Воробьев_Теория судовых двигателей

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского»

Б. Н. Воробьев

ТЕОРИЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Часть 1

Курс лекций

Рекомендовано Дальневосточным региональным отделением учебно-методического объединения по образованию

вобласти эксплуатация водного транспорта (ДВ РОУМО)

вкачестве учебного пособия для студентов (курсантов) морских специальностей вузов региона

Владивосток

2013

ВВЕДЕНИЕ

Современные судовые силовые установки оснащены в основном дизельными двигателями. Это объясняется, прежде всего, высокой экономичностью и эффективностью превращения теплоты сгорающего топлива в цилиндре в полезную работу. И в ближайшее время нет достойной замены дизельным двигателям в СЭУ.

В начале анализа работы ДВС или проектирования лежит исследование рабочего цикла дизеля по классической теории, предложенной профессором В. И. Гриневецким, в дальнейшем усовершенствованной профессором Е. К. Мазингом и другими исследователями. Цикл состоит из процессов, которые в современной теории ДВС можно рассчитать с хорошей точностью, используя новые возможности вычислительной техники и знания в моделировании и практической эксплуатации. В пособии изложены процессы, составляющие рабочий цикл, особенности их протекания для различных условий, рассмотрены возможности и направления улучшения экономических и эффективных показателей СДВС. Глубокое знание условий протекания процессов, термодинамических основ позволяет совершенствовать конструкцию деталей ЦПГ и дизеля в целом.

Рассмотрены топлива, используемые в судовых дизелях, особенности применения различных видов топлив, их достоинства и недостатки, представлены современные тенденции топливоиспользования.

Процессы газообмена и наддува представлены для различных типов ДВС. Отмечается важность качественного газообмена и наддува для протекания рабочего цикла.

Показаны индикаторные и эффективные показатели для основных типов современных дизелей, а также способы их оценки.

Для создания работоспособного дизеля необходимо изучить вопросы теплообмена в деталях ЦПГ и их теплонапряженность, оценить уровень тепловых нагрузок на основные детали, при необходимости принять меры для снижения критических температур и напряжений. Для повышения эффективности СЭУ представлены пути утилизации тепловых потерь, возникающих при эксплуатации судовых дизелей.

3

ЛЕКЦИЯ 1 ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАБОТЕ И КОНСТРУКЦИИ ДВС

1.1.Историческая справка.

1.2.Устройство СДВС. Основные узлы и системы ДВС.

1.3.Классификация СДВС.

Одним из тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). ДВС – это двигатели, в которых тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива в цилиндре, превращается в полезную механическую работу. ДВС широко распространены в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте. Они занимают 1-е место среди других тепловых двигателей. Попробуем обоснованно объяснить эту тенденцию.

Цикл Карно является эталонным циклом превращения теплоты.

В ДВС уровень подвода теплоты к рабочему телу наивысший (2000– 2500К), а уровень отвода 300 К (температура окружающей среды):

η t =1− 2500300 ≈ 0,88

Другие двигатели при этом уровне температур работать не могут.

4

2. ДВС обеспечивает широкий диапазон мощностей от 1 до 100000

кВт.

3.В связи с топливным кризисом нужен самый экономичный двигатель. Запасы нефти по прогнозам могут составить от 30 до 200 лет.

4.Удобство и автономность при эксплуатации, особенно на транс-

порте.

5.Простота конструкции и технологичность. Для ДВС не используют дорогие легированные стали.

Отрицательные последствия применения ДВС:

1.Низкая экологичность, имеются вредные выбросы СО, СО2, NОх, SOx и сажа. По оценкам специалистов, на 1 автомобиль мощностью 80 л.

с. приходится ≈ 500–1000 $ ущерба для человека.

2.Дорогие топливо и масло.

3.Шумность и вибрация и т. д.

1.1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Из истории известно, что зарождение идеи создания ДВС относится к концу XVII в. В 1680 г. Гюйгенс предложил построить двигатель, работающий за счет взрывов пороха в цилиндре.

Ко второй половине XIX в. относят появление поршневого двигателя внутреннего сгорания, что было вызвано развитием промышленности: нужен был более экономичный двигатель, чем ПТУ.

Первый 2-тактный двигатель (официант) с золотниковым распределением и посторонним источником зажигания создал француз Этьен Ленуара, этот двигатель в 1860 г. работал на светильном газе (ηt = 0,04). В 1887 г. Николай Отто построил 4-тактный двигатель с расходом газа в 2 раза меньше (ηt = 0,12), и это объяснило в дальнейшем широкое промышленное применение. Производство газовых двигателей в России началось в 1908 г. на Коломенском и других заводах. Стационарные двигатели, работающие на керосине и более тяжелых сортах топлива, появились с 1884 по 1890 гг. Зажигание в этих двигателях осуществлялось при помощи калоризатора, представляющего полый массивный шар, соединенный с камерой сжатия. На раскаленную поверхность этого шара подавалось топливо.

