Литература по Механике и для Механиков / Литература / Стенин

Клапанное газораспределение применяется в четырехтактных дизелях всех типов и в качестве привода выпускных клапанов в двухтактных дизелях при клапанно-щелевой схеме газообмена.

Привод верхних клапанов может осуществляться непосредственно от распределительного вала или через промежуточные детали в виде толкателей, штанг, коромысел, рычагов, траверс. Расположение распределительного вала при этом может быть как верхним над крышкой блока цилиндров, так и нижним – вдоль блока цилиндров. Верхние клапаны дают возможность получить компактную камеру сгорания цилиндрической, конической или сферической формы, благоприятной для смесеобразования и сгорания топлива. Верхнее расположение клапанов типично для различного рода дизельных двигателей. При нижнем расположении клапанов упрощается устройство головки цилиндров и механизма привода клапанов, уменьшается число деталей механизма газораспределения и высота самого двигателя. При этом клапаны могут располагаться как с одной, так и с обеих сторон блока цилиндров.

Золотниковое газораспределение осуществляется поступательно движущимися или вращающимися золотниками, а также золотниками, совершающими одновременно поступательное и угловое перемещения. При золотниковом газораспределении можно обеспечить большие проходные сечения для газов и бесшумную работу двигателя. В двухтактных дизелях в роли золотниковой пары выступает сам поршень и окна во втулках цилиндра.

К продувочным и наддувочным устройствам для зарядки цилиндров двигателя относятся: продувочные насосы (в двухтактных дизелях), наддувочные агрегаты, детали приводов, ресиверы продувочного и наддувочного воздуха, охладители воздуха, воздушные фильтры.

21

Показатели работы ДВС

К основным показателям, характеризующим работу дизельного двигателя, относят:

• номинальную мощность Nе.н. , [кВт] – длительную эффективную мощность дизеля, назначаемую и гарантируемую изготовителем при заданных частоте вращения и окружающих условиях, для которых предназначен дизель;

•крутящий момент МКР, [Н·м] – средний крутящий момент, развиваемый дизелем на конце вала отбора мощности;

•частоту вращения n,[c−1]– число оборотов вала отбора

мощности дизеля в единицу времени;

• давление в конце сжатия рС , [МПа] –давление в конце процесса сжатия воздушного заряда в цилиндре дизеля.

•максимальное давление сгорания рZ , [МПа] – максимальное давление в цилиндре;

•расход топлива B , [г/с] (кг/ч) – количество топлива, расходуемого дизелем в единицу времени;

•расход цилиндрового масла GМ , [г/с] (кг/ч) – количество

масла, подаваемого насосом-лубрикатором в единицу времени;

• удельный расход топлива bе, [г/кВт·ч] – расход топлива на выработку единицы работы;

• удельный расход цилиндрового масла gМ , [г/кВт·ч] –

расход цилиндрового масла на выработку единицы работы;

•среднее индикаторное давление в цилиндре pi , [кПа];

•среднее эффективное давление в цилиндре ре, [кПа].

Индикаторные показатели

Индикаторные показатели характеризуют совершенство рабочего цикла в двигателе.

22

Индикаторная работа Li - работа, совершаемая газами в цилиндре за цикл.

Среднее индикаторное давление pi - это такое условное постоянное давление, которое, действуя на поршень за время одного рабочего хода, совершает работу, эквивалентную индикаторной работе за цикл. Вводится для удобства ведения расчетов и сравнения разных двигателей.

Индикаторная мощность Ni - это мощность, соответствующая индикаторной работе замкнутого цикла.

Ni = pi π Dz2 S n i ,

где D, S - диаметр цилиндра и ход поршня, м; z,i - коэффициент

тактности и число цилиндров.

Индикаторный КПД ηi - отношение индикаторной работы в цилиндре к количеству теплоты, подведенной с топливом для совершения этой работы:

где QHP – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Учитывает все тепловые потери в двигателе (в охлаждающую жидкость, на неполноту сгорания, диссоциацию продуктов сгорания и др.). Доля теплоты, превращенная в работу термодинамического цикла, оценивается термическим КПД. Здесь учитывается лишь один вид потерь - неизбежная отдача теплоты холодному источнику. Все тепловые потери в цикле двигателя учитываются индикаторным КПД.

