Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга является завершающей в издании двух­ томного учебника «Судовые двигатели внутреннего сгора­ ния». Она состоит из двух разделов.

Первый раздел посвящен основам теории рабочих про­ цессов судовых дизелей. Помимо традиционных вопросов теории здесь изложены особенности, связанные с измене­ ниями в организации и управлении процессом впрыска топ­ лива в связи с применением аккумуляторных систем топливоподачи, газораспределения и электронным управлением топливоподачей и газообменом.

Отмеченные изменения потребовали внесения коррек­ тивов в изложение теоретических основ организации рабоче­ го процесса. Повсеместное внедрение компьютерной техни­ ки потребовало включения в учебник основ численного мо­ делирования рабочего процесса с использованием ЭВМ.

Второй раздел книги полностью посвящен вопросам эксплуатации судовых дизелей. Особое внимание уделяется современному подходу к выбору режимов работы, работе су­ довых дизелей на установившихся и переходных режимах.

Существенное внимание уделяется эксплуатации систем топливоиспользования и топливоподготовки, смазки и совре­ менным маслам, системе охлаждения.

Учитывая повышенное внимание к вопросам экологии, значительное место отведено проблемам борьбы за чистоту выхлопных газов.

Равно, как и при написании I тома учебника, авторы не ставили перед собой задачу познакомить учащихся с основа­ ми проектирования дизелей, а стремились ориентировать

Р я з / т ш I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ

Глава ж

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ

§ 1.1. Идеальный цикл дизеля

Реальные рабочие процессы дизелей характеризуются сложным комплексом быстротекущих физико-химических процессов. На началь­ ной стадии изучения теории рабочих процессов следует отвлечься от тепловых и механических потерь, связанных с теплообменом, непол­ нотой сгорания, трением в звеньях двигателя и другими условиями реальной работы двигателя. Этой цели служит понятие идеального цикла, представляющего идеализированную схему рабочего цикла. По идеальному циклу можно на качественном уровне оценить влияние основных конструктивных и эксплуатационных факторов на механи­ ческую напряженность и экономичность дизеля.

Современные судовые дизели имеют газотурбинный наддув, вы­ полняемый по двум конструктивным схемам: с импульсным подводом газов к турбине и с изобарным. Схемы систем наддува приведены на рисунке 1.1.

В варианте, изображенном на рис. 1.1а, подвод газов из цилинд­ ров разделен на три группы: 1 - цилиндр № 1; 2 - цилиндры № 3 и 4; 3 - цилиндры № 2 и 5. Выпускные трубы каждой группы образуют отдельный выпускной коллектор относительно небольшого объема (не более V,), поэтому при выпуске газов в них возникают импульсы дав­ ления, температуры и скорости. Газовая турбина работает в импульс­ ном режиме, но из-за большой инерционности ротор турбокомпрессо­ ра имеет постоянные обороты. Центробежный компрессор, приводи-

Рис. 1.1. Конструктивные схемы газовыпускных систем судовых дизелей: 1-5 - цилиндры двигателя; К - центробежный компрессор; Т - газовая турбина; ВК - выпускной коллектор; ВО - воздухоохладитель наддувочного воздуха

мый в действие от газовой турбины, повышает давление отр 0на всасы­ вании до р к =ps. Температура воздуха (к при этом возрастает до 150— 200°С (в зависимости от величины р к). Воздух с такой высокой темпе­ ратурой нельзя подавать в цилиндры, поэтому его охлаждают в возду­ хоохладителе ВО, прокачиваемом забортной или низкотемпературной пресной водой, до температуры / = 40-50° С.

Двигатели, имеющие рассмотренную конструкцию выпускного тракта, называют двигателями с импульсным газотурбинным наддувом

(ИГТН). В большинстве случаев ИГТН применяется в судовых средне­ оборотных четырехтактных дизелях.

Судовые малооборотные дизели (реже мощные главные четырех­ тактные судовые дизели) выполняют с неразделенным выпускным трак­ том (как показано на рис. 1.1б). Выпускной коллектор (ВК) в этом слу­ чае представляет собой цилиндр объемом (10-15) Vh, из которого газы подаются в газовую турбину. При поочередном выпуске газов из ци­ линдров в ВК из-за его большого объема здесь не возникает импуль­ сов, давление и температура газов перед турбиной остаются постоян­ ными. Процессы в воздушной части системы полностью аналогичны процессам в системе ИГТН. Двигатели с рассмотренной конструкцией выпускной системы называют двигателями с изобарным наддувом.

