Судовые двигатели внутреннего сгорания

Минестерство образовании и науки Республики Казахстан Атырауский институт нефти и газа Механичесский факультет Кафедра «ТМО».

Курсовая работа По дисциплине: «Судовые энергетические установки».

Тема: «Судовые двигатели внутреннего сгорания».

Выполнил: студент 3 курса группы МТТ-12/І к/о Абдигани С.Ж.

Проверял: доцент кафедры «ТМО».

Петрова И.С.

Атырау — 2015.

Введение

Дизельные установки занимают ведущее место в транспортном флоте, причем их интенсивное развитие позволяет предположить, что они будут иметь преимущественное применение и на вновь строящихся судах. Так, в 1982 г. доля теплоходов в выпуске судов по количеству составляла 99,3%. Это объясняется в первую очередь их высокой энергетической эффективностью.

Коэффициент полезного действия дизеля достигает 45%, что определяет его топливную экономичность. Дизели надежны в работе, просты в обслуживании и ремонте, имеют ограниченный расход воздуха, мало подвержены влиянию атмосферных условий. Они обладают сравнительно низким температурным уровнем, простотой дистанционного автоматического управления. Положительными качествами дизелей являются их быстрый запуск, высокая приемистость, значительный тормозной момент, что особенно важно для транспортных установок. Судовые двигатели большой и средней мощности могут работать на тяжелом топливе, цена которого на мировом рынке значительно ниже цены дизельного топлива.

Цель выполнения курсового проекта состоит в том, чтобы усвоить классификации двигателей внутреннего сгорания, а также приобрести навыки в анализе его работы и устройства.

Исходя из цели курсового проекта, сформируем задачи:

Определить основные параметры рабочего процесса двигателя;

Построить индикаторную диаграмму рабочего процесса в координатах давление — объем;

Выполнить чертеж форм камер сгорания двигателей.

В ходе написания проекта использовались различные источники литературы, в том числе учебники, методическое пособие, а так же по ссылкам в интернете.

Глава І. Классификация двигателей внутреннего сгорания По назначению. В зависимости от назначения в народном хозяйстве применяют различные двигатели с теми или иными особенностями. По этому признаку различают судовые двигатели, предназначенные для установки на судах или других плавсредствах. Такие двигатели должны быть оборудованы в соответствии с требованиями Речного Регистра или Регистра России для привода судовых движителей или вспомогательных агрегатов.

Устанавливаемые на судах и плавсредствах двигатели делятся на главные и вспомогательные. Главным называют двигатель, являющийся источником энергии для выполнения основной задачи судна: у транспортных судов—приведение в действие судового, движителя, на судах и плавсредствах технического флота перемещение грунта (у земснарядов), или перекачивание нефтепродуктов (у нефтестанций) и др.

Остальные судовые двигатели относят к вспомогательным. Они предназначены для привода электрогенераторов судовых электростанций, лебедок, компрессоров, насосов и других механизмов.

Устанавливаемые на тепловозах двигатели называют тепловозными.

Промышленные двигатели предназначены для использования на наземных стационарных или передвижных установках: электростанциях, насосно-перекачивающих или ком прессорных станциях, холодильных установках рефрижераторов и т. д.

Широко распространены транспортные двигатели автомобильные и тракторные. Измененные и приспособленные для работы в других условиях (например, в качестве судовых) такие двигатели получили название конверсионных.

По мощности. Согласно классификации Центрального научно-исследовательского дизельного института (ЦНИДИ) двигатели по агрегатной мощности делят на 4 группы: менее 74 кВт — маломощные; 74—736 — средней мощности; более 736—7360— мощные; более 7360 кВт — сверхмощные.

Мощность главных судовых двигателей серийных судов доходит до 1600 кВт.

По способу осуществления рабочего цикла. В зависимости от того за сколько ходов поршня происходит рабочий процесс в цилиндре, различают четырех и двухтактные двигатели Последние могут быть с прямоточной продувкой, когда чистку и заполнение цилиндра осуществляет осевой поток воздуха. Впускные 1 и выпускные 2 органы расположены на противоположных концах цилиндра.

В некоторых двухтактных двигателях предусмотрена поперечная или контурная продувка. В этом случае продувочные потоки воздуха движутся в цилиндре по его контуру (рис. 7), совершая поворот у в. м. т. Продувочные 1 и выпускные 2 окна расположены в нижней части цилиндра на диаметрально противоположных его сторонах (рис. 7, а).

Двухтактный двигатель, у которого продувочные потоки воздуха сначала омывают днище поршня 3 (рис. 7,6), а затем, описав петлю, по контуру цилиндра направляются к выпускным окнам 2, расположенным над продувочными 1 на одной и той же стороне цилиндра, имеет петлевую продувку.

По характеру сгорания топлива. Как в двухтактных, так и в четырехтактных дизелях, работающих по циклу со смешанным сгоранием топлива, часть топлива сгорает при постоянном объеме (см. рис. 2, линия cz'), часть — при постоянном давлении (линия zz'). Существует цикл и со сгоранием топлива при постоянном объеме, когда все оно сгорает в момент нахождения поршня в в.м.т.

На рис. 8 изображены совмещенные диаграммы разных циклов. Следует оговориться, что для большей наглядности на диаграмме рис. 2 были не в соответствии с масштабом ординат раздвинуты линии всасывания а’а и выпуска r’r. В действительности разность давлений выпуска и впуска очень мала и в масштабе ординат, принятом на рис. 2, эти линии практически сливаются в одну вместе с линией? о, как, например, на рис. 8.

Нормальная диаграмма цикла со сгоранием при постоянном объеме (изохорный цикл) показана на рис. 8 сплошными линиями. На этой диаграмме r1a линия всасывания; — линия сжатия; C1Z1 — линия сгорания; Z1b, — линия расширения; bа — линия свободного выпуска; аr1 слившаяся с r1а,—линия принудительного выпуска.

Коэффициент полезного действия (к.п.д) рабочего цикла теплового двигателя зависит от разности максимальной и минимальной температур рабочего тела (газа, пара) чем она больше, тем выше к.п.д. В ДВС разность температур рабочего тела является функцией степени сжатия. Если сравнить циклы с одинаковыми степенями сжатия, то к.п.д. двигателей с изохорным циклом будет выше, чем к.п.д двигателей со смешанным сгоранием Положительное влияние повышения степени сжатия на к.п.д. заставляет стремиться к этому повышению. В двигателях с изохорным циклом такой путь труден, ибо связан со значительным ростом максимального давления цикла Рис 6 Конструктивные схемы прямоточной продувки двухтактных двигателей.

Рис 7 Типы поперечных и контурных продувок двухтактных двигателей Рис 8 Совмещенные диаграммы изохорного и смешанного циклов двигателей Диаграмма r1ac1z1ba1r на рис. 8 построена для степени сжатия e1=7. Здесь же построены диаграммы r2ac2z2ba2r (тонкие линии) изохорного и r2ac2z3z3bar (штрихи) смешанного циклов, соответствующие степени сжатия e2=14.Как видно из рисунка, при той же степени сжатия e2 максимальное давление рzз смешанного цикла будет ниже, чем давление рz2 изохорного. Значит, при смешанном цикле нагрузки на детали будут ниже, чем при изохорном, поэтому детали могут быть меньших размеров, а изготовлять их можно из более дешевых материалов.

Если сравнить смешанный и изохорный циклы при одинаковом их максимальном давлении (а в этом случае степень сжатия у изохорного будет меньше), то кпд двигателей смешанного цикла окажется выше. А отсюда и применимость циклов: двигатели низкого сжатия, например автомобильные, работают по изохорному циклу, двигатели высокого сжатия (дизели) — по смешанному.

Распространенность менее экономичных, чем дизели, двигателей низкого сжатия можно объяснить их надежностью, относительно простой конструкцией и меньшей шумностью в работе.

По способу воздухоснабжения цилиндров. В зависимости от способа заполнения цилиндров воздухом без повышения давления или под давлением выше атмосферного различают соответственно двигатели без наддува и с наддувом При наддуве создается повышенное давление воздуха в конце процесса наполнения, в результате чего в том же объеме цилиндра будет заключена большая масса воздуха, что позволит впрыскиваемого за цикл, а значит, увеличить работу и мощность двигателя Для создания наддува четырехтактные двигатели оборудуют компрессорами, подающими к впускным клапанам воздух под давлением выше атмосферного у двухтактных двигателей с наддувом продувочный воздух поступает под более высоким давлением, чем у двигателей без дополнительным компрессором, причем иногда не одним наддува. Для этого, кроме продувочного насоса, двигатели снабжают этого, кроме продувочного насоса, двигатели снабжают продувочного насоса, двигатели снабжают дополнительным компрессором, причем иногда не одним.

Рис 9 Схемы наддува двигателей Компрессор 4 (рис. 9, а), вырабатывающий надувочный воздух, может быть приведен в движение от коленчатого вала с помощью повышающей передачи 5 Такой наддув называют механическим Нагнетаемый компрессором 4 воздух поступает по трубе 3 в надувочный коллектор 2, а затем к впускным клапанам 1 цилиндров На механический наддув затрачивается часть полезной мощности двигателя и в результате снижает его экономичность, что особенно заметно при высоких давлениях наддува. Поэтому механический наддув широко не применяют На речном флоте встречается лишь один тип двигателя с механическим наддувом двигатель М 400.

