книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

вому четырехтактному тронковому (нет буквы К) нереверсивному (нет буквы Р) двигателю без наддува (нет буквы Н) с диаметром цилиндра 250 мм и ходом поршня 340 мм.

Кроме обозначений по ГОСТ 4394—48 заводы присваивают своим двигателям заводские обозначения. Например, двигатель 8ЧРН 30/38 имеет заводское обозначение 9ДМ.

Двигатели иностранных фирм имеют свои специфические обозна­

четырехтактного двигателя без наддува. Для понимания устройства двигателя целесообразно из всей совокупности его деталей и узлов выделить основные, подразделив их на определенные группы.

Группа деталей остова. К этой группе относятся фундаментная рама 13 (в сборе с рамовыми подшипниками коленчатого вала и др.); блок-катер 11 с блоком цилиндров 10 (в сборе с цилиндровой втулкой, крышками люков и др.) и крышки рабочих цилиндров 9. Эти непод­ вижные крупные детали двигателя соединяются между собой (бол­ тами, анкерными связями) и образуют жесткий остов, способный воспринять усилия, возникающие во время работы двигателя.

Группа деталей движения. К ней относятся коленчатый вал 12 (в сборе с противовесами и другими, насаженными на вал деталями), шатуны /, поршни 2 (в сборе с поршневыми пальцами, уплотнительными и маслосъемными кольцами). Эти подвижные детали, шарнирносоединенные между собой, образуют кривошипно-шатунный меха­ низм двигателя, преобразующий возвратно-поступательное движе­ ние поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Группа деталей газораспределения. Сюда относятся передаточный механизм от коленчатого вала к распределительным валам, распре­ делительные валы 3 с насаженными на них шайбами впускных и вы­ пускных клапанов и топливных насосов, привод впускных и выпуск­ ных клапанов (толкатели 4, штанги 5, коромысла 7).

Детали газораспределения синхронизируют движение коленча­ того вала и клапанов в крышках рабочих цилиндров в соответствии с фазами газораспределения, т. е. в соответствии с необходимыми моментами открытия и закрытия клапанов. В четырехтактном дви­ гателе двум оборотам коленчатого вала (длительность цикла) соот­

130

—к системе смазки, назначение которой — подача к трущимся поверхностям очищенного от загрязнений и охлажденного смазоч­ ного масла;

—к системе охлаждения, служащей для подачи охлаждающей

—системы пуска, регулирования

иуправления.

Из-за аэродинамического сопротивления впускной системы да­ вление воздуха в цилиндре в процессе зарядки ниже, чем во впуск­ ном коллекторе, а температура вследствие дополнительного нагрева при соприкосновении его со стенками рабочего цилиндра выше.

Так как при вращении коленчатого вала поршни совершают воз­ вратно-поступательное движение с переменной скоростью, то давле­ ние в цилиндре в процессе зарядки не является постоянным. Оно вначале понижается, а к концу зарядки повышается, но остается более низким, чем давление во впускном коллекторе. Чтобы макси­ мально увеличить массу воздуха, поступающего в цилиндр, необ­ ходимо, учитывая закон изменения проходного сечения клапана (рис. 87), управляемого кулачной шайбой, и инерцию потока воздуха, поступающего в цилиндр, начинать открытие впускного клапана до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (в. м. т.), а закрывать

его после прихода поршня в нижнюю мертвую точку (н. м. т.). На рис. 88, а приведены фазы газораспределения впускного клапана; указаны угол опережения открытия впускного клапана ц>х и угол запаздывания закрытия его ф2 . Благодаря опережению клапан к при-

в)

ходу поршня в в. м. т. уже в значительной степени открыт, а благо­ даря запаздыванию закрытия воздух по инерции продолжает посту­ пать в цилиндр через клапан на некоторой части хода поршня при его движении к в. м. т. Углы Ф1 и ф 2 обычно находятся в пределах соответственно 15—25 и 30—40° п. к. в.

количество (до 4—5%) продуктов сгорания от предыдущего цикла, то к концу зарядки в цилиндре находится смесь воздуха с остаточ­ ными газами.

На рис. 89 показана индикаторная диаграмма рабочего цикла четырехтактного дизеля без наддува, иллюстрирующая изменение давления в цилиндре в зависимости от объема, описываемого пор­ шнем. Параметры рабочего тела при зарядке: давление рг при положе-

132

0,090 МН/м2 , температура Та в конце зарядки — около 310—320° К. Пониженное давление и повышенная температура заряда в сравнении с состоянием во впускном коллекторе уменьшают его массу. Поэтому при проектировании двигателя стремятся увеличить проходное се­ чение впускного клапана или их количество.

