книги из ГПНТБ / Соловьев Е.М. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учеб. пособие

шневого пальца 6 соединен с шатуном 8. Другой конец шатуна соединен с мотылевой шейкой 10 коленчатого вала, который со­ стоит из колена (кривошипа) и рамовых шеек 12. Колено образо­ вано двумя щеками И и мотылевой шейкой 10. Рэмовыми шей­ ками коленчатый вал укладывается в рамовые подшипники 13 фундаментной рамы. Механизм, образованный шатуном и коленча­ тым валом, называется кривошипно-шатунным. Он служит для

Рис. 39. Схема устройства двигателя внутреннего сгорания.

преобразования возвратно-поступательного движения поршня в ци­ линдре во вращательное движение коленчатого вала.

Рассматривая рис. 39, легко убедиться, что перемещение пор­ шня (например, вниз) приводит к повороту коленчатого вала. Коленчатый вал имеет фланец 14, к которому присоединен вал потребителя энергии двигателя, т. е. вал гребного винта, элек­ трогенератора или насоса.

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания состоит в следующем. Через впускной клапан 1 в цилиндр попадает воз­ дух, а через топливный клапан, называемый форсункой 2, пода­ ется топливо (см. рис. 1). Топливо в цилиндре сгорает, образу­ ются газообразные продукты сгорания с высокими температурой

70

и давлением. При горении топлива происходит преобразование хи­ мической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгора­ ния. Высокое давление продуктов сгорания приводит в движение поршень. При перемещении поршень через кривошипно-шатунный механизм поворачивает коленчатый вал и вал приводного меха­ низма (например, гребного винта), т. е. производит полезную ме­ ханическую работу. Одновременно с движением поршня объем цилиндра над поршнем увеличивается и находящиеся в нем газы расширяются; давление, температура, а следовательно, и тепло­ вая энергия их уменьшаются. Таким образом, происходит преобра­ зование тепловой энергии продуктов сгорания в работу поршня и коленчатого вала.

После расширения в цилиндре газы выпускаются в атмосферу через клапан 3. Затем процессы впуска воздуха, подачи топлива, горения, расширения и выпуска газов повторяются.

В двигателе внутреннего сгорания преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию газов и преобразование теп­ ловой энергии в работу происходит внутри цилиндра двигателя. По этой причине такие двигатели получили наименование двига­ телей внутреннего сгорания (ДВС). Надобность в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала вызвана тем, что большинство привод­ ных механизмов требует вращательного движения. Для более рав­ номерного вращения на коленчатом валу часто устанавливают ма­ ховик 17.

На рис. 39 приведена схема одноцилиндрового двигателя. Обычно применяют многоцилиндровые двигатели, состоящие из ряда одинаковых цилиндров и общего коленчатого вала.

О с н о в н ы е к о н с т р у к т и в н ы е х а р а к т е р и с т и к и д в и ­ г а т е л я — это диаметр цилиндра и ход поршня. Под диаметром цилиндра D понимается его внутренний диаметр. Путь поршня от в. м. т. до н. м. т. составляет ход поршня S, который равен двум

радиусам кривошипа:

S = 2R.

Когда поршень находится в в. м. т., между его верхней поверх­ ностью и нижней поверхностью крышки цилиндра остается неко­ торый объем, называемый объемом камеры сгорания Ѵс. При пе­ ремещении от в. м. т. до н. м. т. поршень описывает объем, назы­ ваемый рабочим объемом Ѵр.

Объем, заключенный между поршнем и крышкой цилиндра, когда поршень находится в н. м. т., называется полным объ­ емом Ѵа:

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгора­ ния (сжатия) называется степенью сжатия е

71

Степень сжатия показывает, что сколько раз сжимается воз­

Для работы двигателя необходимо обеспечить определенную последовательность процессов: наполнение цилиндра воздухом, сжатие воздуха, подачу топлива и горение, расширение продук­ тов сгорания и удаление отработавших газов. Этот ряд последова­ тельно протекающих в цилиндре процессов, обеспечивающих не­ прерывную работу двигателя, называется р а б о ч и м ц и к л о м . Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называ­ ется т а к т о м .