Для этих циклов принимаются следующие допущения: ►рабочее тело - идеальный газ; ►масса рабочего тела и его теплоемкость постоянны;

► процесс сгорания заменяется подводом теплоты от горячего источника;

Рис. 1.2. Теоретические циклы судовых дизелей с газотурбинным наддувом: а) - при импульсном подводе газов к турбине; б) - при изобарном подводе газов

►процесс газообмена заменяется обратимым процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику при постоянном объеме или постоянном давлении;

►процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают ад'иабатно (без теплообмена с окружающей средой).

Идеальные циклы тепловых двигателей учитывают только одну потерю теплоты, связанную с ее отводом к холодному источнику.

На рисунках 12 а и б изображены теоретические циклы дизелей с газотурбинным наддувом при импульсном и изобарном подводе газов к турбине.

Процессы в цилиндре в обоих случаях идентичны: а~с - адиабат­ ное сжатие от давленияр а = р;<до рспри перемещении поршня от НМТ к ВМТ; c -z ' —подвод тепла Qvк рабочему телу при постоянном объеме; z'—z —подвод тепла Q к рабочему телу при постоянном давлении; z-b - адиабатное расширение рабочего тела при перемещении порш­ ня к НМТ.

При импульсном подводе газов к турбине (рис. 12а) на участке b—f осуществляется адиабатное расширение рабочего тела в турбине до давления окружающей среды р о. Участок f- o соответствует отводу тепла Qmome от газовой турбины на холодный источник. На участке о-к осуществляется адиабатное сжатие рабочего тела в компрессоре. Для уменьшения температуры рабочего тела, поступающего в цилиндр из компрессора, на участке к—а осуществляется отвод тепла от рабочего тела (промежуточное охлаждение) при постоянном давлениир . Вслед­ ствие промежуточного охлаждения плотность рабочего тела увеличи­ вается, а отрицательная работа сжатия в цилиндре уменьшается.

b- а рабочее тело перемещается из цилиндра в выпускной коллектор, при этом его давление мгновенно снижается от р ъдо p s. Далее по изо­ баре а-r оно подводится к турбине, где на участке r - f осуществляется расширение и далее, как описано выше. В точке а цикл замыкается.

Из рассмотренного выше ясно, что даже в идеальном варианте цикл дизеля с газотурбинным наддувом достаточно сложен, поэтому целесообразно для дальнейшего рассмотрения процессов, протекаю­ щих в цилиндре, ограничиться только той частью идеального цикла, которая относится к цилиндру. Процессы в системах газообмена и над­ дува с их теоретическим циклом подробно излагаются далее в главах - «Процессы газообмена» и «Наддув». При таком подходе будем услов­ но допускать, что идеальный цикл замыкается по изохоре Ъ—а. Тепло­ та, условно отводимая при этом от рабочего тела (отвод на холодный источник), затем подводится к турбине.

Рассмотрим параметры идеального цикла:

е = VJV c- степень сжатия рабочего тела в цилиндре;

р = V IVс—степень предварительного расширения, где F - объем цилиндра в конце подвода тепла;

8 = F, / V_ - степень последующего расширения, где Vb - объем цилиндра в конце расширения.

Поскольку F4= Vа (см. рис. 1.2), то нетрудно получить соотноше­ ние между приведенными выше параметрами е = р8.

Я = p j p —степень повышения давления при подводе тепла, где р и р с —соответственно максимальное давление цикла и давление в кон­ це сжатия.

Термический КПД цикла:

где Qnod, Qt, Qome —подведенное, полезно использованное и отведенное количество тепла в цикле.

В технической термодинамике в зависимости от способа подвода тепла принято выделять три основных типа теоретических циклов пор­ шневых ДВС: цикл Отто (все тепло подводится при постоянном объе­ ме), цикл Дизеля (все тепло подводится при постоянном давлении) и цикл со смешанным подводом тепла (Тринклера-Сабатэ). Указанные типы циклов приведены на рисунке 1.3.

Эталоном термического совершенства циклов тепловых двигате­ лей принят обратимый цикл Карно, имеющий максимальный терми-

Рис. 1.3. Идеальные циклы поршневых ДВС:

а) - цикл Отто; б) - цикл Дизеля; в) - цикл со смешанным подводом тепла

ческий КПД. В связи с этим более совершенным считается идеальный цикл ДВС, имеющий наибольший 77

При сравнении идеальных циклов обязательно следует опреде­ лить условия сравнения. Определенный интерес представляет сравне­ ние упомянутых выше циклов при следующих условиях: во всех трех случаях значения давлений р а и р: остаются неизменными, также вы­

Изменение эффективности циклов наиболее наглядно при их изоб­ ражении в координатах Т-S, как показано на рисунке 1.4. Здесь же для

Рис. 1.4. Сравнение эффективности идеальных циклов ДВС: цикл Отто показан сплошной жирной линией; цикл со смешанным подводом тепла - штриховой линией; цикл Дизеля - штрих-пунктирной линией