СДВС для студентов ЗСМ / Судовые двигатели внутреннего сгорания

хода, совершающее такую же работу, что и фактическое переменное давление газов в цилиндре (за вычетом работы, соответствующей механическим потерям).

Кроме ре, важными характеристиками работы дизеля служат давления сжатия рс и сгорания рг. Давление сжатия — это давление в цилиндре в конце процесса сжатия воздушного заряда. Обычно ре = 3,2 Ч- 3,8 МПа. Отношение наибольшего и наименьшего объемов цилиндра в этом процессе называют степенью сжа-

ность. Его можно представить как частное от деления эффек-

Основными показателями экономичности рабочего цикла дизеля являются связанные между собой параметры: удельный эффективный расход ge топлива и эффективный КПД г\е дизеля.

Удельный эффективный расход топлива численно равен частному от деления часового расхода топлива на эффективную

превращенной в полезную работу на валу дизеля, ко всей подведенной теплоте, у современных дизелей г\е = 0,4 ч- 0,45.

Важной экономической и эксплуатационной характеристикой дизеля является удельный расход масла на угар и слив. Он составляет 2,7—6,8 г/(кВт-ч), меньшее значение относится к МОД, большее— к ВОД. Увеличение удельного расхода масла (необходимость частой дозаправки расходного масляного бака) — безошибочный признак интенсивного износа деталей ЦПГ и ненормально больших зазоров между этими деталями.

Одним из критериев совершенства конструкции дизеля служит его удельная масса. Это показатель металлоемкости, измеряемый отношением сухой массы (без воды, масла, топлива) к эффективной мощности дизеля. По ГОСТ 4393—74 удельная масса МОД большой мощности 47—34 кг/кВт, СОД средней и большой мощности 20—14 кг/кВт, ВОД средней и малой мощности 14—7 кг/кВт, мощных высокофорсированных ВОД 7—2,7 кг/кВт.

В «сухую» массу дизеля входит и масса всех вспомогательных механизмов, обеспечивающих его работу. Снижение массы дизеля достигается за счет увеличения я, ст> ре, а также рациональной конструкции, применения сварных остовов, легких материалов и других мероприятий.

10

Отечественное дизелестроение планирует в дальнейшем существенное повышение долговечности серийных дизелей на базе развития специализированных производств. Пути совершенствования и развития судовых дизелей — расширение применения в качестве главных двигателей СОД и ВОД, развитие их многотопливности при росте форсировок, повышение экономичности и ресурса. К 1990 г. ожидается достижение среднего эффективного давления в СОД ре — 2,2 4- 2,5 МПа, эффективного удельного расхода топлива ge = 204 4-210 г/(кВт*ч), ресурсов до первой

В целом работы по повышению качественного уровня отечественных дизелей направлены на увеличение удельных мощностей, надежности, долговечности и ресурса на 25—50 %; обеспечение работы дизелей на топливе и масле широкого диапазона качества и снижение удельных расходов топлива и масла; совершенствование и унификацию элементов и агрегатов систем топливо- и маслоподготовки, внедрение систем ДАУ, систем безразборной технической диагностики и контроля, разработку мероприятий по снижению трудоемкости технического обслуживания.

§ 3. Маркировка дизелей. Основные технические требования, предъявляемые к судовым дизелям

В СССР в соответствии с ГОСТ 4393—74 каждому типу дизеля присваивается условное обозначение, состоящее из цифр и букв. Буквы означают: Ч — четырехтактный, Д — двухтактный,

ским зажиганием, ГД — газовый с присадкой жидкого топлива. Цифра перед сочетанием букв указывает число цилиндров, а дробное обозначение после сочетания букв, соответственно, числитель — диаметр цилиндра (в сантиметрах), знаменатель — ход поршня (в сантиметрах). Например, марка 6ЧРПН 25/34 означает дизель шестицилиндровый, четырехтактный, реверсив-

74 заводы присваивают выпускаемым двигателям свои обозначения. Например, двигатель 8ЧРН 30/38 имеет заводское обозначение 9ДМ.

11

Г л а в а II. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 4. Общие сведения

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называют поршневые двигатели, в которых процесс преобразования химической энергии топлива в механическую осуществляется внутри рабочего цилиндра. Различают ДВС карбюраторного типа и дизели. Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Воспламенение горючей смеси в цилиндре дизеля происходит не от искры, как в карбюраторных ДВС, а при впрыске топлива в воздух, ^агретый до высокой температуры в результате сжатия поршнем.

Основные детали ДВС показаны на рис. 1. Из всей совокупности деталей можно условно выделить три группы.

Детали остова — фундаментная рама 13 (в сборе с рамовыми подшипниками коленчатого вала и др.), блоккартер 11 с блоком цилиндров 10 (в сборе с цилиндровой втулкой, крышками люков и др.) и крышки 9 рабочих цилиндров. Эти неподвижные крупные узлы двигателя соединяются между собой болтами, анкерными связями и образуют жесткий остов, способный воспринимать усилия, возникающие во время работы дизеля.

