книги из ГПНТБ / Силовые установки и промысловые механизмы маломерных судов рыбной промышленности (с двигателями до 100 л. с.) учеб. пособие

Например: Ч-четырехтактный, Д-двухтактный, С-су- довой с реверсивной муфтой, П — с редукторной переда­ чей, Н — с наддувом, Р — реверсивный и т. д.

Так, марка дизеля 4 ЧСП 10,5/13 означает, что это четырехцилиндровый, четырехтактный дизель с цилинд­ ром диаметром 105 мм, ходом поршня 130 мм.

Кроме обозначений по ГОСТу дизели могут иметь за­ водские марки. Например, дизель с обозначением по ГОСТу 6 ЧСП 15/18 имеет заводскую марку Д-6 с указа­ нием впереди соответствующей модификации. Так, в су­ довом исполнении для привода гребного винта этот ди­ зель обозначается ЗД-6.

СХЕМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ. ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА. ДИАГРАММА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Четырехтактные дизели без наддува

Рабочий процесс четырехтактных дизелей осуществ­ ляется за четыре такта, соответствующих двум оборотам коленчатого вала.

П е р в . ы й т а к т — всасывание. При этом поршень пе­ ремещается вниз от крайнего верхнего положения к ниж­

Рис. 2. Схема работы четырехтактного дизеля:

а — I такт, б — II такт, в — I I I такт, е — I V такт.

10

Объем цилиндра при нахождении поршня в в. м. т. называется объемом камеры сгорания и обозначается Vc .. Объем цилиндра при нахождении поршня в н. м. т. называется полным объемом цилиндра и обозначается Va.

Объем цилиндра, соответствующий рабочему ходу поршня (от в. м. т. до н. м. т) .называется рабочим объе­ мом и обозначается Vs-

Vt = Va-Vc.

При всасывании впускной клапан открывается не­ сколько раньше, чем поршень придет к в. м. т. в процес­ се выпуска и начнет движение вниз (примерно за 10—30° поворота коленчатого вала до в. м. т). Это необходимо для того, чтобы увеличить проходное сечение клапана к началу всасывания и уменьшить сопротивление при на­ полнении цилиндра. Закрывается всасывающий клапан после н.' м. т. (примерно за 30—40° поворота коленчато­ го вала) для того, чтобы увеличилось наполнение цилинд­ ра свежим зарядом воздуха в результате скоростного напора потока.

Величина углов опережения открытия и запаздыва­ ния закрытия всасывающего клапана зависят от типа и быстроходности двигателя: у тихоходных она меньше, у быстроходных — больше.

Воздух и цилиндр двигателя (без наддува) поступает в результате разрежения, возникающего в цилиндре при движении поршня вниз. Однако в начальный момент движения поршня вниз всасывания еще не происходит, так как поступлению воздуха препятствует избыточное давление остаточных газов, находящихся в камере сго­ рания. Поэтому действительное поступление воздуха в цилиндр начинается несколько позже, после расширения остаточных газов и уменьшения давления в цилиндре, примерно до 0,05—0,1 кгс/см2 (5000—10000 Па) .

Воздух, поступая в цилиндр при всасывании, взаимо­ действует с относительно горячими стенками • втулки, крышки, поршня и с остаточными газами, поэтому тем­ пература его повышается, а плотность падает.

Из-за сопротивления во впускной системе (патрубки, клапан) и подогрева свежего заряда уменьшается дей­ ствительное количество воздуха, поступающего в ци­ линдр дизеля при всасывании.

11

Одним из критериев, характеризующих качество на­ полнения цилиндра свежим зарядом при всасывании, является коэффициент наполнения ця, который пока­ зывает отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр, к такому количеству его, кото­ рое могло бы поступить при параметрах окружающей среды Р 0 и Т0 .

закрыт) н дальнейшего движения поршня вверх в цилин­ дре начинается сжатие воздуха, поступившего за такт всасывания. Давление и температура воздуха в ре­

тырехтактные двигатели) или продувочных и выпускных окон (двухтактные двигатели). Поэтому в отличие от номинальной степени сжатия под действительной е' по­ нимается отношение объема цилиндра Va в момент за-' крытия газораспределительных органов (клапаны и ок­ на) к объему камеры сгорания Vc.