1-й такт 2-й такт 3-и такт й-й такт

Рис. 40. Схема работы четырехтактного двигателя.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре

совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала,— д в у х т а к т н ы м и .

Схема работы четырехтактного двигателя показана на рис. 40.

1-й такт— впуск воздуха в цилиндр (наполнение). Поршень движется вниз. Принудительно открывается находящийся в крыш­ ке цилиндра специальный впускной клапан а. При движении пор­ шня вниз через проходное сечение клапана в цилиндр поступает воздух. Для обеспечения максимального наполнения цилиндра све­ жим зарядом воздуха впускной клапан открывается с опереже­

на протяжении угла 220—250° п. к. в. Если воздух поступает в ци­ линдры двигателя непосредственно из атмосферы (двигатели с а т ­

72

лучшей очистке и наполнению цилиндров. Общий угол п. к. в. за процесс выпуска составляет 225—250°.

Схема работы двухтактного дизеля изображена на рис. 41. Устройство такого дизеля, у которого рабочий цикл совершается за два такта, отличается от устройства четырехтактного тем, что вместо впускного и выпускного клапанов в нижней части цилиндра имеются выпускные В и продувочные П окна. Выпускные окна со-

Рис. 41. Схема работы двухтактного дизеля.

единяются с трубой, выходящей в атмосферу. Продувочные окна соединены с ресивером Р. Ресивер служит емкостью, в которую под небольшим давлением продувочным насосом Я нагнетается воздух. Верхние кромки продувочных окон расположены ниже верхних кромок выпускных окон.

1-й такт— продувка и сжатие воздуха в цилиндре. При поло­ жении поршня в н. м. т. через открытые продувочные окна воздух, нагнетаемый продувочным насосом под давлением 1,2—1,8 кгс/см2, заполняет объем цилиндра, одновременно выталкивая оставшиеся отработавшие газы через выпускные окна.

При движении вверх от н. м. т. поршень перекрывает сначала продувочные, а затем выпускные окна. С этого момента воздух, заполнивший цилиндр через продувочные окна, начинает сжи-

74

маться. К концу сжатия, когда поршень подходит к в. м. т., в ци­ линдр через форсунку Ф впрыскивается топливо.

2-й такт— горение, расширение, выпуск и продувка. После того как поршень перейдет в. м. т., начинается сгорание впрыснутого в цилиндр распыленного топлива и расширение продуктов сгора­ ния, в результате чего поршень движется от в. м. т. к н. м. т., со­ вершая работу. В конце расширения поршень открывает сначала выпускные окна, и отработавшие газы с большой скоростью уст­ ремляются наружу; при этом давление в цилиндре быстро падает. Когда поршень откроет продувочные окна, через них в цилиндр под давлением поступает свежий заряд воздуха, вытесняя остав­ шиеся отработавшие газы.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля показана на рис. 41,6. (Обозначения точек те же, что на рис. 40.)

Моменты открытия и закрытия окон и подачи топлива в зави­ симости от угла поворота коленчатого вала изображены на круго­ вой диаграмме газораспределения (рис. 41,в). Обозначения момен­ тов газораспределения на круговой диаграмме одинаковы с обо­ значениями соответствующих моментов рабочего процесса на ин­ дикаторной диаграмме и схеме работы дизеля.

Очистка цилиндра с одновременным заполнением его зарядом свежего воздуха и сжатие этого воздуха совершаются в течение 1-го такта; за это время коленчатый вал сделает половину оборота. Расширение газов и выпуск их наружу совершаются в течение 2-го такта; коленчатый вал сделает за это время вторую половину обо­ рота. Следовательно, весь цикл двухтактного двигателя соверша­ ется за один оборот коленчатого вала.

В отличие от рассмотренной схемы существуют конструкции двухтактных дизелей, у которых свежий заряд воздуха в цилиндр подается через окна, а выпуск отработавших осуществляется через выпускные клапаны.