В1879 г. инженер механик русского флота И. С. Костович сконструировал первый в мире легкий бензиновый двигатель (для дирижабля) Nе = 80 л. с., удельной массой 3 кг на 1 л. с. С 1885 г. началось строительство автомобилей с бензиновым двигателем.

В1892 г. Рудольф Дизель получил патент на двигатель, в котором топливо воспламеняется от предварительно сжатого воздуха до высоких температур. Работоспособная машина была создана в 1896–1897 гг. Дви-

5

гатель работал на керосине, распыливаемом форсункой с помощью подаваемого в нее сжатого воздуха (метод компрессорного распыливания) Nе

=20 л. с., ge = 240 г/л. с. ч, ηе = 0,26.

Вэто время в 1883 г. калоризаторный двигатель, выпущенный на

заводе Э. Нобеля («Русский дизель»), получил высшую награду на всемирной выставке в Чикаго. В 1899 г. этот же завод по патенту Р. Дизеля выпускает промышленный четырехтактный дизель, который работает на

сырой нефти (ge = 220 г/л. с. ч, ηе = 0,25).

В дальнейшем внедрению дизелей на водном транспорте способствовали русские инженеры. В 1903 г. была поставлена дизельэлектрическая судовая установка на барже «Вандал» с тремя 4-тактными дизелями Nе = 120 л. с. В 1907 Коломенский завод построил колесный буксир «Мысль» с двигателем Nе = 300 л. с. Первый реверсивный СДВС был установлен на ПЛ «Минога» в 1908 году, первым морским теплоходом был теплоход «Дело» в 1908 г.

На съезде дизелестроителей (1910 г., Петербург) Дизель признал ведущую роль России в области судового дизелестроения.

Совершенствование дизелей в настоящее время привело к КПД 42– 52 %. Рост дедвейта морского транспорта при скоростях 15–25 узлов потребовал мощные дизельные установки до 100 тыс. л. с.

Ранее большие суда комплектовались ПТУ, т.к. дизель проигрывал по суммарной мощности. Новый ряд малооборотных дизелей достиг рекордных показателей по расходу топлива ge = 155–160 г/(кВт ч).

Впроизводстве МОД ведущее положение занимают фирмы МАN и Бурмейстер & Вайн, Вяртсиля (Зульцер) и Мицубиси.

ВРоссии заводы по производству дизельных ДВС расположены в Коломне, Брянске, Горьком, Ярославле, Набережных Челнах и СанктПетербурге. Успехи дизелестроения основаны на применении наддува, новых материалов, прогрессивных конструктивных решений, новой технологии, применении компьютерной техники при проектировании. Решаются проблемы долговечности, надежности и простоте в эксплуатации.

1.2.УСТРОЙСТВО СДВС. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И СИСТЕМЫ ДВС

ВДВС топливо подается в цилиндр, где смешивается с воздухом и

сгорает в цилиндре. При сгорании образуются газообразные продукты, имеющие высокие давление (до 250 кг/см2) и температуру (до 2500 К). Тепловая энергия превращается в механическую работу. Давление газов передается на поршень. Возвратно-поступательное движение поршня при помощи КШМ превращается во вращательное движение коленчатого вала ДВС и далее передается на винт.

6

Для непрерывной работы двигателя необходимо: подавать в цилиндр воздух и сжимать его; впрыскивать топливо, обеспечивать его воспламенение и сгорание; создавать условия для расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов из цилиндра.

Комплекс последовательных процессов периодически повторяющихся в каждом рабочем цилиндре и обеспечивающих работу двигателя, называют рабочим циклом.

ДВС – сложный агрегат, состоящий из отдельных механизмов и систем. В свою очередь каждый механизм или система могут быть подразделены на отдельные группы и узлы.

Механизмы ДВС.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает силы давления га-

зов, преобразует поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала и далее ГВ и др. потребителям. Состоит из поршневой группы (поршень, поршневые кольца, палец) и КШМ (коленчатый вал, шатунная группа, крейцкопфный узел).

Остов двигателя вместе с поршнем образуют полость, в которой осуществляется рабочий цикл двигателя и поддерживаются детали механизма движения. Остов состоит из фундаментной рамы, станины, цилиндров и цилиндровых крышек.