Некоторые двигатели изготовляют с так называемым посторонним наддувом, когда надувочный воздух предварительно сжимает компрессор, приводимый от независимого источника энергии. Наиболее часто применяют двигатели с газотурбинным наддувом. В этом случае выпускные газы из цилиндров 1 (рис 9,6), поступающие в коллектор 2, а из него в корпус 3 газовой турбины, заставляют вращаться ротор 4, на одном валу с которым насажено рабочее колесо 5 компрессора. Засасываемый из атмосферы воздух поступает под давлением в надувочный коллектор 6, а оттуда в цилиндры при открытии впускных клапанов 7.

При газотурбинном наддуве утилизируют энергию выпускных газов, которая в двигателях без наддува искусственно погашается в глушителе Правда, с введением турбины повышается сопротивление выпуску, т. е. увеличивается затрата энергии на такт выпуска, но она меньше, чем при механическом наддуве, примерно в 3 раза. Поэтому газотурбинный наддув повышает экономичность работы двигателя В свою очередь различают газотурбинный наддув при постоянном давлении, когда выпускные газы из всех цилиндров поступают в общий выпускной коллектор, где вследствие большого объема выпускного коллектора давление газов перед турбиной близко к постоянному, а оттуда на лопатки газовой турбины, и импульсный.

Импульсный газотурбинный наддув применяют с целью лучшего использования энергии выпускных газов, для чего один или несколько выпускных трубопроводов с относительно малой площадью поперечного сечения соединяют цилиндры с неперекрывающимися фазами выпуска, в результате чего выпускные газы непрерывно поступают в турбину.

При импульсном наддуве используют и преобразователи импульсов. В этом случае выпускные газы подводят к турбине через преобразователь импульсов, состоящий из ряда сужающихся сопел и смесителей, предназначенных для выравнивания давления и расхода выпускных газов В двухтактных малогабаритных двигателях с импульсным наддувом обеспечивается постоянный газообмен в цилиндрах на всех режимах при одноступенчатом сжатии воздуха в турбокомпрессоре.

В двухтактных двигателях с контурными и прямоточными продувками применяют комбинированный наддув. В зависимости от способа подключения приводных компрессоров или турбокомпрессоров, различают три схемы наддува, с последовательным, с параллельным и с последовательно-параллельным подключением тех или других компрессоров.

Кроме перечисленных разновидностей газотурбинного наддува возможен также динамический, или волновой, наддув, при котором инерция и колебательное движение потоков газа в процессах впуска и выпуска способствуют улучшению наполнения цилиндров.

Иногда двигатель оборудуют устройством — волновым обменщиком, в котором давление выпускных газов используют непосредственно для сжатия надувочного воздуха (наддув тип, а «Компрекс»).

По роду применяемого топлива. Большинство двигателей работает на жидком топливе. Двигатели жидкого топлива делят на 2группы светлого (бензины, керосины и др.) и темного (дизельное, моторное, газотурбинное и др.) топлива. Двигатели, которые без конструктивных изменений могут работать на жидком топливе различных фракционных составов, называют многотопливными. Кроме них, существуют двухтопливные двигатели, которые могут работать на жидком или газообразном топливе и во время работы по необходимости их можно переводить с топлива одного вида на другой.

На наземных установках распространены газовые и газожидкостные двигатели. В первых используют газообразное топливо, которое воспламеняется принудительно электрической искрой или самовоспламеняется от сжатия, как у дизелей, работающих на жидком топливе. Достоинство газовых двигателей — малая токсичность выпускных газов.

Газожидкостные двигатели работают с воспламенением от сжатия. Основное топливо газообразное, а жидкое, в небольших количествах впрыскиваемое в цилиндр при подходе поршня к в.м.т., самовоспламеняется и поджигает основное газообразное топливо По способу воспламенения. В двигателях с внутренним смесеобразованием самовоспламенение смеси топлива и воздуха осуществляется благодаря высокой температуре в цилиндре, возникшей только в результате его сжатия В двигателях низкого сжатия самовоспламенение невозможно, поэтому в них предусмотрено принудительное зажигание топлива электрической искрой. Эти двигатели называют двигателями с искровым зажиганием в отличие от дизелей, называемых двигатели с самовоспламенением от сжатия.

Двигателестроительные заводы выпускают конвертируемые двигатели. Путем некоторых конструктивных изменений их можно преобразовать в двигатели с искровым зажиганием или в дизели.

По способу смесеобразования. В двигателях газовых и светлого жидкого топлива, как правило, предусматривают внешнее смесеобразование, т. е. в цилиндр поступает готовая горючая смесь топлива с воздухом. Эта смесь образуется в особом смесителе. -При использовании жидкого топлива смеситель называют карбюратором.

В двигателях с внутренним смесеобразованием воздух и топливо поступают в цилиндр раздельно, смешение их происходит внутри цилиндра. Организовать хорошее перемешивание топлива с воздухом при внутреннем смесеобразовании значительно труднее, чем при внешнем. Создать двигатели с внешним смесеобразованием для темного топлива не удается: если легкое светлое топливо в процессе смешения с воздухом испаряется, то темное остается в жидкой фазе и выпадает из смеси по пути в цилиндр, оседая на стенках коллекторов и патрубков У дизелей с внутренним смесеобразованием распыливание топлива может быть объемное, когда большая часть впрыскиваемого топлива распределяется в воздушном заряде, занимающем объем камеры сгорания; пленочное — большая часть впрыскиваемого топлива направляется на стенки камеры сгорания, образуя на них тонкую пленку, и лишь незначительная часть распыливается и перемешивается с воздушным зарядом за период впрыскивания и объемнопленочное, когда одна часть впрыскиваемого топлива распределяется в объеме воздушного заряда, а другая направляется на стенки камеры сгорания, образуя на них пленку.

По типу камер сгорания. Формы камер сгорания, образованные поверхностями днищ поршней и крышек (головок) цилиндров, используемые для смесеобразования, бывают различными. Образцом двигателя с камерой сгорания в поршне является дизель 6ЧСП 18/22, в котором для смесеобразования и сгорания используется камера в головке поршня, соединяющаяся с надпоршневым пространством горловиной с проходным сечением, обеспечивающим перетекание воздуха с малыми скоростями и небольшими перепадами давлений. В такой конструкции организованное вихреобразование обеспечивается за счет радиально-направленных потоков воздуха, перетекающих из кольцевого надпоршневого пространства внутрь камеры, либо за счет тангенциально направленных потоков, образующихся во входных каналах головки.

Если камера сгорания размещена в головке поршня и в крышке (головке) цилиндра или между днищами поршней, такой двигатель называют двигателем с открытой камерой сгорания и непосредственным впрыскиванием топлива.

Для создания однородной топливно-воздушной смеси при вихрекамерном способе смесеобразования используют принцип вихревого движения воздуха в надпоршневом пространстве. При пониженном давлении впрыскивания топлива и коэффициенте избытка воздуха это позволяет добиться более полного сгорания топлива в двигателях с небольшими диаметрами цилиндров (4Ч10,5/13). В вихрекамерном двигателе смесеобразование и сгорание топлива в основном происходят в вихревой камере.

В некоторых конструкциях высокооборотных дизелей предусмотрен предкамерный способ смесеобразования. В этом случае для смесеобразования используют перепад давлений, возникающий в результате предварительного частичного сгорания топлива, вводимого в предкамеру. При таком способе смесеобразования камера сгорания состоит из предкамеры, расположенной в крышке цилиндра, и основ ной камеры, заключенной между днищами поршня и крышки.

У воздушно-камерных двигателей для смесеобразования используют струю воздуха, создаваемую в дополнительной части — воздушной камере во время процесса сжатия. Во время процесса расширения воздух из камеры вытекает. Распыливание и смесеобразование происходят вне воздушной камеры.

По частоте вращения коленчатого вала. Согласно ГОСТ 10 448–80 двигатели делят на 5 групп:

I — рабочий режим при эксплуатации не контролируется, частота вращения коленчатого вала более 1800 мин-1;

II—двигатели без наддува, частота вращения коленчатого вала 1500 мин-1 и более;

III—двигатели с наддувом, частота вращения коленчатого вала 1500 мин-1 и более;

IV — частота вращения от 250 мин-1 до 1500 мин-1;

V — частота вращения менее 250 мин-1.

По быстроходности. Тепловые и динамические напряжения в двигателе зависят от средней скорости поршня, которая является функцией частоты вращения коленчатого вала и хода поршня. Так как за один оборот вала поршень делает 2 хода, то можно записать.

cm = 2sn/60.

где сm —- средняя скорость поршня, м/с;

s — ход поршня, м,.

n — частота вращения коленчатого вала, мин-1.

После сокращений сm = sn/30.

По скорости поршня. Двигатели по значению средней скорости поршня Делят на 3 группы:

сm<6,5 м/с —тихоходные;

сm= (6,5/9) м/с — средней быстроходности;

сm>9 м/с — быстроходные.