Давления и температуры сжатия и сгорания у двухтактных дизелей такие же, как у четырехтактных. Температура же выпуск­ ных газов у двухтактных дизелей несколько ниже и составляет

200—400° С.

Классификация двигателей. Существует следующая классифи­ кация двигателей внутреннего сгорания.

По назначению двигатели делят на главные и вспомогательные. Главные двигатели обеспечивают ход судна, приводят в движение гребные винты; вспомогательные обеспечивают работу вспомога­ тельных механизмов.

По осуществлению рабочего цикла двигатели, как уже говори­ лось, бывают четырехтактные и двухтактные.

По способу образования горючей смеси двигатели могут быть с внутренним или с внешним смесеобразованием. К первой группе относятся двигатели, у которых топливо впрыскивается в рабочий цилиндр через специальное устройство (форсунку) под действием давления, создаваемого топливным насосом. Впрыснутое топливо мелко распыляется и смешивается в цилиндре с воздухом, сильно

75

нагретым в результате сжатия. Такие двигатели называют дизе­ лями.

Ко второй группе относят карбюраторные двигатели, т. е. та­ кие, у которых горючая смесь из паров топлива и воздуха подго­ товляется в особом приборе — карбюраторе. Из него горючая смесь подается в цилиндр двигателя.

По способу наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом

различают двигатели без наддува — с наполнением рабочего ци­ линдра воздухом в результате раз­ режения, создаваемого в цилиндре при движении поршня вниз, и дви­ гатели с наддувом, в которых воз­ дух в рабочий цилиндр подается при повышенном давлении, созда­ ваемом специальным нагнетателем (воздушным компрессором), в ре­ зультате чего достигается увеличе­ ние заряда и повышение мощности.

По способу воспламенения го­ рючей смеси в цилиндре разли­ чают:

— двигатели, у которых мелко распыленное топливо воспламе­ няется при смешивании со сжатым воздухом, имеющим высокую тем­ пературу (дизели);

— двигатели, у которых горю­ чая смесь воспламеняется от элек­ трической искры, получаемой от специального устройства (карбюра­ торные двигатели).

работе кривошипно-шатунного механизма, воспринимаются порш­ нем (тронком) и передаются им на стенки цилиндра. У двигателей малой и средней мощности (до 2000 л. с.) эти усилия относительно невелики, поэтому такие двигатели выполняются тронковыми.

Мощные тихоходные двигатели выполняются крейцкопфными. У крейцкопфных двигателей поршень разгружен от бокового уси­ лия, которое довольно значительно по величине, воспринимается ползуном и передается на направляющие (параллели) 4 станины двигателя.

76

В зависимости от расположения цилиндров двигатели могут быть выполнены однорядными (рис. 42, в) и Ѵ-образиыми (рис. 42, г).

Двухтактные двигатели иногда выполняют с противоположным движением поршней. В каждом цилиндре такого двигателя нахо­ дятся два поршня (рис. 42,6), при сближении которых газы сжи­ маются, а при расхождении — расширяются. Выпуск продуктов сгорания и подача воздуха или горючей смеси в цилиндры произ­ водится через окна, расположенные по концам цилиндра.

По направлению вращения коленчатого вала различают двига­ тели правого и левого вращения. Двигателями правого вращения считаются такие, у которых вращение коленчатого вала на перед­ ний ход происходит по часовой стрелке, если смотреть со стороны потребителя энергии (винта, генератора). У двигателей левого вращения коленчатый вал вращается против часовой стрелки.

По способу изменения направления вращения вала двигатели делят на реверсивные и нереверсивные. Реверсивные — это такие двигатели, у которых можно изменить направление вращения ко­ ленчатого вала. Мощность их, как правило, велика. Коленчатые валы нереверсивных двигателей вращаются только в одном на­ правлении. Нереверсивными выполняются двигатели мощностью примерно до 220 кВт (300 л. с.). Задний ход судна в этом случае обеспечивается при помощи реверсивной передачи, устанавливае­ мой между двигателем и гребным винтом.

