1.2. Особенности судовых дизельных установок

Дизельные энергетические установки, как и любые другие типы энергетических установок, имеют свои особенности, характеризующие их как с положительной, так и с отрицательной стороны.

К положительным свойствам ДЭУ следует отнести:

• малое время приготовления и постоянную готовностью к действию;

• высокую степень использования теплоты сгорания топлива: эффективный КПД дизельных двигателей является самым высоким среди всего многообразия других типов ЭУ и составляет от 40 до 50% (особенно у МОД с глубокой утилизацией теплоты);

• возможность длительной работы без пополнения запасов топлива на судне;

• взрыво- и пожаробезопасность дизельных двигателей;

• возможность использования для работы тяжелых и дешевых сортов топлива;

• относительно низкий температурный уровень, создаваемый в машинном отделении;

• простоту осуществления дистанционного автоматического управления;

• широкие диапазоны мощностей, частот вращения, габаритов и массы, позволяющие создавать высокоэффективные установки для судов различных классов.

К отрицательным свойствам ДЭУ относятся:

• сложность конструкции;

• повышенные металлоемкость и трудоемкость изготовления;

• высокий уровень шума дизелей (особенно у СОД и ВОД);

• значительные массогабаритные показатели, особенно ощутимые у МОД крейцкопфного типа большой мощности;

• ограниченный ресурс по сравнению с другими СЭУ (особенно у СОД и ВОД);

• использование для работы СОД и ВОД дорогих топлив высокого качества.

Основные концепции современного развития дизелестроения направлены на повышение экономичности, агрегатной мощности, ресурса и надежности дизельных двигателей, снижение трудовых затрат на обслуживание в процессе эксплуатации и удельной металлоемкости.

1.3. Принцип действия дизельных двигателей.

ИНДИКАТОРНЫЕ И КРУГОВЫЕ ДИАГРАММЫ

Дизелемназывают ДВС с внутренним смесеобразованием, в котором тяжелое жидкое топливо, вводимое в распыленном состоянии в цилиндр в конце хода сжатия, самостоятельно воспламеняется в горячем сжатом воздухе. Основными понятиями, относящимися ко всем дизельным двигателям, являются (рис. 17):

• 

  верхняя мертвая точка(ВМТ) – положение поршня, при котором он наиболее удален от оси коленчатого вала;

• нижняямертваяточка(НМТ) – положение поршня наиболее близкое к оси коленчатого вала;

• ходпоршня , [м] – расстояние между ВМТ и НМТ:;

• рабочийобъемцилиндра , [м³] – объем, описываемый поршнем при движении между ВМТ и НМТ :

Рис. 17.

К основным понятиям

дизельного двигателя.

• объем камеры сжатия , [м³] – объем цилиндра над поршнем при нахождении его в

ВМТ;

• полныйобъемцилиндра ,[м³] – сумма рабочего объема цилиндра и объема камеры сжатия:

Принцип действия четырехтактного дизеля

Рабочий цикл в цилиндре четырехтактного дизеля осуществляется за два оборота коленчатого вала (4 хода поршня). Цилиндр четырехтактного дизеля закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда воздуха и выпуска продуктов сгорания (рис. 18). Впускные и выпускные клапаны удерживаются в закрытом положении пружинами и давлением, создаваемым в цилиндре в периоды сжатия, сгорания топлива и расширения. Открытие клапанов в необходимые моменты времени осуществляется с помощью газораспределительного механизма.

Рис. 18. Рабочие процессы и индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

(без наддува).

Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из следующих процессов (тактов):впуска,сжатия,расширения(рабочего хода) ивыпуска, и происходит следующим образом (рис. 18):

Первый такт – впуск. В начальный момент времени давление в цилиндре двигателя несколько выше атмосферного – точка1индикаторной диаграммы (рис. 18). Поршень из ВМТ начинает свое движение к НМТ, открывается впускной клапан и поршень всасывает в цилиндр свежий заряд воздуха (процесс). При этом давление в цилиндре устанавливается чуть ниже атмосферного (для двигателей без наддува) за счет гидравлического сопротивления впускного клапана. Часто для увеличения массы свежего заряда воздух предварительно сжимают в компрессоре до избыточного давления 0,13 ÷ 0,4МПа, а затем охлаждают в воздухоохладителе. Такое увеличение массы свежего заряда называется наддувом.