Чем выше средняя скорость поршня, тем двигатель при той же мощности компактнее, легче. Это очень большое преимущество двигателей средней быстроходности и быстроходных, так как при их установке можно уменьшить размеры машинного отделения и увеличить грузовместимость и грузоподъемность судна. Двигатель с небольшими габаритными размерами и массой можно для ремонта снять с судна целым агрегатом и отправить в цех, тогда как крупные ремонтируют на месте, в неудобных условиях.

Вместе с тем при высокой средней скорости поршня сокращается срок службы двигателя, снижается его экономичность (больше расход топлива и смазочного масла), повышается шум от работы. В связи с этими недостатками быстроходные двигатели устанавливают лишь на судах, где строго ограничены размеры машинного отделения. Основной серийный флот оснащен среднеоборотными тихоходными двигателями. На некрупных транзитных судах и местном флоте установлены двигатели средней быстроходности с частотой вращения 750—1500 мин-1 а на судах с подводными крыльями — быстроходные с частотой вращения до 1700мин-1.

По направлению вращения коленчатого вала. Двигатели конструируют левого и правого вращений. Направление (сторона) вращения определяют при взгляде с кормы (или от генератора) на верхнюю часть маховика.

Если в СЭУ два главных двигателя, работающих каждый на свой винт (двухвальная установка), то их ставят с разным направлением вращения. Не следует отождествлять левый (правый) двигатель с двигателем левого (правого) вращения. Левый или правый двигатель (двигатели левой или правой моделей) — это двигатель, предназначенный для установки по соответствующему борту в машинном отделении. В целях упрощения контроля работы двух двигателей сразу их стороны распределения размещают к диаметральной плоскости судна. Если двигатель левый, то при взгляде с кормы сторона распределения будет у него справа, у правого — слева. Следовательно, двигатели левой или правой моделей по своей компоновке являются зеркальными отображения ми один другого. Сочетание типа модели и направления вращения в двигателе может быть различным, т. е. левый двигатель может иметь как левое, так и правое вращение.

Для сообщения судну движения вперед и назад гребной винт должен вращаться в разных направлениях. Большая часть главных двигателей может работать при любом направлении вращения вала. Такие двигатели называют реверсивными. На флоте используют много двигателей нереверсивных, т. е. таких, которые работают лишь при одном направлении вращения коленчатого вала. Нереверсивными бывают и главные двигатели. В этом случае в составе СЭУ теплохода предусматривают реверсивную муфту позволяющую изменять направление вращения гребного винта при неизменном направлении вращения вала двигателя. Установка реверсивной муфты — это недостаток нереверсивных двигателей Их преимуществами являются упрощенная конструкция самого двигателя и увеличенный срок службы. Последнее объясняют тем, что реверсивная муфта позволяет отключить винт от вала двигателя, ибо каждый пуск двигателя увеличивает износ его трущихся деталей.

По конструктивному исполнению. До сих пор рассматривали двигатели простого действия, у которых рабочий процесс совершается только в одной полости цилиндра. Существуют двухтактные двигатели двойного действия, имеющие две рабочие полости. Такие двигатели изготовляют только крейцкопфными, в каждом цилиндре предусматривают две крышки, сверху и внизу.

Двигатели двойного действия развивают мощность примерно в 2 раза больше, чем двигатели простого действия, однако они недостаточно надежны: в очень тяжелых условиях работают поршень и особенно шток. Поэтому двигатели двойного действия в настоящее время не строят, хотя на морском флоте они еще сохранились. В современных дизелях нижнюю (подпоршневую) полость иногда используют как компрессор для выработки надувочного воздуха.

На судах почти не применяют двигатели с противоположно движущимися поршнями. Эти двигатели двухтактные, в каждом цилиндре которых по 2 механически связанных поршня, движущихся в противоположных направлениях. Между поршнями располагается камера сгорания.

Рис. 10 Схема двухтактного крейцкопфного двигателя По восприятию поршнем сил от бокового давления. В этом случае двигатели классифицируют на тронковые и крейцкопфные Все ранее описанные схемы двигателей относятся к тронковым: их поршень соединен пальцем непосредственно с шатуном. В крейцкопфном двигателе (рис. 10) поршень 2 штоком 1 соединен с крейцкопфом (ползуном) 3, который сцеплен с шатуном 5. Крейцкопф 3 движется в направляющих (параллелях) 4, препятствующих его горизонтальному смещению Крейцкопфные двигатели значительно выше тронковых, примерно на размер хода поршня, и, следовательно, тяжелее Преимущество их перед тронковыми — меньше изнашиваются детали цилиндропоршневой группы Это объясняют тем, что нормальную (по отношению к оси цилиндра) силу PN, получающуюся в результате разложения силы Р, действующей на поршень, воспринимает крейцкопф 3 В тронковом двигателе эта сила прижимает поршень к стенке цилиндра Крейцкопфные двигатели меньше расходуют смазочного масла Чем больше размеры и мощность дизелей, тем чаще их строят крейцкопфными По расположению и числу цилиндров. Чем больше число цилиндров, тем сложнее двигатель, поэтому увеличивать их можно до разумных пределов Однако чем больше число цилиндров, тем чаще следуют один за другим рабочие ходы и вал вращается равномернее. Кроме того, если предусмотрен пуск двигателя сжатым воздухом, то в двухтактном двигателе должно быть не менее четырех цилиндров, а в четырехтактном — не менее шести Только в этом случае при любом положении коленчатого вала по крайней мере один из поршней будет в пусковом положении: в начале хода расширения, когда сжатый воздух может сдвинуть поршень вниз. Если число цилиндров будет меньше указанного, то перед пуском двигателя его вал придется, вероятно, повернуть вручную для того, чтобы какой-нибудь поршень пришел в пусковое положение При выборе числа цилиндров стремятся уравновесить силы инерции движущихся частей и моментов этих сил с тем, чтобы двигатель не вызывал значительной вибрации корпуса судна. Подробнее об этом сказано ниже.

По расположению цилиндров различают двигатели однорядные, у них цилиндры располагают в один ряд вдоль коленчатого вала, и двухрядные, а также наклонные, вертикальные и горизонтальные В наклонных двигателях предусмотрен один ряд цилиндров, расположенных между вертикальной и горизонтальной плоскостями, проходящими вдоль оси коленчатого вала В вертикальных двигателях может быть один или несколько рядов цилиндров, расположенных в вертикальной плоскости над или под коленчатым валом Большинство судовых двигателей однорядные вертикальные. Один или несколько рядов цилиндров горизонтального двигателя расположены в горизонтальной плоскости.

Рис 11 Схема V образного двигателя Два параллельных ряда цилиндров с двумя коленчатыми валами образуют двухрядный двигатель. На флоте достаточно широко распространены V-образные двигатели Как видно из схемы этого двигателя (рис 11), оси цилиндров 3 и 4 разных рядов расположены под углом ф, равным 45—90° (угол развала цилиндров) Шатуны 2 и 5 двух цилиндров разных рядов работают на один кривошип 1 У V-образных двигателей меньше высота и масса, чем у одно рядных, в этом их большое преимущество, но они менее удобны в обслуживании.

Кроме перечисленных, промышленность выпускает оппозитные двигатели (2 ряда цилиндров расположены в одной плоскости с противоположных сторон от оси коленчатого вала), а также звездобразные, многоугольные с расположением рядов цилиндров в виде букв Н, X, W.

По способу отвода теплоты. В зависимости от того каким способом отводится теплота от нагретых при работе деталей, различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения. Все судовые двигатели оборудованы жидкостными системами охлаждения В качестве охлаждающих жидкостей применяют воду, масло и топливо: масло для охлаждения головок поршней, топливо — форсунок, воду — цилиндров и крышек (головок) цилиндров.

У двигателей с воздушным охлаждением цилиндры и головки делают оребренными для увеличения поверхности, омываемой воздухом Такие двигатели легче, чем двигатели с водяным охлаждением, проще и дешевле Они широко распространены в наземном транспорте.

Маркировка дизелей. Чтобы различить отдельные конструктивные разновидности двигателей, им присваивают марки.

Согласно ГОСТ 4393–82 обозначение дизеля должно включать сочетание чисел и букв:

в начале ставят цифру, обозначающую число цилиндров, затем буквы, означающие:

Ч — четырехтактный;

Д —двухтактный;

ДД — двухтактный двойного действия.

В обозначении могут стоять следующие буквы:

Р — реверсивный;

С — с реверсивной муфтой;

П — с редукторной передачей;

К — крейцкопфный;

Н — с наддувом;

Г — газовый.

Если этими особенностями двигатель не обладает, то соответствующие им буквы в обозначение не включают; после букв могут следовать сочетания 1А, 2А, ЗА, 4А, которые обозначают степень автоматизации двигателя в соответствии с ГОСТ 14 228–80; затем идет дробь, числитель которой означает диаметр цилиндра, знаменатель — ход поршня в сантиметрах. Иногда включают после дроби через тире цифру— порядковый номер модернизации двигателя (первая, вторая и т. д), но ГОСТ 4393–82 этого не оговаривает.

Например

4Ч10,5/13 — четырехцилиндровый четырехтактный дизель с диаметром цилиндра 10,5 см и ходом поршня 13 см,.

12ЧНС1А18/20— двенадцатицилиндровый четырехтактный дизель с наддувом и реверсивной муфтой, первой степени автоматизации, диаметр цилиндра 18 см, ход поршня 20 см;

8ЧНСП18/22 — восьмицилиндровый четырехтактный дизель с наддувом и реверс-редукторном, диаметр цилиндра 18 см, ход поршня 22 см Дизелестроительные заводы часто присваивают двигателям свои заводские марки, которые строят по произвольному принципу.