Эффективные показатели

Кроме тепловых необходимо учитывать еще и механические потери, которые имеются при передаче энергии расширения газов через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя.

23

Эффективная мощность Nе - мощность, снимаемая с вала, равна индикаторной мощности за вычетом мощности, расходуемой на преодоление механических потерь в двигателе и на привод вспомогательных механизмов, навешенных на дизель:

поэтому эти величины принимают на основании стендовых испытаний двигателя в зависимости от мощности, необходимой на преодоление механических потерь NМ , и индикаторной мощности Ni при различных нагрузочных режимах.

При одинаковом количестве навешенных механизмов механический КПД у ВОД ниже, чем у МОД, так как работа преодоления сил трения увеличивается с увеличением скорости поршня и числа оборотов двигателя.

Механический КПД ηМ - отношение эффективной мощности к

индикаторной. Механический КПД учитывает все механические потери в двигателе. У малооборотных дизелей механический КПД находится в пределах 0,87…0,94, у среднеоборотных - 0,84…0,92, у высокооборотных - 0,78…0,85.

Эффективный КПД ηе – показывает степень использования

24

Среднее эффективное давление ре - является одним из важнейших показателей ДВС, характеризует нагрузку, полноту и своевременность сгорания топлива, степень наддува, то есть совершенство конструкции в целом.

Среднее эффективное давление у судовых ДВС: двухтактные без наддува – 450…650 кПа; двухтактные с наддувом – 750…1600 кПа; четырехтактные без наддува – 500…600 кПа; четырехтактные с наддувом - 1200…2500 кПа.

Тепловой баланс ДВС

Все потери энергии при работе дизельного двигателя можно разделить на две большие группы: механические потери и тепловые потери.

К механическим потерям в дизельных двигателях относят следующие потери.

Потери мощности на трение – составляют большую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах деталей, главными из которых являются поршень с поршневыми кольцами и стенки цилиндра, трение в подшипниках коленчатого вала. К возрастанию механических потерь приводят: увеличение газовых сил с повышением нагрузки; инерционных сил с повышением частоты вращения; ухудшение обработки поверхностей деталей; нарушения в работе систем смазки и охлаждения.

Потери мощности на совершение насосных ходов поршня

Потери мощности на привод вспомогательных механизмов – обычно включают затраты мощности на привод агрегатов, без которых невозможна нормальная работа двигателя: водяной, масляный, топливный насосы; регулятор частоты

25

вращения; механизм газораспределения и т.д. Эти потери зависят от конструктивного исполнения вспомогательных механизмов, их совершенства, размеров и технического состояния.

Потери мощности на вентиляцию – учитывают затраты на преодоление трения между движущимися деталями (поршнем, шатунами, коленчатым валом) и воздухом.

Потери мощности на механический привод компрессора -

присутствуют только в двигателях с подключенными турбокомпрессорами, приводимыми во вращение от коленчатого вала самого дизеля. Эти потери зависят от размеров и типа компрессора.

К тепловым потерям в ДВС относят следующие потери.

Потери теплоты, отводимой в охлаждающую среду – эти потери состоят из суммы теплоты, отводимой в воду и в смазочное масло. Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит их теплоты, отданной рабочим телом, и теплоты, эквивалентной работе трения.

Теплота, израсходованная на преодоление трения, переходит в основном в охлаждающую жидкость: теплота трения поршня о цилиндр – в охлаждающую воду, а теплота трения подшипников – в смазочное масло. Теплоту трения не включают в тепловой баланс дизеля, кроме доли теплоты трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).

Потери теплоты с уходящими газами. Эта потеря определяется как разность энтальпий уходящих из двигателя выхлопных газов и поступающего в цилиндр свежего заряда воздуха.

Неучтенные потери теплоты. В эту группу относят следующие виды потерь: теплота лучеиспускания в окружающую среду (потеря теплоты через стенки двигателя); химический недожог топлива; механический недожог топлива; теплота кинетической энергии выхлопных газов.

26

Распределение энергии, подведенной с топливом, характеризуется тепловым балансом. Этот показатель позволяет судить о степени совершенства двигателя, является исходным при проектировании систем охлаждения и смазки и определяет пути наиболее рациональной утилизации тепловых потерь.

