СДВС для студентов ЗСМ / Судовые двигатели внутреннего сгорания

дена до упора, установленного изготовителем), то внешняя характеристика называется характеристикой максимальной мощности (или полной мощности для ДВС, не имеющих максимальной мощности). Если характеристика снимается при промежуточном положении рейки, внешняя характеристика называется частотной. Особое значение имеет внешняя характеристика максимальной мощности, так как она является границей теоретически достижимой мощности двигателя. При работе по внешней характеристике максимальной мощности резко снижается воздухоснабжение. Следствием этого является ухудшение рабочего процесса (неполнота сгорания, перемещение сгорания на линию расширения и др.) и возрастание механической и тепловой напряженностей деталей, особенно поршневой группы. Форма внешней характеристики зависит от конструктивных особенностей двигателя, главным образом тех, которые определяют такие показатели, как коэффициент избытка воздуха, коэффициент наполнения, плотность воздуха, поступающего в цилиндры. Длительная работа по внешней характеристике максимальной мощности в эксплуатации не допускается. В судовых условиях для главных двигателей допускается кратковременный выход на внешнюю характеристику при разгоне судна, на циркуляции, в штормовых условиях. Резкое ухудшение состояния двигателя от его работы по внешней характеристике (нагарообразование, закоксовывание колец и др.) и снижение в результате этого его ресурса привело к тому, что заводы-изготовители в качестве предельных нагрузок для длительной работы назначают ограничительные характеристики.

Ограничительная характеристика (см. рис. 59) представляет собой зависимость предельно допустимой мощности и других по- ^ казателей работы двигателя от частоты вращения при условии обеспечения длительной и надежной его эксплуатации.

Основными факторами, ограничивающими возможность повышения нагрузки двигателя при данной частоте вращения, могут быть: механические нагрузки, возникающие в деталях

чающей механические перегрузки, может быть линия допустимого крутящего момента Ме — const; исключающей недопустимые тепловые напряжения — линия, устанавливающая зависимость допустимых температур выпускных газов от частоты вращения tAOnr = f(tt); обеспечивающей необходимое качество протекания рабочего процесса — линия допустимого значения коэф-

110

фициента избытка воздуха а — const. Наряду с наибольшей допустимой мощностью (верхняя ограничительная характеристика) существуют ограничения и по минимально допустимой мощности (нижняя ограничительная характеристика).

В условиях малых нагрузок, пониженных температур и большого избытка воздуха ухудшаются условия распыливания топлива и его сгорания. Это влечет за собой усиленное нагарообразование и закоксовывание поршневых колец и т. д. Граница минимально допустимых мощностей определяется нижней ограничительной характеристикой.

Единой методологии назначения ограничительных характеристик пока не существует. Назначение их производится заводомизготовителем с учетом конструктивных особенностей двигателя, опыта производства, испытаний и эксплуатации. Некоторые двигатели имеют ограничительную характеристику Ме — const, дру-

деляются только типом и свойствами регулятора и обусловливают основное отличие ДВС от других типов тепловых двигателей: поддержание установленной частоты вращения вплоть до выхода на внешнюю характеристику при неизменном положении органа управления в случае повышения нагрузки. Такие характеристики присущи всережимному регулятору, которым оборудуют большинство современных судовых ДВС.

нии органа управления регулятором. По регуляторным характеристикам ДВС работает во всех случаях, когда положение органов управления всережимным регулятором остается неизменным, а нагрузка изменяется (например, при циркуляции судна, разгоне и др.)- Поддержание приблизительно постоянной частоты вращения при повышении нагрузки достигается изменением подачи топлива. Для удобства использования регуляторных (нагрузочных) характеристик независимая переменная (нагрузка) откладывается по оси ординат. Это позволяет на одном графике совместить внешнюю, ограничительную и регуляторную характеристики. В результате такого совмещения получают поле возможных режимов работы судового ДВС и поле допустимых режимов (см. рис. 59).

В практике дизелестроения большое значение имеет многопараметровая, так называемая универсальная характеристика. Универсальная характеристика связывает между собой три параметра работы двигателя — мощность, частоту вращения и удельный эффективный расход топлива.