Так, например, двигателю 6ЧНСП18/22 завод «Дальдизель» присвоил четыре заводские марки в зависимости от модели и наличия дистанционного управления ДД01, ДД02, ДД03 и ДД04 Завод «Двигатель революции» выпускает двигатели Г60, Г70, Г70−5, которые по ГОСТ 4393–82 должны иметь обозначение 6ЧРН36/45.

Дизели, построенные в ГДР, ЧССР и ПНР, обозначают согласно стандартам и нормалям этих стран или их предприятий.

Обозначения двигателей, построенных в ГДР, первого поколения начинают с цифры, указывающей число цилиндров, затем следуют буквы, означающие:

Д (D) — дизель;

Ф (V) — четырехтактный;

H (N) —среднеходовой (отношение хода поршня к диаметру цилиндра 1,3; если это отношение меньше или равно 1,3, то ставят букву К);

А (А) —с наддувом;

У (U) —реверсивный;

C (S) —судовой с реверс-редукторном (с реверсивной муфтой).

После букв указывают ход поршня в сантиметрах.

Например, марка двигателя ГДР первого поколения.

8НФД48АУ — восьмицилиндровый среднеходовой четырехтактный дизель с ходом поршня 48 см, реверсивный с наддувом Для дизелей ГДР второго поколения наряду с принятыми обозначениями для первого поколения ставят в конце цифры-указатели модификации или цифры, показывающие различие частот вращения коленчатого вала Кроме того, применяют дополнительные буквы.

C (S)—дизель приспособлен для работы на тяжелом топливе;

Л (L)—дизель левого исполнения;

P® —правого исполнения;

р® — правого вращения;

л (l) — левого вращения.

Например, для дизелей марки НФД26А-2 последняя цифра «2» обозначает частоту вращения коленчатого вала 750 мин-1 Если же стоит в конце марки двигателя цифра «3», то его частота вращения равна 1000 мин-1 Цифра «2» в марке 6(8)НФД48(А)-2У означает, что дизель относится ко второму поколению Дизели третьего поколения имеют марки 6(8)ФД26/20 АЛ-1(2, 3). В них цифры обозначают: в числителе — ход поршня (см), в знаменателе — диаметр цилиндра (см), последние цифры 1,2,3 — конструктивные варианты дизелей с разным средним эффективным давлением.

Обозначать марку дизеля с числа цилиндров принято и в ЧССР, но в отличие от марки двигателей ГДР в нее включен диаметр цилиндра в сантиметрах. Буквы в данном случае означают:

Л (L) —судовой (нереверсивный с реверс-редуктором или для непосредственного привода электрогенератора);

С (S) —стационарный, ПН (PN) — с наддувом;

P® — реверсивный;

р ® — с ручным приводом реверса;

А, В, С — тип дизеля Кроме того, в обозначение введены цифры, характеризующие степень наддува: 1 — низкий, 2 и 3 — средний, 4— высокий.

Например, обозначение дизеля, изготовленного в ЧССР 6−27,5А2Л — шестицилиндровый с диаметром цилиндра 27,5 см, типа А, судовой со средним наддувом Климатическое исполнение. Машины, приборы и другие технические изделия, а следовательно, и дизели могут быть выпущены в нескольких исполнениях, в зависимости от того для работы в каком климатическом районе они предназначены.

Каждому климатическому исполнению отечественного изделия присваивают условное обозначение — букву русского алфавита Аналогичные исполнения изделий, выпускаемых некоторыми странами СЭВ, обозначают буквами латинского алфавита, приводимыми ниже в скобках.

Почти вся европейская часть СССР относится к макроклиматическому району с умеренным климатом. Изделиям этого климатического исполнения присвоено обозначение У (N). Для районов с холодным климатом, к которым относится крайний север европейской части России и большая часть Сибири, выпускают изделия исполнения XЛ (F).

Район Каспийского моря и южное побережье Черного моря имеют сухой тропический климат, для которого выпускают изделия исполнения ТС (ТА) или Т (Т), причем исполнение Т предусматривает возможность работы изделия и в районах с влажным тропическим климатом.

Особые обозначения климатических исполнений предусмотрены для изделий, используемых на морских судах, а именно:

для умеренного холодного морского климата, т. е. для районов, расположенных севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты, М (М);

для тропического морского климата при плавании только в тропической зоне — ТМ (МТ);

для неограниченного района плавания — ОМ (MU.). Если изделие может работать во всех макроклиматических районах на суше и на море, то его выпускают исполнения В (W).

Глава ІІ. Физико-химические свойства топлива для дизелей Виды топлива. Топливом называют горючие вещества, сжигаемые в целях получения тепловой энергии. В судовых двигателях применяют лишь жидкое топливо, на береговых установках и на автомобильном транспорте встречаются газовые двигатели. Твердое топливо в ДВС не применяют.

Основным видом жидкого топлива являются продукты переработки нефти. Жидкое топливо может быть получено также путем переработки угля, сланцев или путем синтеза, но на отечественном флоте такое топливо не используют.

Газообразных топлив много. Хорошо известны естественный газ, попутный газ нефтяных месторождений, газ, образующийся при переработке нефти, колошниковый газ металлургических заводов. Некоторые газы получают искусственно. На автотранспорте применяют смесь пропана и бутана. В специальных газогенераторах можно газифицировать твердое топливо, т. е. превратить в газ. Этим перечислением виды газообразного топлива далеко не исчерпаны.

Как показал опыт эксплуатации автомобилей, выпускные газы от сжигания газообразного топлива менее токсичны. Однако переводить судовые двигатели на газ нерационально: баллоны для хранения топлива громоздки и масса их больше.

Состав топлива. Основными химическими элементами, входящими в состав топлива, являются углерод и водород. Содержание углерода в нефти и нефтепродуктах составляет 83—87%, водорода 11—14% всей массы топлива.

Как правило, топливо содержит серу. Хотя этот элемент и горючий, он является вредной примесью. При сгорании серы образуются сернистый и серный ангидриды, вызывающие коррозию металлов, а при соединении с водой образующие еще более коррозионно-активные сернистую и серную кислоты.

Сера может находиться в топливе в виде различных соединений. Некоторые из них: сероводород, меркаптаны (органические соединения типа RSH, где R — углеводородный радикал, например СНз)—являются активно воздействующими на металлы и вызывают коррозию поверхностей, в частности деталей топливной аппаратуры. Общая доля серы в нефти доходит до 7%, наличие сероводорода в топливе для дизелей стандартами не допускается.

В том или ином количестве в топливе содержатся кислород и азот. Кислород входит в состав различных соединений: органических кислот, смол и других нежелательных примесей. Азотистые соединения на качество топлива не влияют. Доля их в топливе невелика: кислорода до 1%, азота 0,1−0,2%.

В составе тяжелых топлив может быть ванадий. Если его доля будет более 0,001%, то образующаяся при сгорании топлива пятиокись ванадия приведет к активной коррозии деталей, соприкасающихся с продуктами сгорания при высокой температуре.

Нежелательная составная часть нефтепродуктов высокомолекулярные соединения с плотностью, превышающей 1 г/см3, называемые смолами. Значительная доля смол в топливе вызывает отложение нагара на стенках цилиндра и поршневых кольцах, увеличивает образование осадков в топливе, способствует нарушению работы топливной системы и повышает коррозионную активность топлива. Нормальным можно считать содержание фактических смол до 50—70 мг в 100 мл топлива.

Из остальных веществ, которые может содержать топливо, следует назвать водорастворимые кислоты и щелочи, механические примеси, воду. Кислот и щелочей в топливе быть не должно, так как они вызывают коррозию деталей и стенок емкостей, в которых хранится топливо. Механические примеси загрязняют топливную систему, способствуют изнашиванию деталей топливной аппаратуры. В связи с этим даже в тяжелых топливах механических примесей не должно быть больше 0,2%.

Вода может нарушить нормальную работу двигателя, способствует коррозии и изнашиванию деталей. В тяжелых топливах она образует эмульсию, разрушить которую очень трудно. Поэтому долю воды в тяжелом топливе до 1,5% считают нормальной. В легких топливах вода не должна быть.

Теплота сгорания топлива. Основным показателем, определяющим ценность топлива как источника тепловой энергии, является теплота сгорания, выделяющаяся при полном сгорании 1 кг топлива.

Поскольку в топливе содержится водород, при его сгорании образуется водяной пар. Известно, что при конденсации водяного пара выделяется теплота. Следовательно, после сгорания 1 кг топлива выделится теплота как результат окисления углерода и водорода — низшая теплота сгорания, так и вследствие конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода. Оба этих слагаемых в сумме называют высшей теплотой сгорания.

В двигателях внутреннего сгорания отработавший газ выходит из цилиндра при температуре значительно выше 373 К Это значит, что водяной пар конденсироваться внутри цилиндра не будет и теплота, выделяющаяся при его конденсации, использованной быть не может. Поэтому при оценке эффективности работы двигателей внутреннего сгорания учитывают только низшую теплоту сгорания. Теплота сгорания жидкого нефтетоплива колеблется в нешироких пределах Так, низшая теплота сгорания:

бензина составляет 44 000—46 000 кДж/кг, дизельного топлива — 41 000—43 000,.