Сжатие заряда происходит при движении поршня от н. м. т. к в. м. т. при закрытых клапанах на крышке цилиндра. Максималь­ ные давление рс и температура Тс в конце сжатия зависят от парамет­

процесса сжатия и в начале процесса расширения при положении поршня вблизи в. м. т. Примерно за 10—15° п. к. в. до в. м. т. топ­ ливный насос, управляемый кулачной шайбой, насаженной на рас­ пределительный вал, подает через форсунку в цилиндр несколько струй мелко распыленного топлива. Количество струй, их направле­ ние и глубина проникновения в камеры сжатия должны соответ­ ствовать размерам цилиндра и форме объема камеры сжатия для того, чтобы капельки топлива возможно равномернее распредели­ лись в массе воздуха. В целях повышения полноты сгорания топлива его распыливают на весьма мелкие капли (диаметром 10—30 мкм). Для этого диаметр сопловых отверстий форсунок делают 0,2—0,6 мм, а давление впрыска устанавливают \Ъ-—150 МН/м2 в зависимости от размеров цилиндра, системы топливоподачи и смесеобразования. Поступившее в цилиндр топливо воспламеняется не сразу: оно подо­ гревается, частично испаряется, происходит распад сложных угле­ водородных соединений на более простые, легче воспламеняемые. Промежуток времени между поступлением топлива в цилиндр и его самовоспламенением называется периодом задержки воспламенения. Длительность этого периода соизмерима с длительностью подачи топлива, что и побуждает начинать подачу топлива с предваре­ нием.

133

Быстрое горение топлива вблизи в. м. т. приводит к резкому повышению давления и температуры. Максимальное давление сго­ рания топлива обычно превышает давление в конце сжатия примерно в 1,5 раза, достигая 5,0—6,0 МН/м2 , а максимальная температура Тг превышает температуру в конце сжатия примерно в 2,5 раза, дости­

ных (и вредных) сопротивлений вращению коленчатого вала и соеди­ ненного с ним потребителя механической энергии (например, греб­ ного винта). По этой причине ход поршня, соответствующий процессу расширения, называется рабочим, ходом. В начале процесса расшире­ ния в цилиндре происходит догорание топлива, не успевшего пол­ ностью выгореть.

Параметры рабочего тела в конце расширения зависят от пара­ метров в начале расширения {рг, Тг), степени увеличения объема при расширении б = Vb/Vz и интенсивности теплообмена с окружающей средой.

К моменту открытия выпускного клапана давление и температура

толкателя и открывать клапан, сообщая полость рабочего цилиндра с полостью выпускного коллектора, в котором давление вследствие сопротивления газохода составляет 0,1—0,12 МН/м2 . Под влиянием разности давлений происходит истечение газов из цилиндра в вы­ пускной коллектор. Этот период истечения называется свободным выпуском. По мере выпуска давление газов в цилиндре уменьшается, а к концу свободного выпуска уравнивается с давлением в выпуск­ ном коллекторе, вследствие чего в цилиндре остается часть продуктов

принужденным выпуском. В процессе принужденного выпуска давле­ ние в цилиндре повышается, что объясняется сопротивлением тракта. На рис. 89 изменение давления в процессе свободного выпуска изо­

Обычно ф3 и ф4 находятся в пределах 30—40 и 15—20° п. к. в. Пред­ варение открытия выпускного клапана обеспечивает снижение давле­ ния в цилиндре до прихода поршня в н. м. т., вследствие чего при выталкивании газов поршень не испытывает большого противодавле-

134

ния, а запаздывание закрытия клапана позволяет производить вы­ талкивание газов из цилиндра через почти полностью открытый клапан, т. е. также без значительного сопротивления. Кроме того, в период, когда одновременно открыты впускной и выпускной кла­ паны (угол ф : . + ф4) происходит некоторая продувка камеры сжатия воздухом, эжектируемым из впускного коллектора продуктами сго­ рания, удаляющимися в выпускной коллектор.

Вдальнейшем цикл работы двигателя повторяется.

Врезультате осуществления цикла производится работа, про­ порциональная разности площадей заштрихованных частей инди­ каторной диаграммы (см. рис. 89). Обычно площадь arka настолько мала в сравнении с площадью kcb'b"k, что ею можно пренебречь.