Тепловым балансом двигателя называется распределение затраченной теплоты на полезную работу и различного рода потери. В общем виде уравнение теплового баланса дизельного двигателя имеет вид:

QНР = Qе +QВ +QМ +QГ +QТ +QХ +QЛ ,

где QНР - теплота сгорания введенного в двигатель топлива, Дж/кг; Qе - теплота, преобразованная в эффективную работу, Дж/кг; QГ - потери теплоты с уходящими газами, Дж/кг; QВ - потери теплоты с охлаждающей водой, Дж/кг; QМ - потери теплоты с маслом, охлаждающим детали ДВС; QХ - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, Дж/кг; QТ - теплота, эквивалентная работе, затрачиваемой на преодоление трения в механизме двигателя и на привод вспомогательных механизмов, Дж/кг; QЛ - потери теплоты в окружающую среду, Дж/кг.

Последние три слагаемых теплового баланса обычно рассматривают совместно в виде неучтенных потерь (отстаточный

соответственно: теплота, превращенная в работу, - 30…40%; потери теплоты с охлаждающей водой – 20…30%; потери теплоты с охлаждающим маслом – 3…5%; потери теплоты с уходящими газами– 20…35%; остаточные тепловые потери - 4…10%.

27

2. Выбор главных двигателей и основных параметров

2.1.Определение суммарной мощности главных двигателей

Мощность главных двигателей, необходимая для движения судна, определяется сопротивлением R, которое оказывает окружающая среда (вода, воздух), и заданной скоростью движения. Мощность, которую необходимо затратить на создание упора, преодолевающего силы сопротивления, принято называть буксировочной NR . Буксировочная мощность равна [6]:

NR = R vS .

где R - сопротивление движению судна, Н; vS - скорость судна, м/с. Валовая мощность определяется следующим образом:

NВ =ηNηR В ,

где η - пропульсивный КПД; ηВ - КПД валопровода.

Мощность на фланцах главных двигателей или агрегатов в случае работы прямо на винт Nе = NВ . При наличии в составе ГЭУ передач, одинаковых на всех гребных валах

Νе = ΝВ ,

ηП

где ηП - КПД передачи.

Ориентировочно значение эффективной мощности Nе можно получить при помощи обратного адмиралтейского коэффициента:

Nе = C1 DВ23 vS3 ,

где DВ - водоизмещение судна, т.

Вприближённых расчётах, пренебрегающих формулой корпуса

иКПД передачи, этим выражением пользуются для оценки суммарной мощности главных двигателей.

28

Значение Nе можно определить при помощи коэффициента энергонасыщенности:

Nе =αМ DВ

Примерные значения коэффициента энергонасыщенности αМ приведены для судов некоторых типов в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Энергонасыщенность судов некоторых типов.

Расчет буксировочной мощности методом Э. Э. Папмеля

Для расчета буксировочной мощности необходимо знать основные размерения судна, его водоизмещение и скорость хода.

Тип судна, для примера, – судно специального назначения. Главные размерения судна:

-длина, замеренная по грузовой ватерлинииL = 38,8 м;

Буксировочная мощность – это мощность, которую необходимо затратить на преодоление сил сопротивления. Расчет буксировочной мощности выполняется с использованием приближенного метода определения сопротивления судна.

Буксировочная мощность судна, определяемая по методу Папмеля, выражается следующей эмпирической формулой:

29

остроты корпуса.

Поправочный множитель λ находится

λ = 0,7 +0,3 L /100 = 0,7 +0,338,8/100 ≈ 0,887

Коэффициент x принимается в зависимости от числа валов. Для одновального судна он равен:

x = 1.

Коэффициент ψ находится из выражения:

ψ =10 BL δ ,

где δ – коэффициент общей полноты, определяемый по формуле

δ = L BVT ρ .

Принимая плотность морской воды ρ =1015кг/ м3 , находим:

δ = 550 = 0,591.

38,8 8,4 2,81,015

По формуле имеем:

ψ =10 388,,48 0,591 =1,285.

Коэффициент CO определяется по диаграмме Э. Э. Папмеля в зависимости от коэффициента ψ и относительной скорости υ′ [7], определяемой:

υ′ =υS ψ / L = 6,8 1,285/ 38,8 =1,24 .

Из диаграммы Э. Э. Папмеля находим CO = 55. Окончательно определим буксировочную мощность судна:

NR = 55038,8655,83 0,8871 1,285 =103,73 л. с.

30