газотурбинного — порядка 40 000 кДж/кг Для упрощения планирования и отчетности по расходу топлив с различной теплотой сгорания введено понятие условного топлива, т. е. топлива с теплотой сгорания 29 308 кДж/кг.

Например, если израсходована 1 т дизельного топлива с теплотой сгорания 42 500 кДж/42 500 кг, то это будет соответствовать.

42 500/29308 = 1,45 т условного топлива Фракционный состав. Он характеризует долю углеводородов в процентах (по объему), выкипающих до той или иной температуры, а также однородность топлива. На специальной лабораторной установке устанавливают, при какой температуре испаряется 50 и 96% топлива. Иногда определяют температуру, при которой испаряется 10% топлива, а для тяжелых топлив находят обратную величину.

Чем уже фракционный состав топлива, тем лучше оно сгорает в двигателе.

Например, если 50% топлива одной марки испаряется при 250 °C, 96% при 340 °C, т. е. разность 90 °C, а у топлива другой марки — разность 60 °C (при 280 °C и 340 °С), то последнее топливо более качественно. Наличие в топливе легких фракций, снижающих температуру испарения до 200 °C и ниже, облегчает пуск двигателя, но приводит к более жесткой его работе (см. § 6). Тяжелые углеводороды, выкипающие при температуре выше 623 К, ухудшают смесеобразование, способствуют дымной работе двигателя и отложению нагара. В малооборотных двигателях топливо с тяжелыми фракциями сгорает достаточно качественно.

Вязкость. Качество распыливания топлива сильно зависит от вязкости топлива, т. е. свойства жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц под действием внешней силы.

Различают кинематическую вязкость, выражаемую в м2/с, и динамическую — в Па· с. Единица кинематической вязкости (м2/с) равна кинематической вязкости среды плотностью 1 кг/м3, динамическая вязкость которой равна 1 Па· с.

В зарубежных документах и инструкциях, с которыми приходится сталкиваться при заходе в иностранные порты и при обслуживании техники, построенной в других странах, встречается вязкость, заданная по времени истечения в различных условиях: по Редвуду (R1, с) и по Сейболту (SU, с).

При повышении температуры жидкости вязкость ее уменьшается. Поэтому значение вязкости всегда указывают со ссылкой на температуру, при которой она определена.

Топливо хорошо прокачивается через систему и свободно распыливается при вязкости до 8· 10−6 м2/с при 20 °C. Если вязкость выше, то применять топливо без подогрева трудно. Вязкость топлива меньше 1,5· 10−6 м2/с при 20 °C тоже нежелательна. Дело в том, что топливо является смазочной жидкостью для топливных насосов и форсунок, и если вязкость его будет мала, то работа топливной аппаратуры станет ненадежной.

Температурные характеристики. Применимость топлива при низких температурах окружающей среды зависит от температур его застывания и помутнения.

Температурой застывания называют такую температуру, при которой уровень топлива в пробирке при ее наклоне на 45° остается неподвижным в течение 1 мин, т. е. прекращается текучесть топлива. При температуре помутнения в топливе появляются кристаллы парафина или других углеводородов, способные забить топливную систему (прежде всего фильтры) и нарушить подачу топлива в цилиндры.

При температуре вспышки пары топлива, подогреваемого в специальном приборе, вспыхивают при поднесении открытого огня к отверстию, имеющемуся в крышке прибора. Эта температура определяет степень пожарной опасности топлива. Согласно Правилам Речного Регистра РСФСР температура вспышки топлива, применяющегося для судовых двигателей, должна быть не ниже 333 К. Регистр России, правилам которого должны соответствовать суда, выходящие в море, допускает в отдельных случаях применять топливо с температурой вспышки не ниже 316 К, но оговаривает для этих случаев повышенные требования к обеспечению пожарной безопасности.

С точки зрения использования топлива в дизеле важной характеристикой является температура самовоспламенения, при которой частицы топлива, находящегося в контакте с воздухом, воспламеняются без какого-либо особого источника зажигания. Отсюда температура воздуха в цилиндре к концу сжатия должна быть выше температуры самовоспламенения топлива в самых неблагоприятных условиях, например при пуске холодного дизеля.

Прямой связи между температурой самовоспламенения и температурой вспышки нет. Однако тяжелые углеводороды имеют более низкую температуру самовоспламенения, чем легкие того же ряда. Поэтому обычно у топлив с низкой температурой вспышки более высокая температура самовоспламенения.

Прочие свойства топлива. При изготовлении топлива определяют долю серы и некоторых ее соединений Государственными стандартами предусматривают его испытание на медной пластинке: в топливо на определенное время помещают пластинку из электролитической меди, после чего смотрят, изменился ли цвет ее поверхности. Если медь не покрылась специфичными пятнами, то активных сернистых соединений или свободной серы в топливе нет, значит, оно выдержало испытание Согласно стандартам, все марки дизельного топлива это испытание должны выдерживать. Для тяжелых топлив (газотурбинного, моторного) испытание на медной пластинке не предусматривают.

В качественные показатели топлива входят его коксуемость и зольность Коксом называют остаток, образованный после испарения топлива при высокой температуре и без воздуха. Чтобы повысить точность лабораторного опыта, у дизельных топлив определяют коксуемость 10%-ного остатка пробы после испарения остальных 90%.

Зола — это неорганическая составляющая топлива. Для определения зольности топливо выпаривают, а образовавшийся остаток прокаливают, получая золу.

Кокс и зола, откладываясь на стенках и кольцах, увеличивают изнашивание цилиндра, способствуют пригоранию поршневых колец, закоксовыванию форсунок. Доля кокса у тяжелых топлив доходит до 10%, зольность — до 0,15%. У дизельного топлива коксуемость и зольность значительно ниже.

Как известно, в топливе могут быть водорастворимые кислоты и щелочи. Кроме того, в нем присутствуют органические кислоты, содержание которых характеризует показатель, называемый кислотностью, т е количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 см³ топлива. Во избежание коррозии деталей топливной аппаратуры кислотность топлива не должна превышать 5 мг КОН на 100 мл.

Согласно стандартам на топливо требуется определять его коэффициент фильтруемости. В соответствующем приборе измеряют время, необходимое для прохождения каждой из десяти порций по 2 см³ топлива через фильтровальную бумагу Коэффициентом фильтруемости называют отношение времени фильтрации десятой порции ко времени первой. Если коэффициент фильтруемости будет 5 и более при прохождении не десятой, а одной из предыдущих порций, то на этом испытание прекращают.

При длительном хранении в топливе окисляются углеводороды, в результате чего увеличивается в нем доля смол Интенсивность смолообразования зависит от ряда внешних факторов: температуры, поверхности соприкосновения топлива с воздухом, а также от содержания в топливе непредельных углеводородов, склонных к окислению Их количество характеризует йодное число, т е количество йода в граммах, присоединяющегося к непредельным углеводородам, содержащимся в 100 г топлива. Йодное число стандарты нормируют не для всех топлив.

Также не для всех топлив нормирована его плотность, однако определять ее следует обязательно: нужна для расчетов. Плотность нефтепродуктов (г/см3) определяют при их температуре 293 К, делят на плотность воды при 277 К, принятую за единицу, и обозначают p. Плотность дизельного топлива составляет 0,8—0,86 г/см3, у моторного, предназначенного для малооборотных дизелей, она достигает 0,97 г/см3.

Для улучшения естественных свойств в топливо вводят присадки. В последние годы разрабатывают присадки, снижающие изнашивание и нагарообразование, предотвращающие коррозию, способствующие лучшему распыливанию топлива.

Глава ІІІ.Смесеобразование и сгорание топлива в цилиндрах дизеля Топливо для дизеля. Для быстроходных и газотурбинных двигателей согласно ГОСТ 305–82 в зависимости от условий использования применяют дизельное топливо трёх марок:

Л (летнее) — для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0? С и выше;

З (зимнее) — для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 20 С и выше (температура застывания самого топлива не выше минус 35 С) и минус 30 С (температура застывания топлива не выше минус 45С);

А (арктическое) — для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 50 С и выше.

По содержанию серы дизельные топлива подразделяют на 2 вида:

I-массовая доля серы не более 0.2%;

IIмассовая доля серы не более 0.5% (для топлива марки, А не более 0.4%).

В обозначение марки входит цифра, характеризующая долю серы. Например, марка Л-0.2−40 ГОСТ 305–82 означает топливо летнее с массовой долей серы до 0.2% и температурой вспышки 40? С; марка 3−0.2-минус 35 ГОСТ 305–82 — топливо зимнее с массовой долей серы до 0.2% и температурой застывания минус 35? С; марка А-0.4 ГОСТ 305–82 — топливо арктическое с массовой долей серы 0.4%.

