Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Воробьев_Теория судовых двигателей

.pdf
Скачиваний:
525
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.45 Mб
Скачать

2.2. ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЕ И ДВУХТАКТНЫЕ ДВС

Если рабочий цикл совершается за четыре такта, т. е. за два оборота коленчатого вала (КВ), то такие двигатели называются 4-тактные, а если за два такта (за один оборот КВ) – двухтактными.

Рис. 2.1. Принципиальная схема работы дизеля

Рис. 2.2. Схема работы и рабочего цикла четырехтактного дизеля

21

1 – такт наполнения. Поршень движется от ВМТ к НМТ (рис 2.2а), из-за чего в надпоршневой полости создается разряжение и через открытый впускной клапан 1 воздух из атмосферы поступает в цилиндр, за НМТ клапан закрывается. В конце процесса наполнения воздух в цилиндре двигателя имеет параметры: давление ра = 0,77–0,95 кгс/см2, темпера-

тура Та = 315–340 К.

2 – такт сжатия. Поршень движется в обратном направлении и сжимает свежий заряд (рис 2.2б). Давление и температура воздуха повышаются до значений ре = 35–45 кгс/см2, Тс = 800–950 К. В конце сжатия в цилиндр двигателя из форсунки под большим давлением впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. В результате процесса горения параметры газа возрастают: рz = 55–65 кгс/см2,

Тz = 1700–2000 К.

3– такт расширения. Под действием усиления, возникающего от

давления продуктов сгорания, поршень движется к НМТ (рис. 2.2в) и в конце такта давление газов снижается до величины рв = 2,7–3,5 кгс/см2,

Тв = 850–1100 К.

4– такт выпуска. Открывается выпускной клапан 2, и газы, имеющие давление больше атмосферного, покидают цилиндр, за НМТ газы принудительно выталкиваются из цилиндра поршнем (рис 2.2г). За ВМТ выпускной клапан закрывается.

2.3.ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА

Вкоординатах p-v рабочий цикл изображается замкнутой кривой, называемой свернутой индикаторной диаграммой (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Свернутая индикаторная диаграмма

22

Рис. 2.4. Развернутая индикаторная диаграмма

На рис. 2.5 показана схема работы 2-тактного дизеля: линия вdа – наполнение; ас – сжатие; сz – сгорание; zb – расширение и –выпуск. р0 – атм. давление = 1 кгс/см2.

В реальных ДВС процессы открытия и закрытия клапанов смещены по отношению к мертвым точкам.

Схема работы 2-тактного дизеля. Для подачи воздуха и отвода выпускных газов в нижней части втулки имеются окна. Обычно выпускные окна выше, чем продувочные, роль газораспределительного органа играет поршень, а клапаны отсутствуют (петлевая или поперечно-щелевая продувки) или имеется выпускной клапан (прямоточно-клапанная продувка).

1-й такт. Около ВМТ в цилиндр впрыскивается топливо, которое воспламеняется под действием давления расширяющихся продуктов сгорания, поршень движется к НМТ, производя полезную работу: открывает выпускные окна (начинается выпуск), затем открывает продувочные окна, в цилиндр двигателя из ресивера под давлением 1,15–1,25 кгс/см2 подается воздух. Благодаря наклонному расположению впускных окон воздух омывает весь цилиндр, вытесняя отработавшие газы из цилиндра. Так осуществляется наполнение свежим воздухом.

2-й такт. Поршень движется к ВМТ, закрывает продувочные и выпускные окна, начинается такт сжатия воздуха, затем подача топлива и горение, далее идет расширение.

Весь рабочий цикл совершается при давлении больше р0.

23

Рис. 2.5. Схемы работы и рабочего цикла двухтактного дизеля

24

2.4. СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ

Так как сжатие осуществляется только после закрытия выпускных окон, то существует потеря рабочего хода (в отличие от 4-тактных), поэтому в 2-тактных дизелях два понятия о степенях сжатия геометрической ε и действительной ε′:

ε = 1 + Vs/Vc; ε = 1 + Vs′/Vc.

Современные мощные дизели 2-тактные. Основные эксплуатационные показатели, характеризующие техническое качество дизеля:

номинальная мощность, кВт;

моторесурс – продолжительность работы двигателя в часах с начала эксплуатации до первого капитального ремонта;

удельный расход топлива, г/(кВт ч);

удельная масса двигателя, кг/кВт, (без топлива, масла, воды).

габаритные размеры – расстояние между крайними точками по длине, ширине и высоте.

Маркировка ДВС:

Ч – четырехтактный; Д – двухтактный; ДД – двухтактный двойного действия; Р – реверсивный; С – судовой (с реверсивной муфтой); П – с редукторной передачей; К – крейцкопфный; Н – с наддувом.