Универсальная характеристика представляет собой линии постоянных удельных эффективных расходов топлива, нанесенные

Ш

в координатах мощность — частота вращения. Эта характеристика (см. рис. 59) наиболее удобна для представления экономических показателей двигателя. Совмещение универсальной характеристики с полем возможных режимов работы двигателя дает возможность судить о расходе топлива на любом заданном режиме и выбирать наиболее выгодные режимы эксплуатации двигателя. Форма универсальных характеристик зависит от топливоподающей системы и системы воздухоподачи, поэтому она может существенно различаться у разных двигателей. Общим для этих характеристик является наличие зоны оптимальных расходов топлива.

Рассмотренные выше характеристики судовых ДВС — внешняя, ограничительная, регуляторная и универсальная являются собственными характеристиками двигателя. Они определяются на заводе-изготовителе и присущи двигателю независимо от ус-

судить о возможностях двигателя, но не дают представления о фактических режимах работы в судовых условиях, так как они не учитывают закономерностей потребления мощности двигателя. Для определения режимов работы двигателя и соответствующих им параметров необходимо совмещение собственных характеристик двигателя и характеристики потребителя. Для главных двигателей, установленных на судне, специфичной ха-

мость обусловлена взаимодействием гребного винта и корпуса судна. Для водоизмещающих судов

Каждой точке винтовой характеристики соответствует определенная скорость судна. Особым видом винтовых характеристик являются зависимости Ne =f(n*)t снятые при постоянных скоростях судна. Их называют винтовыми характеристиками при постоянной скорости хода (рис. 61).

Важной особенностью винтовой характеристики является ее изменчивость в процессе эксплуатации судна вследствие обрастания корпуса, волнения моря, колебаний водоизмещения и др. При увеличении мощности, необходимой для поддержания заданной частоты вращения винта, говорят, что винтовая характеристика «утяжеляется», при снижении — «облегчается».

Выражение (25) можно представить аналогичной зависимостью эффективной мощности двигателя от частоты его вращения

112

(в этом случае должен быть учтен КПД валопровода и передачи). Каждой точке такой винтовой характеристики будет соответствовать определенное соотношение параметров работы двигателя. Следовательно, можно найти зависимость любого параметра (эффективного давления, удельного расхода топлива,

-

кзи

Г«ч2,8 -

2,2 ъ

" 1,6

1,0

%0,30

\0,27 - ^

Щгь

от частоты его вращения.

Зависимости развиваемой двигателем эффективной мощности и других показателей его работы от частоты вращения при нагрузке гребным винтом принято называть винтовыми характеристиками двигателя. Винтовые характеристики двигателя 4НСП 16/17 представлены на рис. 60. Изменение параметров работы двигателя по винтовым характеристикам существенно зависит от конструкции двигателя.

Винтовая характеристика двигателя, совмещенная с собственными характеристиками двигателя, вызывает наибольший инте-

113

двигателя, двигатель не может развивать полную частоту вращения (точка а на кривой 2) или, наоборот, будет недогружен, что снизит полную скорость судна (точка b на кривой 4).

2.Достаточна ли избыточная мощность двигателя (расстояние между винтовой характеристикой и ограничительной) для компенсации изменения винтовой характеристики в эксплуатации (расстояние сб).

3.Возможна ли работа двигателя на винт в зоне оптимальной экономичности (наилучший вариант — расположение зоны оптимальной экономичности вдоль винтовой характеристики, немного выше ее) ?

4.Допустимы ли параметры работы двигателя на гребной винт в эксплуатации?

5.Какова мощность двигателя в эксплуатации при частоте

вращения п и скорости судна Для определения мощности дополнительно наносятся винтовые характеристики при постоянной скорости (см. рис. 61), которые нетрудно построить как в условиях проектирования, так и эксплуатации.

Винтовые характеристики двигателей можно определять экспериментальным путем как после установки их на судно, так и в условиях заводского стенда посредством нагрузочного устройства, отрегулированного по закономерности (25). Анализ винтовых характеристик двигателя широко применяют в судостроении не только для простейших установок (двигатель—валопро- вод — гребной винт), но и для более сложных (с редукторными передачами, многомашинными агрегатами и др.).