Содержание сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей, воды в топливе по ГОСТ 305–82 не допускается. Указанное топливо относится к числу дистиллятных, т. е. получено путём прямой перегонки нефти. Малои среднеоборотные дизели могут успешно работать на более тяжёлых топливах, относящихся к группе остаточных, получаемых из мазута прямой перегонки, или к смесям остаточных и дистиллятных. В частности, на речном флоте широко используют остаточное топливо по ГОСТ 10 433–75, предназначенное для локомотивных газотурбинных двигателей и называемое газотурбинным. Оно более вязкое, чем дизельное, но его можно применять без подогревания. Для него нормированы плотность (не более 935 кг/м? при 293 К), низшая теплота сгорания (не ниже 39 800 к Дж/кг) и массовая доля ванадия (не более 0.0007)%. Смолистость газотурбинного топлива в отличие от остальных топлив задана в процентах, её определяют другим способом. Сравнивать этот показатель с концентрацией фактических смол в топливе нельзя, но тем не менее ясно, что газотурбинное может содержать их значительно больше, чем дизельное. На речном флоте применяют топлива с массовой долей смол до 8−10%, но использовать эти топлива трудно. Следует учесть, что высокое йодное число свидетельствует о наличие в этом топливе непредельных углеводородов, т. е. о возможности увеличения смол при хранении. Механические примеси допускаются в газотурбинном топливе до 0.04%.

Стоимость газотурбинного топлива несколько ниже. Чем топлива по ГОСТ 305–82. Невысока стоимость и моторного топлива поГОСТ1667−68. Получаемого смешением остаточных и дистиллятных фракций и предназначенного для среднеи малооборотных дизелей. Его выпускают двух марок: ДТ — для среднеи малооборотных дизелей; ДМ — для судовых малооборотных дизелей.

Моторное топливо, особенно ДМ, — высоковязкое, для его применения необходим подогрев. Стандарт оговаривает возможность поставки моторного топлива с повышенными температурами застывания: ДТ до +10 ?С; ДМ до +20 ?С. Доля серы в топливе ДТ может быть до 2%. Механических примесей в топливе может быть: в ДТ до 0.1%, в ДМ до 0.2%, воды в ДТ до 1%, в ДМ до 1.5%. В топливе, транспортировавшемся на судах, доля воды допускается до 2%.

У топлива ДТ и в ещё большей степени у ДМ повышены коксуемость (для топлива ДТ, вырабатываемого из сернистых нефтей, она допускается до 4%) и зольность. Это нельзя не учитывать при подборе смазочного масла, о чём изложено ниже.

ГОСТ 1667–68 нормирует плотность моторного топлива: не более 930 кг/м? для ДТ и не более 970 кг/м? для ДМ при +20 ?С.

Для снижения себестоимости перевозок необходимо широко применять моторное топливо ДТ.

Понятие о смесеобразовании. Смесеобразованием называют процесс приготовления горючей смеси в целях подготовки топлива к сгоранию. На смесеобразование отводится в зависимости от быстроходности дизеля от 0.06 до 0.0005 с. В течении этого короткого времени топливо должно быть раздробленно на мельчайшие частицы и равномерно распределено в воздухе, находящемся в камере сгорания.

Распыливание топлива происходит в момент его вспрыскивания в цилиндр из сопловых отверстий распылителя форсунки. Совокупность частиц распылённого и испарившегося топлива, образовавшаяся на выходе из соплового отверстия форсунки, называют струёй топлива, характеризуемого углом рассеивания? и длиной ?.Угол? между диаметрально противоположными образующими конуса, охватывающего оси струёй топлива многоструйного распылителя форсунки. Называют углом вспрыскивания.

Длина ?, углы рассеивания? и впрыскивания? должны быть обязательно согласованы с формой камеры сгорания: комплекс струй должен охватывать весь объём камеры, но частицы топлива не должны попадать на охлаждаемые поверхности, так как там они будут оседать и коксоваться.

Рис. 12 Направление струй топлива из отверстий распылителя форсунки Желательно иметь большое количество струй, обусловленное числом сопловых отверстий распылителя форсунки: чем больше струй, тем равномернее распределяется топливо в воздушном объёме камеры сгорания. Однако как бы небыли совершенны формы камер сгорания и распыливания топлива, при впрыскивании топлива отдельными струями оно не будет перемешано со всем воздухом, если последний будет неподвижен. Следовательно, для наиболее совершенного смесеобразования необходимо, чтобы в момент впрыскивания топлива в воздухе, заполняющим камеру сгорания, были вихревые движения Распыливание топлива. Сопловые отверстия распылителя форсунки являются каналами, в 4−7 раз больше их диаметра. Вследствие трения внешнего слоя струи топлива о стенки канала скорость перемещения частиц топлива внутри струи разная: она тем выше, чем ближе находится слой топлива к оси канала. Значит, распад основной струи топлива на отдельные струи начинается ещё в сопловом канале. При выходе из него струи встречают сильное сопротивление сжатого воздуха, заполняющего камеру сгорания. Частицы топлива дробятся, уменьшаются в результате испарения, отклоняясь дальше от оси канала. В результате монолитная в начале струя, распадаясь, образует подобие факела, состоящего из паров топлива, воздуха и остаточных газов. Топливо самовоспламеняется практически во время дробления струй Размеры струй зависят от свойств топлива, формы сопловых каналов и сопротивления воздуха. На продолжительность процесса распыливания топлива влияют его поверхностное натяжение, вязкость и плотность. При значительных поверхностном натяжении и вязкости дробление топлива затрудняется, уменьшается угол рассеивания струи, а её длина увеличивается.

Форма и частота сопловых каналов влияет на образование вихрей внутри струи топлива. При значительной длине соплового канала, его острых кромках и шероховатости топливо дробится быстрее, угол рассеивания струи снаружи увеличивается, а длина уменьшается. Сопротивление, оказываемое сжатым воздухом в камере сгорания струям топлива, зависит от скорости его истечения из сопловых отверстий распылителя форсунки. Для качественного смесеобразования скорость истечения топлива должна быть 250- 359 м/с. С повышением её происходит более мелкое и равномерное дробление топлива и увеличивается длина струи.

Скорость истечения топлива при определённой впрыскиваемой дозе зависит от разности давления вспрыскивания воздуха в цилиндре и от суммарного поперечного сечения сопловых отверстий распылителя. У форсунок двигателя в распылителе предусматривают 6−8 сопловых отверстий диаметром от 0.2 до 0.5 мм. В таких условиях для получения указанной скорости истечения топлива давление впрыскивания должно быть 40−80 МПа и выше.

топливо цилиндр дизель смесеобразование Таблица 1.

Продолжительность впрыскивания топлива составляет 15−40? угла поворота коленчатого вала, а у быстроходных двигателей ещё больше. Для улучшения процесса смесеобразования необходимо, чтобы скорость впрыскивания возросла и её максимум был в конце впрыскивания. Тогда каждая последующая доза впрыскиваемого в цилиндр топлива будет проникать в наиболее дальние объёмы воздуха, ещё не принявшие участия в процессе горения. В связи с этим профиль шайбы для топливного насоса высокого давления делают таким, чтобы давление впрыскивания сразу же начинало возрастать с момента начала подъёма плунжера. Начальное давление впрыскивания форсунок судовых дизелей составляет 18−38 МПа.

Формы камер сгорания и способы смесеобразования. Для обеспечения наиболее полного и равномерного заполнения объёма камеры сгорания микрокаплями топлива, образовавшимися при распыливании, форма камеры сгорания должна быть согласованна с числом, диаметром и направлением сопловых каналов форсунки Чтобы обеспечивать качественное образование смеси топлива и воздуха в дизелях, работающих в разных условиях, на различных видах топлива, с разными диаметрами цилиндров применяют объёмный, пленочный, объёмно-плёночный, предкамерный и вихрекамерный способы смесеобразования.

Камеры сгорания по конструкции бывают неразделённые и разделённые. В неразделённых камерах применяются объёмный, плёночный и объёмно-плёночный способы смесеобразования.

В основе принципа объёмного смесеобразования впрыскивание топлива через многоструйный распылитель форсунки непосредственно в камеру сгорания и равномерное распыление микрочастиц топлива по всему её объёму.

При полусферической форме камеры сгорания основная масса воздуха сосредоточена в районе форсунки, что позволяет уменьшить длину струи и увеличить угол его рассеивания. В данном случае угол распыливания? меньше, чем в остальных камерах сгорания. При полусферической форме камеры исключено попадание частичек топлива на охлаждаемые поверхности. Вместе с тем при такой форме камеры хуже условия для отвода теплоты от днища поршня: тепловой поток должен направляться в низ, тогда как края днища направлены в верх. существуют места, как, например, в центре камеры, не охватываемые струями топлива. В связи с указанным при полусферической формы камеры особенно необходимо вихревое движение воздуха.

В двухтактных двигателях форма днища поршня затрудняет продувку цилиндра. Поэтому более эффективную камеру сгорания создают в двухтактных двигателях в днище крышки цилиндра при плоском днище поршня Рис 13. Формы камер сгорания двигателей а? НФД48 б? НФД26 в? Д50 г? Л275 д-ЧСП18/22 е? ДР 30/50.

