Двигатели внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания– это типдвигателя,тепловой машины, в которойхимическаяэнергиятоплива(обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное
Двигатель внутреннего сгорания– это типдвигателя,тепловой машины, в которойхимическаяэнергиятоплива(обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего врабочей зоне, преобразуется в механическуюработу.
К двигателям внутреннего сгорания относятсяпаровые машины,паровые турбины,двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей.
Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания относятся к относительно несовершенному типутепловых машин, благодаря своей автономности,ониочень широко распространены.
Дизель– поршневой двигатель внутреннего сгоранияс воспламенением топлива в цилиндре от сжатия.
В зависимости от способа осуществления рабочего цикла дизеля разделяют на четырёхтактные и двухтактные. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.
Существует другой принцип разделения дизелей– по частоте вращения. Малооборотные дизели с частотой вращения 100÷300мин–1 непосредственно приводят в движение судовой движитель. Среднеоборотными называют дизели с частотой вращения 300÷750 мин–1. Они приводят в движение судовой движитель через редуктор.
Приблизительно до конца 60–х годов на судах устанавливали реверсивные главные двигатели, позволяющие судну осуществлять задний ход. Только при малых мощностях для реверса дизеля использовали специальные устройства (реверсредукторы), дающие возможность маневрирования. В 60–х годах одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные дизели вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счёт этого конструкция двигателей упростилась.
Принцип действия четырёхтактного дизеля показан на рис. 11.17. В четырёхтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два поворота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня. Механическая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для подготовки.
При первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному. В дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух.
Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счёт чего повышаются температура и давление. Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.
Рис. 11.17. Принцип действия четырёхтактного дизеля (все четыре такта показаны последовательно слева направо)
При достижении давления 19,62÷39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94÷3,43 МПа и температура 550÷600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92÷4,91 МПа и 600÷700°С.
Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь.
Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува 4,41÷5,4 МПа, а в дизелях с наддувом – 5,89÷7,85 МПа. Под давлением силы, возникающей за счёт давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.
Рис.11.18. Принцип действия двухтактного дизеля
Во время четвёртого такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу. Четырёхтактные судовые дизели изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.
В рабочий цикл двухтактного дизеля входят два такта, или один оборот коленчатого вала (см. рис. 11.18). Первый такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении. Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается.
Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в четырёхтактном дизеле. Во время второго такта – рабочего (или расширения) – расширяющиеся газы совершают механическую работу. В конце этого такта впускные окна открываются поршнем, и процесс продувки цилиндра начинается снова. Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.
Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, который требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.
Наддув можно осуществлять за счёт предварительного сжатия воздуха перед цилиндром. Во всех выпускаемых четырёхтактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.
Принцип действия компрессора показан на рис. 11.19. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подаётся через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.
В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14÷0,25 МПа. На рис. 11.20 показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.
Рис. 11.19. Принцип действия газотурбинного нагнетателя:
1 – турбина, работающая на отработавших газах; 2 –отработавшие газы; 3 – свежий воздух; 4 – компрессор;5 –коленчатый вал; 6 – цилиндр; 7 –поршень
Двухтактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10÷12 цилиндрами. Диаметр цилиндров больших двухтактных дизелей достигает 1000 мм, ход – 1500÷2000 мм. Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29440 кВт составляет 2900÷3700 кВт. В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.
Рис. 11.20. Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля:а– предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра;b– одновременно происходит сжатие и всасывание;с– рабочий такт и предварительное сжатие;d– предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана
Двухтактные дизели имеют очень большие размеры и массу. Их удельная масса достигает 40÷55 кг/кВт. При мощности, например 14720 кВт, масса составляет 600÷800 т.
Четырёхтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель–генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя (см. рис. 11.21).
Рис. 11.21. Четырехтактный дизель (рядный двигатель):
1 – наддувочный агрегат; 2 – охладитель наддувочного воздуха; 3 – трубопровод отработавших газов; 4 – трубопровод наддувочного воздуха; 5 – трубопровод охлаждающей воды; 6 – масляный трубопровод; 7 – топливный трубопровод;
8 – распределительный вал; 9 – приводное колесо; 10 – промежуточные шестерни;11– приводное колесо коленчатого вала; 12 – коленчатый вал; 13 – шатун;
14 – поршень; 15 – цилиндровая гильза; 16 – камера охлаждающей воды;
17 – крышка цилиндра; 18 – выпускной клапан; 19 – впускной клапан; 20 – топливный клапан; 21 – штанга; 22 – топливный насос;23 – маслоразбрызгивающее кольцо; 24 – масляная ванна картера; 25 – станина двигателя; 26 – блок цилиндров
Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателядаёт следующие преимущества:
· увеличение надёжности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
· уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и так далее);
· уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет 14÷35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).
Среднеоборотные дизели используются также в дизель–электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.
Кроме рядных дизелей используются и V–образные четырёхтактные более сложные по конструкции (см. рис. 11.22), но и более компактные. Развал (угол между цилиндрами) составляет 45÷60°.
Рис. 11.22. Четырёхтактный дизель V–образной конструкции:
1 – поршень; 2 – цилиндровая гильза; 3 – коленчатый вал
Пуск дизеля на судне проводится сжатым воздухом из баллонов пускового воздуха, чемобеспечивается автономность работы и быстрота пуска (до 30 с).
На судах дизели используются в качестве главных и вспомогательных двигателей. Они более экономичны, по сравнению с турбинами, достаточно надёжны и просты в эксплуатации. Ресурс судовых дизелей относительно высок и составляет 30000÷100000ч.
Главные дизели предназначены для обеспечения хода судна, вспомогательные – для производства электроэнергии (дизель–генераторы).
К основным недостаткам дизелей следует отнести:
1. малую перегрузочную способность (не более 10 % номинальной мощности в течение 1 ч);
2. неравномерность хода.
Дата добавления: 2016-01-03; просмотров: 1838;