§ 24. Способы повышения мощности. Наддув двигателей как самый эффективный способ

повышения мощности

Превосходя другие тепловые двигатели по экономичности, ДВС существенно уступают им по агрегатной мощности. Поэтому одним из важнейших направлений развития современных ДВС, особенно судовых, является повышение их мощностных показателей.

В настоящее время мощность судовых высокооборотных ДВС ограничивается 2900—3700 кВт, среднеоборотных несколько превышает 14 500 кВт, а малооборотных достигает 35 000 кВт. Основной потребитель мощности в судостроении — гребной винт, потребляющий до 55000 кВт. Учитывая стесненные условия размещения двигателей на судне, наиболее остро стоит вопрос повышения мощности высокооборотных и среднеоборотных двигателей.

Рассмотрим выражение (23) для эффективной мощности дви-

4

Как видно из этого выражения, все способы повышения агрегатной мощности двигателя можно разделить на две группы: конструктивные (посредством увеличения £), S, n, к, i) и зависящие от рабочего процесса (основной показатель р<>).

Конструктивные средства повышения мощности ограничиваются массогабаритными требованиями к судовым ДВС (D, 5, /) и требованиями высокого ресурса (л). Отдельно следует сказать о тактности двигателя. В соответствии с формулой (19) мощность двухтактного двигателя в два раза выше, чем четырехтактного (коэффициент тактности k у двухтактного двигателя в два раза выше, чем у четырехтактного.) Однако двухтактные двигатели имеют повышенный расход воздуха из-за необходимости продувки, высокую тепловую напряженность, наблюдаются потери хода поршня на выпускные и продувочные окна. Поэтому повышение коэффициента тактности путем применения двухтактных двигателей не всегда может привести к повышению мощности.

Наибольший интерес представляют собой методы повышения удельного эффективного давления ре. В общем случае ре пропорционально теплоте сгорания топлива, плотности подаваемого в цилиндр заряда воздуха, коэффициенту наполнения, механическому КПД и качеству сгорания. Повышение теплоты сгорания топлива, качества сгорания, коэффициента наполнения и механического КПД связано с достижениями в других отраслях промышленности (создание новых сортов топлива, материалов и др.) или требует серьезных технологических усовершенствований. Наиболее рациональным и простым способом повышения ре является повышение плотности заряда воздуха, поступающего в цилиндр двигателя. Этим достигается увеличение содержания кислорода в воздухе, находящемся в цилиндре двигателя, и, следовательно, появляется возможность увеличить подачу топлива за цикл и повысить среднее эффективное давление. Повышение плотности заряда воздуха, подаваемого в цилиндр двигателя, путем его сжатия в компрессоре* называется наддувом. Схемы современных дизелей с наддувом отличаются большим разнообразием как по составу агрегатов и принципу их компоновки, так и по принципу приведения в действие компрессора.

На рис. 62 показаны некоторые существующие принципиальные схемы наддува. Как видно, привод компрессора может быть механический — от коленчатого вала (приводной компрессор), газовый (турбокомпрессор); возможны комбинированная схема, включающая приводной компрессор и турбокомпрессор, а также схема с турбокомпрессором, в которой газовая турбина имеет дополнительную автономную камеру сгорания (см. § 13).

Механический наддув с приводным компрессором (рис. 62, а) находит ограниченное применение в легких быстроходных четырехтактных ДВС при рк = 0,15 4-0,17 МПа (двигатель типа ЧН 18/22) и двухтактных ДВС с давлением продувки рК =

115

ч.

— 2

РгА z

и

1

V

Ф V 4

РгА

30/38) и малооборотных ДВС с прямоточно-клапанной продувкой (двигатели фирмы «Бурмейстер и Вайн). Комбинированная схема наддува наиболее распространенная. Последовательная двухступенчатая схема (рис. 62, б) применена на двухтактном двигателе 12ДН 23/30, одноступенчатая схема (механическая

116

связь турбокомпрессора и двигателя (рис. 62, г)—на четырехтактном двигателе 56ЧСПН 16/17 и двухтактном ДРПН 23/2X30.