Наиболее соответствует формам струй топлива камера сгорания Гессельмана. В отличие от рассмотренной камеры основная масса воздуха сосредотачивается в дали от форсунки. Чтобы частички топлива не падали на охлаждаемые стенки цилиндра, по краям поршня предусматривают высокие бурты. Условия для качественного смесеобразования при такой камере лучше. Однако бурты и выступающая средняя часть днища поршня перегреваются, из-за чего закоксовываются верхние уплотнительные кольца. Вихревое движение воздуха в камере сгорания создаётся в процессе наполнения цилиндра: воздух в следствии того, что выпускной клапан смещён в сторону от оси цилиндра, завихряется. При ходе сжатия появятся вихревые потоки воздуха, обусловленные неплоской формой днища поршня или крышки цилиндра. В этом отношении камера более удачна, чем ранее рассмотренные камеры. При впрыскивании топлива вихревое движение воздуха возникает из-за поглощения им кинетической энергии струй топлива.

Однако все перечисленные вихри слабы и не организованны. Сильный организованный вихрь в двухтактных двигателях можно создать, если соответствующим образом направить продувочные окна. В четырёхтактных двигателях, чтобы создать круговой вихрь в поступающем в цилиндр воздухе, иногда выполняют криволинейным канал крышки цилиндра, по которому поступает воздух к впускному клапану.

Объёмный способ смесеобразования в неразделённых камерах практически у всех типов двигателей с диаметром цилиндра более 150 мм. Основные достоинства этого способа — простая конструкция камер сгорания, высокая экономичность двигателя при умеренных степенях сжатия (?=12?17), хорошие пусковые качества, компактность элементов системы охлаждения. Его недостатки — необходимо обеспечивать высокие значения коэффициента избытка воздуха (?=1.8?2.2) для достижения полного сгорания топлива и высокие давления впрыскивания топлива. В связи с этим требования к качеству топливной аппаратуры повышаются. Поэтому в двигателях с небольшим объёмом цилиндров (менее 150 мм) применяют другие способы смесеобразования.

Стремление улучшить процесс смесеобразования привело к созданию так называемых полуразделённых камер сгорания, расположенных в головке поршня.

Для плёночного смесеобразования необходимо значительную часть (90−95%) впрыскиваемой дозы топлива подавать на стенки камеры сгорания под небольшим углом, обеспечивающим растекание топлива тонким слоем, а около стенки организовать вихри путём перетекания воздуха из пространства над поршнем в камеру внутри самого поршня при ходе сжатия. Интенсивность вихрей будет увеличиваться при приближение поршня к в. м. т. Массивные не охлаждаемые стенки камеры способствуют быстрому воспламенению паров топлива.

Чисто плёночное смесеобразование явилось этапом на пути совершенствования способов образования горючих смесей. Из-за недостатков двигателя (сложность доводки рабочего процесса, низкие пусковые качества двигателя, дымность при работе на малых нагрузках) этот способ применяют ограниченно, но он вошёл как составная часть в объёмно-плёночный способ смесеобразования. Этот способ является одним из наиболее совершенных для высокооборотных дизелей с небольшими диаметрами цилиндров. Камера сгорания размещена так же, как и при плёночном способе, в поршне, но форсунка расположена в центре крышки цилиндра по его оси, а не под углом.

Топливные струи (40−60% всей дозы), направляемые на кромку горловины, растекаются тонким слоем по стенкам камеры и испаряются. Пары перемешиваются с воздухом благодаря интенсивному вихреобразованию вследствие вытеснения заряда из надпоршневого пространства при подходе поршня к.в.м.т.

У дизелей с объёмно-плёночным смесеобразованием умеренные значения максимального давления цикла [p =(6?7.5) МПа], сравнительно низкий удельный расход топлива [g?=(217?245) г/(кВт· ч)]. Достигается почти полное сгорание топлива при небольшом значении коэффициента избытка воздуха (??1.5).

Объёмно-плёночный способ смесеобразования применяется в дизелях с диаметром цилиндров 70−300 мм.

Рис 14. Вихревая камера Основной недостаток рассмотренных неразделённых камер — неполное сгорание форм камеры сгорания и размеров струй распылённого топлива. Кроме того, из-за влияния качества топлива на условия смесеобразования ограничено использование в таких двигателях топлив различных марок. В этом отношении зарекомендовали себя положительно так называемые разделённые камеры, состоящие из двух полостей: надпоршневой и соединённой с ней одним или несколькими каналами отделенной полости в крышке. На речном флоте широко распространены вихревые камеры разновидность многокамерного смесеобразования. При этом способе в крышке цилиндра расположена вихревая камера сферической формы. Она соединена каналом с пространством над поршнем. К приходу поршня в в. м. т. В ней находится до70−80% всего объёма воздуха, остальные 20−30% в канале и в надпоршневом пространстве. При ходе сжатия воздух из цилиндра по каналу перетекает в вихревую камеру, где появляются закономерные круговые вихри.

Форсунка впрыскивает топливо внутрь вихревой камеры, где и сгорает его основная часть. В последующем, по мере перетекания газов из вихревой камеры в цилиндр, происходит догорание топлива за счёт участия воздуха, оставшегося в канале и надпоршневом пространстве.

Ввиду наличия интенсивных вихрей воздух, заключённый в вихревой камере, обладает значительным запасом кинетической энергии. Это позволяет получить хорошее смесеобразование при малых давлениях впрыскиваемого топлива (примерно 12−24 МПа) и при одноструйном распылителе форсунки.

Вихревые камеры часто изготавливают с вставной горловиной, являющейся тепловым аккумулятором: нагреваясь при горении, она отдаёт теплоту воздуху в процессе сжатия, благодаря чему уменьшается период задержки воспламенения, особенно при малых нагрузках.

Упрощение конструкции топливной аппаратуры, связанное с относительно низким давлением впрыскивания — большое преимущество вихрекамерных дизелей. Кроме того, вследствие хорошего перемешивания воздуха с топливом в них лучше используется воздух для сгорания, что позволяет при тех же размерах цилиндра получить мощность больше, чем в двигателях с однокамерным смесеобразованием. Двигатели с вихревыми камерами менее чувствительны к качеству топлива, но и менее экономичны:

на перетекание воздуха в вихревую камеру и газов из неё затрачивается часть внутренней энергии газа, которая могла быть полезно использована;

конструкция крышки цилиндра сложнее;

вследствие разделения объёма камеры сгорания на две части увеличивается поверхность, приходящаяся на единица объёма воздуха. Из-за повышенного в связи с этим отвода теплоты через стенки снижается температура сжимаемого воздуха, в результате труднее запуск холодного двигателя. А поэтому в вихрекамерных двигателях предусматривают специальную запальную спираль, устанавливаемую под форсункой.

На ряде высокооборотных форсированных дизелей зарубежных фирм с диаметром цилиндра 160−185 мм достаточно эффективен предкамерный способ смесеобразования. Камера сгорания при таком способе состоит из предкамеры (форкамеры), расположенной в крышке цилиндра, и основной камеры, заключённой между днищами поршня, крышками и стенками цилиндровой втулки. С основной камерой предкамера соединено отверстиями, суммарное проходное сечение которых составляет 0.5−1% площади поршня. Объём предкамеры составляет 20−40% объёма камеры сжатия. Всё это обеспечивает максимальную разность давлений в конце сжатия в предкамере и надпоршневом пространстве (0.3−0.5 МПа).

При истечении из предкамеры пары топлива интенсивно перемешиваются с зарядом основной камеры сгорания, в результате чего обеспечивается наиболее полное сгорание. Дизели с предкамерами менее чувствительны к качеству топлива и условиям работы, чем вихрекамерные.

Основные недостатки предкамерных двигателей — повышенные потери теплоты из-за увеличенной поверхности камеры сгорания; энергетические потери на перемешивание паров топлива, воздуха, газов через отверстия; плохие пусковые качества (необходимо запальное устройство); низкая экономичность [удельный расход топлива 270 г/(кВт· ч)].

На речном флоте предкамерные двигатели не применяют, на морском — ограниченно в качестве вспомогательных.

Задержка самовоспламенения. Впрыснутое в цилиндр топливо воспламеняется не сразу. Сначала частички его испаряются, перемешиваются с воздухом, и смесь нагревается до температуры самовоспламенения. Затем должен произойти разрыв внутримолекулярных связей углеводородов с образованием углерода и водорода, вступающих в реакцию с кислородом воздуха. Однако этот процесс сложный, многостадийный. Под действием высокой температуры в смеси воздуха и паров топлива образуются свободные атомы или радикалы, реагирующие с молекулами углеводорода. В результате возникают новые свободные радикалы, способные вступить в реакцию и стать центрами реакций окисления.

При протекании этих процессов в смеси наблюдается неяркое голубоватое свечение, не сопровождающееся заметным повышением температуры и давления, в связи с чем такие процессы называют холодно-пламенными. С увеличением концентрации активных центров происходит тепловой взрыв, т. е. возникает горение, сопровождающееся ярким свечением, быстрым повышением температуры и давления.

Следовательно, после впрыскивания частичек топлива в цилиндр происходит задержка самовоспламенения, вызванная физическими и химическими подготовительными процессами. Время, прошедшее от момента попадания частичек в цилиндр до начала горения, называют периодом задержки самовоспламенения. Период задержки самовоспламенения составляет 0.001−0.005 с.