Цифры впереди букв обозначают число цилиндров, после букв – диаметр поршня и ход поршня.

Пример 1. 9ДКРН 50/140: 9 – цилиндров, Д – 2-тактный, К – крейцкопфный, Р – реверсивный, Н – с наддувом, 50 – диаметр, 140 – ход поршня.

Пример 2. 6ЧН15/16: иногда заводская маркировка для Ч15/18 соответствует 3Д-6, также заводская маркировка 5Д-50.

Для безопасного плавания к СДВС предъявляют следующие требования.

1.Высокая надежность (эксплуатация на всех режимах).

2.Экономичность (дешевое топливо, низкий расход топлива и масла).

3.Соответствие экологическим требованиям.

4.Большой моторесурс.

5.Безопасность обслуживания при любых условиях.

6.Комплексная автоматизация.

7.Быстрота маневрирования, пуск, реверс.

8.Блокировка при ошибочных действиях.

9.Соответствие Правилам Регистра РФ.

25

ЛЕКЦИЯ 3 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1.Теоретические циклы.

3.2.Обобщенный термодинамический цикл ДВС с газотурбинным наддувом.

3.3.Сравнение циклов.

3.4.Теоретический цикл.

3.5.Методы расчета теоретических циклов.

ВДВС подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигаемого топлива в камере сгорания внутри дизеля, химическая энергия топлива превращается в механическую работу непосредственно в самом цилиндре. Рабочим телом является вначале воздух, после впрыска

смесь воздуха и топлива, после воспламенения – продукты сгорания топлива (расширяющиеся газы).

Горячий источник у двигателя находится внутри цилиндра, что приводит к компактности машины: нет необходимости в больших теп-

лообменных поверхностях. В ДВС рабочее тело имеет высокие Т1 и р, превосходя значения других тепловых машин.

Предварительное сжатие воздуха вне цилиндра повышает эффективность использования теплоты. Эффективность превращения теплоты газов в полезную работу двигателя повышается в случае применения последующего расширения газов вне рабочего цилиндра (в газовой турби-

не) до давления, близкого к р0.

Объединение в одном агрегате поршневого двигателя, компрессора и газовой турбины оказывает положительное влияние на все тепловые и газодинамические процессы, из которых слагается рабочий цикл комбинированного СДВС.

Теоретические основы рабочих циклов ДВС и первые их расчетные схемы были разработаны русским ученым В. Н. Гриневецким и его последователями. Основные элементы этой теории используются до настоящего времени.

3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Изучение теории ДВС начинается с идеальных (термодинамических) циклов, под которыми понимается упрощенная термодинамическая схема рабочего цикла, не имеющая потерь энергии, кроме неизбежного отвода теплоты к холодному источнику при Т2 (согласно II закону термодинамики). Идеальные циклы, т. к. не учитывают потерь тепловой энергии, яв-

26

ляются общими для 2- и 4-тактных дизелей, что упрощает анализ действительных циклов ДВС.

Условия протекания идеального цикла.

1.Цикл осуществляется с постоянным количеством идеального газа

снеизменным химическим составом и постоянной теплоемкостью.

2.Все процессы протекают без теплообмена с внешней средой (сжатие и расширение).

3.Процессы газообмена, сгорания топлива происходят при v = const

и p = const.

4.Эти условия в реальном процессе невыполнимы, но этот цикл является эталоном для сравнения рабочих циклов ДВС.

Рис. 3.1. Основные виды идеальных циклов поршневых ДВС

27

Существуют три основных вида идеальных циклов (рис. 3.1) поршневых ДВС.

1.Подвод Q1 при v = const – теоретический (базовый) цикл карбюраторных двигателей – цикл Отто.

2.Подвод Q1 при р = const – теоретический цикл компрессорных дизелей – цикл Дизеля.

3.Подвод Q1 при v = const и р = const. Цикл со смешанными подводом теплоты (Сабате – Тринклера) разработан в 1904 г.

Термодинамический КПД цикла со смешанным подводом теплоты при любых условиях занимает промежуточное положение между р =

const и v = const.

Современные СДВС работают по смешанному циклу: ас – адиабатическое сжатие идеальных газов;

cz, z – подвод теплоты при v = const и р = const (в реальном двигателе это соответствует процессу сгорания);

zb – адиабатическое расширение газа;

ba – отвод теплоты холодному источнику при v = const. Термический КПД

ηt = Q1 Q2 =1 Q2 .