Второй такт – сжатие. Поршень из НМТ начинает движение к ВМТ. Впускной клапан закрывается и происходит сжатие воздуха, поступившего в цилиндр дизеля. При этом уменьшается объем заряда воздуха, повышается его давление (процесс) до 3,6 ÷ 4,0МПав дизелях без наддува, а при высоком наддуве – до 11,0МПа, что сопровождается увеличением температуры воздуха до 500^оСи выше. В конце такта, при нахождении поршня вблизи ВМТ, в цилиндр через форсунку начинает поступать мелко распыленное топливо, которое от соприкосновения с горячим воздухом самовоспламеняется и начинает гореть. При сгорании топлива давление в цилиндре повышается до 5,5 ÷ 8,5МПав дизелях без наддува, и до 11,0 ÷ 14,5МПав дизелях с высокой степенью наддува. Процесс сгорания ~ 40 % топлива в конце такта сжатия близок к изохорному (изображен на индикаторной диаграмме линией) и происходит при нахождении поршня вблизи ВМТ.

Третий такт – расширение(рабочий ход). В начале такта расширения топливо продолжает поступать в цилиндр дизельного двигателя, и процесс сгорания ~ 60 % топлива при начале движения поршня от ВМТ к НМТ близок к изобарному (процессна диаграмме). По окончании сгорания топлива происходит расширение продуктов сгорания (процессна индикаторной диаграмме). Расширяющиеся продукты сгорания воздействуют на поршень, совершая полезную работу. Давление газов в цилиндре двигателя и их температура в ходе процесса расширения понижаются.

Четвертый такт – выпуск. По окончании хода расширения открывается выпускной клапан, и поршень начинает движение от НМТ к ВМТ. При этом происходит выпуск отработавших газов через выпускной клапан (процессна индикаторной диаграмме). Давление в цилиндре в процессе выпуска газов несколько выше атмосферного за счет гидравлического сопротивления выпускного клапана.

Таким образом в четырехтактном дизельном двигателе полезным является только такт расширения (рабочий ход), остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров двигателя.

Процессы газообмена в цилиндре дизельного двигателя (фазы газораспре-деления) могут быть изображены на двух окружностях, обозначающих периоды открытия впускных и выпускных клапанов в функции угла поворота коленчатого вала. Такие диаграммы называютсядиаграммами газораспределенияиликруговыми диаграммами.

Рис. 19. Круговая диаграмма

четырехтактного дизеля.

В 4-хтактных дизелях на газообмен отведено 550 ÷ 570 градусов поворота коленчатого вала (ПКВ). Процесс газообмена в четырехтактных дизелях можно разбить на следующие периоды (рис. 19):

Свободный выпуск– осуществляется за счет разницы атмосферного давления и давления в цилиндре двигателя в момент открытия выпускного клапана (линиядиаграммы). При этом газы с большой скоростью устремляются в выпускной патрубок двигателя. Продолжительность периода свободного выпуска примерно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана (ПКВ). Тепловая и кинетическая энергия выпускных газов, как правило, используется для привода турбокомпрессора или работы утилизационных котлов.

Принудительный выпуск– теоретически начинается в НМТ и заканчивается в ВМТ. Это принудительное выталкивание продуктов сгорания из цилиндра телом поршня.

Продувка – в конце хода выпуска открывается впускной клапан (линия, ПКВ до ВМТ), а выпускной остается открытым. При двух открытых одновременно клапанах происходит продувка камеры сгорания воздухом и удаление оставшихся в цилиндре газов. Кроме того, продувка снижает температуру стенок камеры сгорания, поршня и выпускных клапанов, улучшая условия работы и увеличивая срок их службы. Продолжительность продувки составляет ~ 110⁰ПКВ.

Наполнение – теоретически начинается в ВМТ, а фактически – с момента закрытия выпускного клапана (линия, ПКВ за ВМТ) и частично протекает одновременно с продувкой. Окончание наполнения совпадает с приходом поршня в НМТ.

Дозарядка – поршень движется вверх по ходу сжатия, а впускной клапан некоторое время остается открытым до момента, соответствующего линиина диаграмме (ПКВ после НМТ). Воздух продолжает поступать в цилиндр по инерции и несколько увеличивает плотность заряда в цилиндре.

Принцип действия двухтактного дизеля

Из рассмотрения индикаторной диаграммы четырехтактного дизельного двигателя видно, что он только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Остальное время (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос. Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных дизелях, в которых рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Необходимая замена отработавших газов свежим воздухом происходит на небольшой части хода поршня в конце такта расширения и в начале такта сжатия, и составляет примерно 140 ÷ 150 ^оПКВ.