Принято считать, что действительная степень сжатия для четырехтактных двигателей равна номинальной, так как давление в цилиндре за время запаздывания закры­ тия всасывающего клапана изменяется незначительно. Для двухтактных двигателей определяют действитель­ ную степень сжатия е1 , так как проходные сечения выпуск­ ных и продувочных окон значительно больше клапанов, то сжатие в цилиндре возможно лишь после их закрытия.

12

Для обеспечения надежного самовоспламенения топ­ лива температура и давление воздуха в конце сжатия соответственно должны быть в пределах: 650—850° С (Го»900—1100°К), /0С = 30—45 кгс/см2 (3—4,5 МПа) .

Степень сжатия в дизелях изменяется в пределах от 11 —12 до 18—20 и зависит от ряда факторов, основны­ ми из которых являются: геометрические размеры (ди­ аметр цилиндра и ход поршня), способы смесеобразова­ ния и наполнения цилиндра свежим зарядом воздуха, быстроходность. Например, дизели с цилиндрами малых геометрических размеров имеют большую относитель­ ную поверхность теплообмена, чем дизели больших гео­ метрических размеров, поэтому для обеспечения хоро­ шего воспламенения топлива при пуске степень сжатия их должна быть выше.

Под относительной поверхностью теплообмена, пони­ мается доля поверхности цилиндра, приходящаяся на

под избыточным давлением, поэтому степень сжатия в них по возможности должна быть меньше, чтобы снизи­ лись давление и температура в конце процесса сгорания и соответственно уменьшились динамические и тепловые нагрузки. Однако номинальная степень сжатия долж­ на быть такой, чтобы температура воздуха в конце сжа­ тия была бы выше температуры самовоспламенения топ­ лива на 100—200° С. Увеличение степени сжатия выше 18—20 нецелесообразно, так как необходимо повысить прочность деталей цилиндро-поршневой группы, что в

13

свою очередь может привести к увеличению массы дви­ гателя.

В конце такта сжатия (за 10—30° поворота коленча­ того вала до прихода поршня в в. м. т.) в цилиндр через форсунку начинает впрыскиваться мелкораспыленное жидкое топливо. Угол поворота коленчатого вала до прихода поршня в в.м.т., соответствующий началу подачи топлива, называется углом опережения впрыска. Опере­ жение впрыска топлива необходимо для обеспечения вре­ мени прохождения в топливе физико-химических про-- цессов, подготавливающих его к самовоспламе­ нению.

Величина угла опережения впрыска (наряду с други­ ми факторами) в большой степени зависит от быстро­ ходности двигателя. В быстроходных двигателях ско­ рость движения поршня больше, чем в тихоходных, по­ этому топливо в цилиндр необходимо подать раньше, чтобы оно было подготовлено для самовоспламенения к моменту прихода поршня в в. м. т. В соответствии с этим угол опережений впрыска топлива у быстроходных двигателей больше, а у тихоходных меньше.

Т р е т и й т а к т — горение топлива и расширение про­ дуктов сгорания или рабочий ход (рис. 2, в). Мелкорас­ пыленное топливо, поступившее в цилиндр в конце такта сжатия, перемешивается с воздухом, имеющим высокую температуру, самовоспламеняется и сгорает, когда пор­ шень находится вблизи в.м.т. В результате сгорания топлива давление рг и температура тг в цилиндре резко возрастают и достигают значений соответственно pz— =50—85 кгс/см2 (5—8,5 МПа), г г « 1500—1900° К.

Подача топлива в цилиндр продолжается некоторое "время и после достижения поршнем в.м.т., поэтому сго­ рание его заканчивается за в. м. т. (когда поршень уже движется вниз), а затем начинается процесс расширения продуктов сгорания. Продолжительность подачи топли­ ва через форсунку зависит от типа двигателя и его быст­ роходности и по опытным данным составляет 35—65° поворота коленчатого вала.

При движении поршня вниз давление и температура продуктов сгорания в цилиндре уменьшаются и к концу расширения соответственно составляют: р в « 2,5— —6,0 кгс/см2 (0,25—0,6 МПа), а г в = (900—1000°К).

14

лающего в цилиндр, и ухудшается процесс сгорания После прихода поршня в в. м. т. начинается новый рабочий цикл с повторением всех четырех тактов в ука­

занной выше последовательности.

Для наглядности представлений о процессах, проис­

шем движении поршня вниз давление в цилиндре стано­ вится ниже атмосферного и начинается поступление све­ жего заряда воздуха из окружающей среды.