Q1

Q1

Выразив через температуры Q1 и Q2 и сделав преобразование vа/vc = ε; pz/pc = λ – степень повышение давления; vz/vc = ρ – степень предварительного расширения; vb/vz = σ – степень последующего расширения; k – показатель адиабаты, получим

ηt =1

1

 

λρк 1

 

 

 

.

εк1

λ 1+ кλ(ρ1)

Это уравнение устанавливает аналитическую связь ηt с параметрами цикла. Из положений термодинамики вытекает, что для повышения экономичности и эффективности цикла необходимо увеличивать Т = Т1

Т2; р = рmax pmin; v = vmax vmin, но реальные двигатели ограничены по Т и р – механической и тепловой напряженностью, v – показателями габаритов, массы и прочности.

Так параметры ↑ε и ↑λ приводят к ↑ ηt , при ↑ ρ снижается ηt. Теоретический цикл отличается от идеального тем, что здесь рабо-

чим телом является реальные газы переменного состава по мере сгорания с переменной теплоемкостью, но сгорания мгновенного и без потерь.

Действительный цикл имеет сложный характер физико-химических процессов. Имеется теплообмен с внешней средой. Рабочим телом явля-

28

ется реальный газ переменного состава с переменной теплоемкостью, учитываются изменение количества и диссоциация продуктов сгорания. Теоретический цикл – это приближение к реальному циклу. В табл. 3.1. показаны основные различия циклов.

 

Циклы ДВС

Таблица 3.1

 

 

 

 

 

 

 

Идеальный

Теоретический

Реальный

 

 

 

 

 

1. Мгаза = const

Незамкнутый, необра-

Незамкнутый, необрати-

 

 

тимый, Мг = var

мый, Мг = var

 

2. Газ идеальный,

Газ реальный,

Газ реальный k = var, его

 

k = const

k = var, сvar

свойства меняются во

 

 

 

времени цикла

 

 

 

с = var

 

3. Процессы обра-

Часть процессов не-

Подвод теплоты по зако-

 

тимы

обратима (сжатие,

нам тепловыделения

 

 

расширение)

 

 

4. Подвод теплоты

Обратимые изобары,

Учет теплообмена во

 

изобарно-изохорный

изохоры

всех процессах

 

5. Отвод Q2 изохор-

Учет явлений при га-

Учет явлений при газооб-

 

ный

зообмене, но отвод Q2

мене

 

 

больше изохорный

 

 

Разработал

Гриневецкий, Гюнтнер

Иноземцев, Кошкин, Вибе

 

Бо де Роша

 

(хим. кинетика + диффе-

 

 

 

ренциальные процессы,

 

 

 

применяется интегриро-

 

 

 

вание, затем Гончар

 

 

 

(численные методы)

 

3.2.ОБОБЩЕННЫЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ДВС

СГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ

Дизели широко используются на транспорте, они работают по циклу с предварительным сжатием воздуха в компрессоре, с дополнительным последующим расширением продуктов сгорания в газовой турбине и отводом теплоты с газами при р = const. Такой цикл называют циклом комбинированного ДВС с промежуточным охлаждением воздуха.

На рис. 3.2. изображены следующие процессы:

1–2 – адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре; 2–3 – промежуточное охлаждение воздуха в воздушном холодиль-

нике при р = const и отвод Q2 в охлаждающую забортную воду;

3–4 – адиабатное сжатие воздуха в цилиндре двигателя до ре = р4 соответствует объему vc;

4–5 – подвод Q1' при v = const;

29

5–6 – подвод Q1при р = const = рz;

6–7 – адиабатное расширение газов в цилиндре;

7–8 – отвод теплоты Q2из цилиндра с выпускными газами при v = const;

8–9 – подвод Q1'''' при рт = const к турбине; 9–10 – адиабатное расширение газов в турбине;

10–1 – отвод Q2'''' с продуктами сгорания в окружающую среду при

р0' = const .

7–8–9 – перетекание газа из цилиндра в газовую турбину. Q2''' из цилиндра на участке 7–8 полностью подводится к турбине 8–9 в виде теп-

лоты Q'''.

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Q'

+ Q'''

 

 

 

 

 

 

η

t

=1

2

2

.

Q'

 

 

 

 

 

+ Q''

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2. Термодинамические процессы

Выводы.

1.ηtохл с промежуточным охлаждением ниже ηt теоретического цикла. Промежуточное охлаждение увеличивает удельную работу цикла без повышения температуры.

2.ηt цикла для турбины с постоянным давлением на 4–8 % выше турбины с импульсным потоком при больших πк = р2/р1.

3.При ε = 11–13 и πк 2–3 ηt 0,7–0,72.

30