Рис. 1. Принципиальная схема четырехтактного двигателя.

13

вовесами и другими насаженными на него деталями), шатуны поршни 2 (в сборе с поршневыми кольцами, уплотнительными и маслосъемными кольцами). Эти подвижные детали шарнирно соединены между собой и образуют кривошипно-шатунный механизм двигателя, предназначенный для преобразования воз- вратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Детали газораспределения — передаточный механизм (от коленчатого вала к распределительным валам), распределительные валы (в сборе с насаженными на них шайбами 3 впускных

ках 9 рабочих цилиндров в соответствии с необходимыми моментами открытия и закрытия клапанов.

На рис. 1 показаны также впускной 6 и выпускной 8 коллекторы. Кроме того, на двигателе имеются узлы и детали, относящиеся к системам топливоподачи, смазки, охлаждения, подвода воздуха и отвода газов, пуска, регулирования и управления.

Подробно конструкция деталей ДВС рассмотрена в гл. VI.

§5. Схема и принцип действия четырехтактного двигателя

Вчетырехтактных дизелях рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня (такта). Цилиндр такого дизеля закрыт крышкой, в которой размещены клапаны для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания. Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами, а кроме того, давлением газа в цилиндре. Открытие клапанов в нужные моменты производится с помощью газораспределительного механизма, состоящего из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки, сидящие на распределительном валу. Последний приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения. Каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала.

Каждый цикл состоит из последовательно протекающих процессов: наполнения рабочего цилиндра; сжатия свежего заряда; впрыска, воспламенения, горения топлива и расширения продуктов сгорания; выпуска отработавших газов (рис. 2).

Крайние положения поршня в цилиндре, при которых расстояния от поршня до оси коленчатого вала достигают максимальной и минимальной величины, называют верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).

Такт I — наполнение рабочего цилиндра воздухом из окружающей среды. При нисходящем движении поршня от ВМТ до

И

НМТ из впускного коллектора (см. рис. 2) через открытый впускной клапан в цилиндр поступает воздух. Во время первого такта выпускной клапан закрыт. Из-за аэродинамического сопротивления впускной системы давление воздуха в цилиндре в процессе наполнения ниже, чем во впускном коллекторе (на

Рис. 2. Схема работы четырехтактного дизеля: а — наполнение рабочего цилиндра; б —сжатие заряда; в — горение топлива и расширение продуктов сгорания, г — выпуск отработавших газов.

5—10 кПа), а температура вследствие дополнительного нагрева его при соприкосновении со стенками выше.

Для максимального наполнения цилиндров свежим воздухом впускной клапан открывается несколько ранее ВМТ (точка 1}>

зависит в основном от типа двигателя и степени его быстроходности. Общий угол поворота коленчатого вала, соответствующий

Так как к началу зарядки в рабочем цилиндре остается некоторое количество (до 4—5 %) продуктов сгорания от предыдущего цикла, то к концу зарядки в цилиндре находится смесь

показано на рис. 4 (линия га). Параметры рабочего тела при наполнении: давление рт при положении поршня в ВМТ равно 0,105—0,11 МПа, давление ра при положении поршня в НМТ составляет 0,085—0,09 МПа, температура 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 стре-

15

мятся увеличить проходное сечение впускного клапана или их количество.

Такт II — сжатие заряда (линия аЪс, рис. 4), поступившего в цилиндр, происходит при восходящем движении поршня, начиная с момента закрытия впускного клапана до момента прихода

ВМТ

НМТ

поршня в ВМТ; при этом процессе все клапаны закрыты. Максимальное давление рс и температура Тс в конце сжатия зависят от параметров рабочего тела: ра, Та в начале сжатия, степени

ния закрытия впускного клапана общий угол поворота колен-

ния (линия czby рис. 4). В конце процесса сжатия и в начале процесса расширения происходят впрыск, воспламенение и горение топлива. Примерно за 10—30° ПКВ до ВМТ топливный насос, управляемый кулачковой шайбой, насаженной на распределительный вал, нагнетает топливо к форсунке, которая распыливает его в цилиндре (капли распыленного топлива имеют средний диаметр 10—30 мкм, давление нагнетания— 15—150 МПа). Поступившее в цилиндр топливо воспламеняется не сразу: оно подогревается, частично испаряется, происходит распад сложных углеводородных соединений на более простые, легче воспламеняемые. Промежуток времени между поступлением топлива в цилиндр и его самовоспламенением называется периодом за-

16,

держки воспламенения. Длительность этого периода соизмерима с длительностью подачи топлива, поэтому подачу топлива осуществляют с предварением.

Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется при положении поршня около ВМТ и сгорает,

лива заканчивается за ВМТ (точка 4), после чего начинается расширение продуктов сгорания. Общий угол ПКВ, соответствующий процессу сгорания, равен ф34 = 40 -^-60°. Расширение газов происходит при закрытых клапанах на крышке цилиндра и перемещении поршня от ВМТ к НМТ. При этом совершается работа, идущая на преодоление сопротивлений (полезных и вредных) вращению коленчатого вала и соединенного с ним потребителя механической энергии (например, гребного винта). Поэтому ход поршня, соответствующий процессу расширения, называют рабочим ходом. К концу расширения давление в цилиндре рв падает примерно до 0,25—0,6 МПа, а температура до 1000—1100 К.

Общий угол ПКВ, отводимый на процессы сгорания и расширения, составляет tp3s = 160-г 180°.

Такт IV — выпуск отработавших газов. Очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания начинается вблизи НМТ. Выпускной клапан открывается примерно за <ps = 20-т- 40° до НМТ (рис. 3) и сообщает полость рабочего цилиндра с выпускным коллектором, давление в котором составляет 0,1—0,12 МПа. Под влиянием разности давлений происходит истечение газов из цилиндра в выпускной коллектор. Этот период истечения называется свободным выпуском. По мере выпуска давление в цилиндре уменьшается, а к концу свободного выпуска уравнивается с давлением в выпускном коллекторе, вследствие чего в цилиндре остается часть продуктов сгорания топлива. Удаление их из цилиндра производится через открытый выпускной клапан при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Этот период выталкивания газов из цилиндра называется принужденным выпуском. В процессе принужденного выпуска давление в цилиндре повышается, что объясняется сопротивлением газового тракта. На рис. 4 изменение давления в процессе свободного выпуска изображается линией 56, а выталкивания — линией bkr. К приходу поршня в ВМТ давление в цилиндре рг немного выше давления окружающей среды ро.

Для более совершенного удаления продуктов сгорания закрытие выпускного канала происходит после прохождения поршнем ВМТ с запаздыванием закрытия на угол ПКВ, равный ф 6 = Ю-f-20°. Предварение открытия выпускного клапана обеспечивает снижение давления в цилиндре до прихода поршня в НМТ, вследствие чего при выталкивании газов поршень не испытывает большого противодавления, а запаздывание закрытия выпускного клапана позволяет производить выталкивание

17

газов из цилиндра через почти полностью открытый клапан, т. е. также без значительного сопротивления. Кроме того, в период, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны, происходит некоторая продувка камеры сжатия воздухом, эжектируемым из выпускного коллектора газами, удаляющимися в выпускной коллектор. Параметры продуктов сгорания в конце процесса очистки цилиндра соответственно равны: /?г = 0,1ч- -т-0,11 МПа, Тг = 600 ч- 900 К. При положении поршня в ВМТ (точка 6) продукты сгорания, занимающие объем, равный объему камеры сжатия Vc, не могут быть полностью удалены из цилиндра. Поэтому оставшиеся газы в дальнейшем смешиваются с воздухом, который начинает поступать в цилиндр через выпускной клапан при нисходящем давлении поршня. По окончании выталкивания продуктов сгорания начинается новый рабочий цикл, определенные процессы которого повторяются в рассмотренной последовательности.

В результате осуществления цикла производится работа, пропорциональная разности площадей заштрихованных частей диаграммы (рис. 4). Обычно площадь arka настолько мала в сравнений с площадью bkczb, что ею можно пренебречь.

Таким образом, цикл четырехтактного дизеля осуществляется за время, соответствующее двум оборотам коленчатого вала (720°). Из четырех тактов только один (такт III) является рабочим, в течение остальных трех тактов двигатель работает как поршневой компрессор, засасывающий и сжимающий воздух, а затем выталкивающий продукты сгорания топлива. Энергия, необходимая для осуществления насосных тактов в одноцилиндровом двигателе пополняется за счет запаса кинетической энергии, аккумулированной в маховике, а в многоцилиндровом — за счет рабочих ходов других цилиндров.

При рассмотрении схемы работы дизеля было установлено, что фазы газораспределения не совпадают с ВМТ и НМТ. Моменты газораспределения, а также углы, соответствующие отдельным фазам распределения, показаны на круговой диаграмме (см. рис. 3). Правильный выбор газораспределения в значительной степени влияет на мощность и экономичность дизеля. Окончательную установку фаз газораспределения производят при доводке двигателя на стенде завода и корректируют по полученным индикаторным диаграммам (см. рис. 4).

§ 6. Схема и принцип действия двухтактного двигателя

Рабочий цикл двухтактного дизеля принципиально не отличается от рабочего цикла четырехтактного. Он состоит из тех же процессов и характеризуется примерно одинаковыми параметрами цикла и рабочего тела. Различие заключается в способе

18