Такт сжатия — кривая а — с. Точка k на линии сжа­ тия определяет начало подачи топлива в цилиндр через форсунку в соответствии с углом опережения впрыска топлива.

Такт горения топлива и расширения продуктов сго­ рания, или рабочий ход — кривая с — у— z — в. Этот такт состоит из отдельных составляющих его процессов. Участок кривой с — у соответствует горению топлива, поступившего в цилиндр, за период задержки самовос­ пламенения при почти постоянном объеме. В результате

16

этого давление в цилиндре резко повышается до давле­

Процесс у — z соответствует сгоранию топлива при почти постоянном давлении, когда поршень начинает двигаться вниз. Точка z обозначает условное окончание

ется р

В действительности сгорание топлива в точке z не заканчивается, а частично распространяется на линию расширения, т.е. происходит его догорание. Процесс догорания нежелателен, так как вследствие увеличения потерь тепла в охлажденную воду и с отработавшими газами возрастает удельный расход топлива двигате­ лем. Точка г' на диаграмме характеризует окончание процесса догорания. Продолжительность процесса дого­ рания наряду с другими факторами в большей степени зависит от быстроходности двигателя. Например, у вы­ сокооборотных двигателей продолжительность процесса догорания больше, чем у малооборотных, так как время,, отводимое на процесс сгорания, меньше. Точка Ь' соот­ ветствует моменту открытия выпускного клапана. Такту выпуска отработавших газов, или выхлопу, соответству­ ет кривая в—г. Давление при выпуске отработавших га­ зов зависит от сопротивления газовыпускного тракта (клапан, патрубок, глушитель и т. д.) и по абсолютной величине всегда выше атмосферного.

Из рассмотренного выше видно, что в цикле четы­ рехтактного двигателя только один такт является рабо­ чим (когда поршень совершает рабочий ход), а осталь­ ные три.— вспомогательными.

В одноцилиндровых двигателях вспомогательные такты осуществляются за счет запаса кинетической энер­ гии маховика, а в многоцилиндровых используется энер­ гия рабочих ходов соседних цилиндров.

Большое влияние на мощность и экономичность дви­ гателей оказывает правильность выбранных фаз газо­ распределения. Углы опере­ Угол опережения впрыска жения открытия и запазды­ вания закрытия клапанов устанавливаются опытным путем при доводке двигате­

ля на стенде завода.

Для наглядного изобра­ жения моментов газораспре­ деления пользуются к р у ­ г о в о й д и а г р а м м о й. На рис. 4 представлена круго­ вая диаграмма газораспре­ деления судового дизеля типа ЧСП 10,5/13.

Наддувочный агрегат, из которого происходит напол­ нение цилиндра свежим воздухом, состоит из воздушно­ го нагнетателя и приводного устройства, обеспечиваю­ щего его работу. Воздушный нагнетатель может быть -центробежного, поршневого или роторного типа.

В зависимости от способа осуществления привода воздушного нагнетателя различают два способа надду­ в а — механический и газотурбинный.

При м е х а н и ч е с к о м н а д д у в е рис. 5, а привод воздушного нагнетателя 1 осуществляется от коленча­ того вала двигателя непосредственно или через какуюлибо передачу, например зубчатую 2.

Механический наддув применяется при небольших

18

давлениях наддувочного воздуха, обычно не превышаю­ щих 1,6—1,7 кгс/см2 (0,16—0,17 МПа), так как с увели­ чением давления увеличивается расход мощности дви­ гателя на привод нагнетателя, в результате чего умень­ шается механический к. п. д. двигателя и соответственно увеличивается расход топлива.

Рис. 5. Схема четырехтактного дизеля с наддувом:

а — механическим, б — газотурбинным .

При г а з о т у р б и н н о м н а д д у в е (рис. 5,6) при­ вод воздушного нагнетателя 1 осуществляется от газо­ вой турбины 2. Колесо газовой турбины установлено на одном валу с воздушным нагнетателем центробежного типа и представляет единый комбинированный агрегатгазотурбонагнетатель. Газовая турбина осевого или ра­ диального типа работает на выхлопных газах, отходя­ щих от двигателя. Отработавшие газы из выпускного коллектора через направляющий аппарат турбины с большой скоростью поступают на лопатки колеса, при­ водя его во вращение. Частота вращения вала турбины зависит от мощности и быстроходности двигателя и по опытным данным составляет 5000—50 000 об/мин. На двигателях малой мощности в последнее время все боль­ шее распространение получают радиальные газовыхлоп-