Особенности работы четырехтактного дизеля с наддувом. Недо­ статком дизелей без наддува является сравнительно малая масса воздуха, поступающего в цилиндры под атмосферным давлением.

нию дизелей с наддувом. Зарядка современных дизелей с наддувом производится предварительно сжатым и охлажденным после сжатия воздухом, имеющим большую плотность, чем атмосферный, в 1,5— 3,0 раза, что позволяет увеличить мощность дизеля примерно во столько же раз.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля с наддувом в принципе не отличается от цикла дизеля без наддува. Однако параметры цикла и рабочего тела, а также фазы газораспределения могут существенно отличаться.

У дизеля с наддувом углы опережения открытия впускного кла­ пана ср! и запаздывания закрытия выпускного ф4 значительно уве­ личивают (до 60—70° п. к. в.). Увеличение угла перекрытия фаз Ф1 + ф4 способствует охлаждению стенок камеры сжатия и уда­ лению остаточных газов из цилиндра. В зависимости от степени и способа наддува параметры цикла изменяют более или менее сильно.

других деталей двигателя. Кроме того, вследствие сжигания боль­ шего количества топлива в цилиндрах двигателя выделяется больше тепла, что вызывает необходимость усиления теплоотвода в охлаж­ дающую среду для поддержания температуры стенок цилиндров на допустимом уровне.

Схемы наддува четырехтактных дизелей. В зависимости от способа связи компрессора с двигателем различают следующие спо­ собы наддува: механический, газотурбинный и комбинированный.

При механическом наддуве компрессор приводится в действие от коленчатого вала дизеля (рис. 90). Воздух из атмосферы или из

135

машинного отделения через фильтр или непосредственно поступает в приемный патрубок центробежного компрессора. Давление и тем­ пература воздуха в приемном патрубке нагнетателя мало отличаются от давления р 0 и температуры Т0 окружающей среды. При сжатии

в воздухоохладитель, прокачиваемый забортной водой. Сопротивле­ ние воздухоохладителя обычно невелико, вследствие чего давление воздуха за ним мало отличается от pk, а понижение температуры Atx составляет 40—80° С.

коллектор; 5 — двигатель; 6 — выпускной коллектор.

Продукты сгорания выводятся из двигателя в атмосферу непо­ средственно или через утилизационный парогенератор. Недостатком механического наддува является потребление энергии на привод компрессора от коленчатого вала двигателя, что понижает его эко­ номичность. Поэтому механический наддув применяют весьма редко и только при малых степенях наддува.

При газотурбинном наддуве центробежный компрессор приводится в действие от газовой турбины, работающей на отработавших газах двигателя, и не имеет кинематической связи с дизелем (рис. 91).

По схеме 91, а выпускные газы из цилиндров двигателя направ­ ляются в один коллектор большого объема, из которого они посту­ пают в турбину. Благодаря большой емкости коллектора переменное давление газов сглаживается и перед турбиной имеет почти постоян­ ное значение. Кинетическая энергия газов, поступивших в коллек­ тор, превращается в тепловую; температура газов в коллекторе, а следовательно, и теплоперепад в турбине несколько увеличиваются. Однако механическая работа на валу турбины окажется меньшей, чем в случае прямого использования в турбине кинетической энер­ гии выпускных газов.

136

венно увеличивает мощность турбины. Такая система наддува назы­ вается импульсной.

Использование импульса газов для повышения мощности турбины сопряжено с некоторым усложнением системы газоотвода от дизеля к турбокомпрессору.

На рис. 92 показана принципиальная схема наддува дизеля с по­ мощью турбокомпрессора, имеющего механическую (или гидромеха­ ническую) связь с коленчатым валом дизеля. Такая схема более приемлема в сравнении со схемой со свободным турбокомпрессором

W

подача воздуха оказывается не соответствующей нагрузке. При наличии механической связи турбокомпрессора с валом дизеля

Если в системе передачи между турбокомпрессором и дизелем имеется гидромуфта, то на определенных режимах работы дизеля турбокомпрессор может отсоединяться и вращаться свободно с ча­ стотой, отвечающей балансу мощностей турбины и компрессора. Недостатком дизелей с такой системой наддува является усложнение их конструкции.

§ 25

Двухтактные дизели Рабочий цикл двухтактного дизеля принципиально

Недостатком четырехтактных дизелей является относительно большая длительность вспомогательных процессов рабочего цикла,

138