В отличие от четырехтактного, в двухтактном дизеле вместо впускных и выпускных клапанов в стенке цилиндра выполнены впускные (продувочные)ПОи выпускныеВОокна (рис. 20). Продувочным насосомПНвоздух нагнетается в воздушный ресиверР, и через продувочные окнаПОпоступает в цилиндр двигателя. Продукты сгорания топлива покидают цилиндр через выпускные окнаВОи выпускной патрубокВП. Открытие и закрытие продувочных и выпускных окон осуществляется телом поршня при его движении в цилиндре.

Рис. 20. Схема двухтактного

дизельного двигателя

Рабочий цикл двухтактного дизеля изображен на рис. 21 и состоит из следующих тактов:

Рис. 21. Рабочие процессы и индикаторная диаграмма двухтактного дизеля

Первый такт – сжатие. Поршень находится в НМТ. Продувочные и выпускные окна полностью открыты. При этом происходит продувка цилиндра, продолжающаяся до тех пор, пока поршень, двигаясь вверх, не перекроет продувочные окна (процессна диаграмме). При последующем движении поршень закроет выпускные окна, причем в период, изображенный на диаграмме линией, из цилиндра выталкивается часть свежего заряда воздуха. После закрытия поршнем выпускных окон, начинается сжатие воздуха, сопровождающееся повышением давления и температуры (процесс сжатия изображен на диаграмме линией). При подходе поршня к ВМТ в цилиндр впрыскивается мелко распыленное топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с горячим воздухом. Часть топлива (~ 40 %) сгорает при постоянном объеме при нахождении поршня вблизи ВМТ (процесс ).

Второйтакт–рабочий ход (расширение). Поршень начинает движение от ВМТ к НМТ. Оставшаяся часть топлива (~ 60 %) сгорает при постоянном давлении (процесс). После полного сгорания топлива происходит расширение горячих газов (линия), которое заканчивается, когда поршень своей кромкой откроет выпускные окна в точке 5. С этого момента начинается свободный выпуск отработавших газов, сопровождающийся резким понижением давления в цилиндре (процесс). В точке 6 поршень открывает продувочные окна и начинается продувка цилиндра – принудительное вытеснение из него потоком воздуха отработавших газов и заполнение свежим зарядом воздуха (процессыина диаграмме).

Теоретически при одинаковых размерах цилиндра и равных числах оборотов в минуту двухтактный дизель может развивать мощность в 2 раза большую, чем четырехтактный. В действительности мощность двухтактного дизеля (при прочих равных условиях) больше лишь в 1,7 ÷ 1,8 раза, чем у четырехтактного, так как часть хода поршня затрачивается на процессы выпуска и продувки. Кроме того на привод навешенного на двигатель продувочного насоса затрачивается 6 – 8 % мощности двигателя.

Весь процесс газообмена двухтактного дизеля можно условно разделить на следующие периоды (рис. 22):

Свободный выпуск– начинается с момента открытия поршнем выпускных окон (линия) и заканчивается в момент открытия поршнем продувочных окон (линия). В этот период происходит интенсивный выброс отработавших газов в выпускной тракт за счет перепада давлений в цилиндре (~ 0,45МПа) и в выхлопном патрубке (~ 0,14МПа).

Принудительный выпуск и продувка– начинаются в точкеdи заканчиваются в момент закрытия продувочных окон (линия). При этом происходит принудительное вытеснение отработавших газов продувочным воздухом и одновременное заполнение цилиндра свежим зарядом.

Рис. 22. Круговая диаграмма двухтакт-

ного дизельного двигателя.

Потеря заряда воздуха– объясняется тем, что верхние кромки выпускных окон расположены выше продувочных. Поршень при движении к ВМТ до момента закрытия выпускных окон (линия) успевает вытолкнуть через выпускные окна часть поступившего в цилиндр воздуха. Фаза потери заряда воздуха является нежелательной, поэтому существует ряд конструктивных решений для замены ее на фазу дозарядки. Например, вместо щелевой схемы продувки, описанной выше, используют прямоточную клапанно-щелевую схему. В таких конструкциях дизелей выпускные окна отсутствуют, а вместо них в крышке цилиндра устанавливается выпускной клапан, приводимый в действие от механизма газораспределения.