис. 2.1. Принцип работы четырехтактного ДВС

1-й такт – впуск или наполнение. Поршень 1 движется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной клапан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха (или рабочей смеси в карбюраторном двигателе) перед впускным патрубком р_о. Впускной клапан открывается несколько раньше ВМТ (точка r), т. е, с углом опережения 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впускной клапан закрывается после НМТ (точка а'), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в рабочий цилиндр в этот период способствует и инерционный подпор воздуха, поступающего в цилиндр- Поэтому впускной клапан закрывается с углом запаздывания 20...45° после НМТ.

Углы опережения и запаздывания определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ.

Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).

2-й такт – сжатие. При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n) при высоком давлении, обеспечивающей качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол впрыска на номинальном режиме в МОД обычно равен 1...9°, а в СОД – 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е, воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.

3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топливо, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая через кривошнпно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b’), которое происходит с опережением 20...40°. Некоторое уменьшение полезной работы расширения газа по сравнению с тем, когда клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.

4-й такт – выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.

Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ.

Принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя отличается от дизеля тем, что рабочая смесь – топливо и воздух – приготовляется вне цилиндра (в карбюраторе) и поступает в цилиндр в период 1-го такта; смесь воспламеняется в районе ВМТ от электрической искры.

Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью aсzba (площадь с наклонной штриховкой, см, 4-й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачивает работу (с учетом атмосферного давления р_о под поршнем), равную площади над кривой r'ma до горизонтальной линии, соответствующей давлению р_о. За время 4-го такта двигатель затрачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr' до горизонтальной линии р_о. Следовательно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так называемых «насосных» ходов, т. е. 1-го и 4-го тактов, когда двигатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с вертикальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной работы, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов, В реальных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям, В дизелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, поступающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов становится положительной.

Двухтактный ДВС.

В двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е, процессы газообмена, происходят только в тот период, когда поршень находится в районе НМТ при открытых органах газообмена. Очистка цилиндра от отработавших газов при этом осуществляется не поршнем, а предварительно сжатым воздухом (в дизелях) или горючей смесью (в карбюраторных и газовых двигателях). Предварительное сжатие воздуха или смеси происходит в специальном продувочном или наддувочном компрессоре. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть свежего заряда неизбежно удаляется из цилиндра вместе с отработавшими газами через выпускные органы. В связи с этим подача продувочного или наддувочного компрессора должна быть достаточной, чтобы компенсировать эту утечку заряда.

Выпуск газов из цилиндра происходит через окна или через клапан (количество клапанов может быть от 1 до 4). Впуск (продувка) свежего заряда в цилиндр в современных двигателях осуществляется только через окна. Выпускные и продувочные окна размещены в нижней части втулки рабочего цилиндра, а выпускные клапаны – в крышке цилиндра.

Схема работы двухтактного дизеля с контурной продувкой, т. е. когда выпуск и продувка происходят через окна, показана на рис. 2.2. Рабочий цикл имеет два такта.

1-й такт – ход поршня от НМТ (точка m) до ВМТ. Вначале поршень 6 перекрывает продувочные окна 1 (точка d'), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, а затем поршень перекрывает и выпускные окна 5 (точка b'), после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень придет в ВМТ (точка с). Точка n соответствует моменту начала впрыскивания топлива форсункой 3 в цилиндр. Следовательно, в течение 1-го такта в цилиндре заканчиваются выпуск, продувка и наполнение цилиндра, после чего происходит сжатие свежего заряда и начинается впрыскивание топлива.

Рис. 2.2. Принцип работы двухтактного ДВС

2-й такт – ход поршня от ВМТ до НМТ. В районе ВМТ форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает, при этом давление газов достигает максимального значения (точка z) и начинается их расширение. Процесс расширения газов заканчивается в момент начала открытия поршнем 6 выпускных окон 5 (точка b), после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра за счет перепада давления газа в цилиндре и выпускном коллекторе 4. Затем поршень открывает продувочные окна 1 (точка d) и происходят продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом. Продувка начнется только после того, как давление газов в цилиндре станет ниже давления воздуха р_s в продувочном ресивере 2.

Таким образом, в течение 2-го такта в цилиндре происходят впрыскивание топлива, его сгорание, расширение газов, выпуск отработавших газов, продувка и наполнение свежим зарядом. Во время этого такта осуществляется рабочий ход, обеспечивающий полезную работу.

Индикаторная диаграмма, представленная на рис. 2, одинакова как для дизеля без наддува, так и для дизеля с наддувом. Полезная работа цикла определяется площадью диаграммы md'b'сzbdm.

Работа газов в цилиндре положительна в период 2-го такта и отрицательна во время 1-го такта.