При сжатии воздуха происходит его нагрев и уменьшение плотности, поэтому в современных схемах применяют промежуточное охлаждение. Повышение давления наддувочного воздуха (рис. 63), с одной стороны, повышает среднее эффективное давление и увеличивает мощность двигателя (ориентировочно увеличение рк на 0,1 МПа удваивает мощность двигателя), а с дру-

увеличивается мощность, затрачиваемая на привод компрессора. Например, для создания давления наддува 0,15—0,16 МПа на приводной компрессор расходуется до 10 % мощности двигателя. Поэтому схема с приводным компрессором находит применение только в двигателях с невысоким наддувом, обеспечивающим повышение мощности не более чем на 50 %.

При механическом наддуве, в отличие от газотурбинных, имеет место снижение экономичности двигателя (снижение механического КПД). При свободном турбонаддуве происходит частичная регенерация теплоты (используется теплота выпускных газов), это способствует повышению экономичности. Помимо необходимости оптимизации соотношения мощности, затрачиваемой на создание наддува, и достигаемой прибавки мощности двигателя от его применения большое значение имеет ограничение механической и тепловой напряженностей, возникающих в деталях двигателя при высоких значениях наддува.

Основным показателем механической напряженности дизеля является максимальное давление сгорания рг (оно приблизительно в 10 раз превышает среднее эффективное давление). Его снижению способствует уменьшение степени сжатия и степени повышения давления. Оба эти способа в современных двигателях реализуются посредством применения конструктивных мер (использование механизма для изменения степени сжатия, изменение высоты поршня, изменение момента закрытия впускных клапанов, применение специальных камер сгорания и др.). Тепловая напряженность двигателя снижается в результате охлаждения наддувочного воздуха. В настоящее время освоено давление наддува до 0,3—0,35 МПа, при этом среднее эффективное давление в цилиндре четырехтактного двигателя достигает 1,8—2,0 МПа.

117

Свободный турбонаддув позволяет повышать мощность двигателя в два-три раза. Однако недостаток этой системы наддува— снижение производительности трубокомпрессора на частичных нагрузках двигателя (особенно на малых). Этот недостаток частично устраняется в комбинированных схемах (см. рис. 62, в) и полностью в так называемой системе наддува «Гипербар» (см. рис. 62,(3). Система «Гипербар» обеспечивает постоянное давление наддува на всех режимах работы двигателя. Это достигается установкой дополнительной автономной камеры сгорания перед газовой турбиной. В камеру сгорания от топливной системы двигателя поступает топливо, а от системы воздухоснабжения— воздух, которые в результате сгорания топлива образуют, независимо от режима работы двигателя, газ, вращающий приводную турбину компрессора. При этом достигается давление наддува в 0,6—0,8 МПа. Двигатель, оснащенный системой «Гипербар», можег работать как с использованием дополнительной камеры сгорания, так и без нее. С помощью системы «Гипербар» получают высокие значения наддува без увеличения механических потерь. Главное преимущество этой си- стемы—обеспечение надежного пуска двигателей и устойчивая работа на малых нагрузках, а также возможность повышения нагрузки при сниженной частоте вращения двигателя. Система «Гипербар», разработанная в начале 70-х годов, еще не получила широкого распространения.

Повышение мощности двигателя может достигаться не только его форсировкой по ре, но и форсировкой по частоте вращения, однако это связано с ухудшением качества сгорания топлива или с существенными конструктивными изменениями. Поэтому наддув двигателей в настоящее время считается основным и наиболее эффективным способом повышения мощности ДВС.

§ 25. Газообмен в двухтактных двигателях

Механизм протекания процессов газообмена в двухтактных дизелях происходит по-разному и зависит от системы продувки

и наполнения цилиндра свежим зарядом у двухтактных дизелей весьма сложно.

Процессы выпуска и продувки в большинстве двухтактных дизелей в зависимости от угла поворота коленчатого вала можно

118