По частоте вращения различают двигатели малооборотные (и=100-р200 об/мин), среднеоборотные (« = 200-1-750 об/мин) и высокооборотные (п>750 об/мин).

Маркировка судовых дизелей. Для краткого обозначения типа двигателя дизелестроительные заводы пользуются условной мар­ кировкой.

Условные буквенные обозначения отдельных характеристик двигателя, применяемые в СССР и ГДР, а также в других глав­ нейших дизелестроительных фирмах и на заводах мира, приведены

втаблице (стр. 78).

Всоответствии с ГОСТ 4398—48 обозначение отечественных двигателей состоит из цифры, указывающей число цилиндров, и условных буквенных обозначений характеристик двигателя, после которых дробью показаны диаметр цилиндра и ход поршня (в сан­ тиметрах). Например, обозначение 8ДР 43/61 расшифровывается так: восьмицилиндровый двухтактный реверсивный двигатель с ци­ линдром диаметром 430 мм и ходом поршня 610 мм. Марка 6ДКРН 74/160 обозначает: двигатель шестицилиндровый двухтакт­ ный крейцкопфный реверсивный с наддувом, с цилиндром диамет­ ром 740 мм и ходом поршня 1600 мм. Обозначение по ГОСТ 4398— 48 часто используется как заводская марка. Однако дизели неко­ торых советских заводов имеют особую маркировку.

Вмаркировку двигателей заводов ГДР входит: тактность, число цилиндров и ход поршня. Например, марка двигателя 6NVD-24 расшифровывается так: шестицилиндровый нереверсив-

.77

Маркировка судовых двигателей

П р и м е ч а н и е . У фирм ГДР приняты также следующие обозначения: нормаль­ ное отношение S /D —N; дизель — D.

ный четырехтактный дизель с ходом поршня 240 мм и атмосфер­ ным всасыванием. При наличии наддува, а также если дизель ре­ версивный, обозначение дополняется буквами соответственно А и U, например: 8NVD-48AU.

Мощность и экономичность двигателей, В двигателях внутрен-

где рі — среднее индикаторное давление, кПа. Если давление вы­ ражено в кгс/см2, то формула имеет вид

Ni

PiFSn- ІО4

60• 16k

В этих формулах pt представляет собой условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного цикла, могло бы произвести работу, равную полезной работе газов за цикл; значение рі зависит от эффективности рабочего процесса; F — площадь поршня, м2; S — ход поршня, м; п — частота враще­ ния, об/мин; k — коэффициент тактности (для четырехтактного

78

двигателя k = 2, для двухтактного k —{). Из формул видно, что ин­ дикаторная мощность какого-то определенного двигателя зависит только от значений среднего индикаторного давления и частоты вращения, так как величины F, S и А остаются постоянными.

тепловые потери. Для дизелей значение % колеблется в пределах 0,34—0,45. Это означает, что только 34—45% теплоты сгорания топлива преобразуются в полезную работу, остальные 66—55% являются потерями.

Кроме коэффициентов полезного действия, экономичность дви­ гателя оценивается удельным эффективным расходом топлива, по­ казывающим, какое количество топлива расходуется в двигателе на получение работы в 1 л. с-ч или 1 кВт *ч.

Удельный эффективный расход топлива ge колеблется в преде­ лах: для мощных малооборотных и среднеоборотных дизелей ge =

= 1974-225 г/(кВт-ч) [1454-165 г/(л.с-ч.)], для дизелей средней и малой мощности 2454-300 г/(кВт-ч) [1804-220 г/(л. с.-ч.)].

Характеристики и допустимые режимы работы судовых д в и г а ­

телей. Регулируя подачу топлива в цилиндры и изменяя внешнюю нагрузку на дизель (например, поворачивая лопасти винта регули­ руемого шага или изменяя мощность, потребляемую от генера­ тора), можно изменять частоту вращения вала дизеля и его мощ­ ность. Величина мощности, развиваемой при данной частоте вра­ щения, характеризует режим работы дизеля. Если, например, на графике Ne—п (рис. 43) отложить указанные в паспорте номиналь­

79