Механизм газораспределения служит для впуска воздуха в цилиндры и выпуска отработавших газов. У четырехтактных двигателей состоит из впускных и выпускных клапанов, установленных в крышке цилиндров, и механизма, управляющего их открытием и закрытием.

В 2-тактных двигателях воздух поступает через впускные окна во втулке, открытием и закрытием окон управляет поршень, газы удаляются через выпускные окна во втулке или через клапаны в крышке цилиндра. Основные узлы тронкового двигателя показаны на рис. 1.2. Поршень 4 с помощью пальца 5 соединен с шатуном 8, нижняя головка 9 шатуна соединяется с шейкой кривошипа коленчатого вала 10. Остов двигателя состоит из фундаментной рамы 12, на которой лежит коленчатый вал, станины 11, образующей вместе с рамой закрытое пространство

– картер, а также цилиндров, состоящих из рубашек 6, втулок 7 и цилиндровых крышек 2. Для отвода теплоты цилиндровые крышки и цилиндры имеют полости охлаждения 3.

Механизм газораспределения состоит из впускных 15 и выпускных 14 клапанов и клапанного привода, управляющего их открытием и закрытием и состоящего из распределительного вала 17 с кулачковыми шайбами, штанг 16 и клапанных рычагов 13. Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала с помощью зубчатой передачи. Форсунка 1, расположенная в центре крышки, служит для подачи топлива.

7

Системы двигателя обеспечивают рабочие процессы, продолжительную и надежную работу, а также возможность запуска и реверса.

Система газообмена и наддува служит для подачи воздуха в ци-

линдры. Состоит из продувочных или наддувочных агрегатов, приводимых в действие от самого двигателя или от газовой турбины, и системы трубопроводов, соединяющих наддувочные агрегаты и органы газораспределения.

Топливоподающая система служит для подачи топлива в цилиндры, состоит из форсунок, топливных насосов, фильтров и трубопроводов.

Система охлаждения двигателя служит для отвода теплоты от ра-

бочих втулок, крышек цилиндров, поршней. Состоит из насосов, фильтров, теплообменников, трубопроводов.

Система смазки служит для подачи масла к трущимся деталям. Состоит из насосов, фильтров, теплообменников, трубопроводов. Служит для запуска двигателя, установления заданного режима работы, изменения направления вращения коленчатого вала.

Системы регулирования служат для поддержания заданных параметров работы двигателя в пределах установленного режима: частоты вращения, температуры, давления в системах охлаждения, смазки и топливоподачи.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

На современных морских судах применяются двигатели с воспламенением от сжатия – дизели. Отличительные особенности дизелей – внутреннее смесеобразование, при котором горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра в результате смешения мелко распыленного топлива и сжатого воздуха. Топливо подается в цилиндр в конце сжатия под давлением 400–700 кгс/см2, далее воспламеняется в цилиндре в присутствии воздуха, нагретого до высокой температуры. Рабочий цикл осуществляется со смешанным подводом теплоты (p = const

и v = cоnst).

В дальнейшем рассматриваем дизели.

Дизели можно классифицировать по следующим особенностям.

1.По тактности – двухтактный цикл осуществляется за один оборот, а четырехтактный – за 2 оборота коленчатого вала.

2.По способу действия – простого, в котором цикл совершается в одной полости цилиндра над поршнем, и двойного, в котором цикл осуществляется над и под поршнем (из-за сложности конструкции эти дизели не производят).

9

Дизели с противоположно движущимися поршнями в 1908 г. выпускал Коломенский завод, потом Юнкерс и Морзе.

3.По способу наполнения – с наддувом и без наддува.

4.По расположению цилиндров – однорядные, двухрядные,

V-образные, многорядные, Х-образные, W-образные, ∆-образные, звездообразные.

5.Тронковые дизели, в которых роль направляющей выполняет тронковая часть поршня, передающая боковое (нормальное) давление поршня на стенки втулки. Поршень с помощью пальца соединяется непосредственно с шатуном.

Крейцкопфные дизели, в которых роль направляющей вместо поршня выполняют ползуны крейцкопфа, скользящие по параллелям и передающие от них нормальное давление. Поршень соединяется со штоком, который через крейцкопф связан с шатуном.

6.По направлению вращения коленчатого вала – реверсивные и нереверсивные.

7.По средней скорости поршня.

Современные дизели создаются за 5–10 лет, затраты по разработке и постановке на производство 150–45 млн. долларов (данные фирм Кашмингс, ИВЕКО, Автоваз). Создание новых дизелей под силу мощным предприятиям с участием НИИ и заводов, а также при поддержке государства.

10