Если предположить, что двигатель работает с частотой вращения 750 мин, то его коленчатый вал поворачивается на 1 примерно за 0.0002 с. Значит, за период задержки самовоспламенения кривошип повернётся на угол от 5 до 25 в зависимости от длины периода задержки самовоспламенения. Это обстоятельство вынуждает начинать впрыскивание топлива в цилиндр с опережением, т. е. до того, как кривошип прейдёт в в. м. т. Угол на который кривошип не доходит до в.м.т. в момент начала впрыскивания топлива, называют углом опережения подачи топлива. Он является очень важным параметром регулирования двигателя. У судовых дизелей угол опережения подачи топлива составляет 15−33?.

Протекание процесса сгорания. Подача топлива в цилиндр начинается с опережением. За период задержки самовоспламенения коленчатый вал поворачивается и начинается горение.

Давление в цилиндре повышается.

За период задержки самовоспламенения в цилиндр поступило какое то количество топлива, составляющее 15−50% цикловой подачи, т. е. дозы, впрыскиваемой за цикл. В течение периода задержки самовоспламенения оно успеет испариться и перемешаться с воздухом. С появлением пламени от самовоспламенения частиц топлива, поступающих в цилиндр первыми, повышаются температура и давление смеси, поэтому значительно ускоряются реакции молекул топлива, впрыснутого за период задержки самовоспламенения. В результате непосредственного контакта с пламенем и образования новых очагов самовоспламенения скопившееся в цилиндре топливо сгорает очень быстро. Температура, а следовательно и давление резко возрастают.

Если скорость нарастания давления будет больше. Чем 400−600 кПа/? п. к. в., то нагрузка на поршень будет ударной и в цилиндре возникнет стук. Такую работу двигателя называют жёсткой. При жёсткой работе повышается уровень шума, увеличивается изнашивание подшипников, появляется деформация поршневых колец, в результате которых они могут поломаться.

Рис 15 Диаграмма процесса сгорания Топливо, поступающее в цилиндр по окончании задержки самовоспламенения, попадает в среду. Охваченную пламенем. И спокойно сгорает. Горение его заканчивается несколько позднее, чем впрыскивание. В это время поршень уже движется в низ, объём над ним увеличивается и давление в цилиндре существенно не изменяется. Некоторое количество топлива догорает уже в процессе расширения рабочего газа.

Обеспечение мягкой работы двигателя. Жёсткость работы дизеля зависит от скорости нарастания давления после воспламенения, а эта скорость — от количества топлива, поступившего с цилиндр за период задержки воспламенения. В конечном итоге жёсткость работы дизеля зависит от периода задержки самовоспламенения: чем оно больнее, тем жестче будет работа дизеля. Поэтому для обеспечения мягкой работы дизеля следует уменьшить период задержки самовоспламенения.

Скорость протекания физических и химических процессов увеличивается с повышением температуры. Следовательно, уменьшению периода задержки самовоспламенения способствует повышение температуры сжатого в цилиндре воздуха. О влиянии пониженной температуры хорошо известно в практике эксплуатации дизелей: холодный двигатель работает со стуками в цилиндре. Которые после прогрева дизеля прекращаются.

Период задержки самовоспламенения уменьшается и при повышении давления сжатия, что объяснимо как улучшением теплообмена между воздухом и топливом при увеличенной плотности воздуха, так и понижением температуры самовоспламенением с ростом давления. Таким образом, мягкая работа двигателя возможна при хорошей герметичности камеры сгорания в цилиндре, при предписанной руководством по эксплуатации дизеля степени сжатия и при поддержании его в горячем состоянии.

Период задержки самовоспламенения зависит от размера частиц топлива, образующихся при распыливании: чем они меньше, тем быстрее топливо нагревается. Следовательно, с ухудшением распыливания топлива увеличивается склонность двигателя к жёсткой работе. Однако период задержки самовоспламенения зависит не от среднего размера частиц, а от минимального, ибо некоторое количество мелких частиц имеется в топливе и при низком качестве его распыления. Поэтому жёсткая работа двигателя возможна лишь при резком ухудшении распыливания, что наблюдается, например, при зависании иглы форсунки.

Как уже было показано. Период задержки самовоспламенения колеблется от 0.001 до 0.005 с. и обусловлен составом топлива. Следовательно, жёсткость работы дизеля в значительной степени зависит от температуры самовоспламенения топлива. Это качество топлива характеризуют цетановым числом. Его находят путём сравнения самовоспламенения исследуемого топлива и смеси двух эталонных углеводородов: цетана СН и альфаметилнафталина СНСН. Для первого из них характерен минимальный период задержки самовоспламенения, для второго значительный. Процесс сравнения проводят на специальном одноцилиндровом дизеле с переменной степенью сжатия. Сначала определяют степень сжатия, при котором исследуемое топливо самовоспламеняется при положении поршня строго в в.м.т. Затем подбирают эквивалентную смесь цетана и альфаметилнафталина, т. е. такую, которая при том же угле опережения подачи топлива и при той же степени сжатия самовоспламеняется при положении поршня в в.м.т.

Цетановое число топлива соответствует доле цетана в процентах в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая эквивалентна топливу по самовоспламенению.

Например, если в эквивалентной смеси цетана содержится 45%. А альфаметилнафтанина 55%, то цетановое число будет 45.

Достаточно мягкая работа быстроходных дизелей обеспечивается при цетановом числе топлива не нижже45. Тихоходные могут мягко работать при цетановом числе ниже 40. Для повышения цитанового числа в топливо вводят присадки. При повышении цетанового числа более 55 уменьшается полнота сгорания топлива.

Кроме того, чрезмерное сокращение периода задержки самовоспламенения приводит к вялому протеканию процесса сгорания, что в конечном счёте снижает к.п.д. цикла.

Инновации.

В последнее время все большее применение получают поршневые двигатели с принудительным наполнением цилиндра воздухом повышенного давления, т. е.двигатели с наддувом. И перспективы двигателестроения связаны, на мой взгляд, с двигателями данного типа, т.к. здесь имеется огромный резерв неиспользованных конструкторских возможностей, и есть над чем подумать, а во-вторых, считаю, что большие перспективы в будущем именно у этих двигателей. Ведь наддув позволяет увеличить заряд цилиндр воздухом и, следовательно, количество сжимаемого топлива, а тем самым повысить мощность двигателя. Для привода нагнетателя в современных двигателях обычно используют энергию отработавших газов. В этом случае отработавшие в цилиндре газы, которые имеют в выпускном коллекторе повышенное давление, направляют в газовую турбину, приводящую во вращение компрессор. Согласно схеме газотурбинного наддува четырехтактного двигателя, отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в газовую турбину, после которой отводятся в атмосферу. Центробежный компрессор, вращаемый турбиной, засасывает воздух из атмосферы и нагнетает его под давлением 0.130…0.250 МПа в цилиндры. Помимо использования энергии выхлопных газов достоинством такой системы наддува перед приводом компрессора от коленчатого вала является саморегулирование, заключающееся в том, что с увеличением мощности двигателя соответственно возрастают давление и температура отработавших газов, а следовательно мощность турбокомпрессора. При этом возрастают давление и количество подаваемого им воздуха. В двухтактных двигателях турбокомпрессор должен иметь более высокую мощность, чем в четырехтактных, т.к. при продувке часть воздуха проходит в выпускные окна, транзитный воздух не используется для зарядки цилиндра и понижает температуру выпускных газов. Вследствие этого на частичных нагрузках энергии отработавших газов оказывается недостаточно для газотурбинного привода компрессора. Кроме того, при газотурбинном наддуве невозможен запуск дизеля. Учитывая это, в двухтактных двигателях обычно применяют комбинированную систему наддува с последовательной или параллельной установкой компрессора с газотурбинным и компрессор с механическим приводом. При наиболее распространенной последовательной схеме комбинированного наддува компрессор с газотурбинным приводом производит только частичное сжатие воздуха, после чего он дожимается компрессором, приводимым во вращение от вала двигателя. Благодаря применению наддува возможно повышение мощности по сравнению с мощностью двигателя без наддува от 40% до 100% и более. На мой взгляд, основным направлением развития современных поршневых двигателей с воспламенением от сжатия будет являться значительное форсирование их по мощности за счет применения высокого наддува в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора. В четырехтактных двигателях в результате применения давления наддува до 3.1…3.2 МПа в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора достигается среднее эффективное давление Pe=18.2…20.2 МПа. Привод компрессора в этих двигателях газотурбинный. Мощность турбины достигает 30% от мощности двигателя, поэтому повышаются требования к КПД турбины и компрессора. Неотъемлемым элементом системы наддува этих двигателей должен являться охладитель воздуха, установленный после компрессора. Охлаждение воздуха производится водой, циркулирующей с помощью индивидуального водяного насоса по контуру: воздухоохладитель — радиатор для охлаждения воды атмосферным воздухом. Перспективным направлением развития поршневых двигателей внутреннего сгорания является более полное использование энергии выпускных газов в турбине, обеспечивающей мощность компрессора, нужную для достижения заданного давления наддува. Избыточная мощность в этом случае передается на коленчатый вал дизеля. Реализация такой схемы наиболее возможна для четырехтактных двигателей.

Заключение

.

Итак, мы видим, что двигатели внутреннего сгорания — очень сложный механизм. Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов. И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы — вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС — это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности. И пускай проходит эра двигателя внутреннего сгорания, пусть у них есть много недостатков, пусть появляются новые двигатели, не загрязняющие внутреннюю среду и не использующие функцию теплового расширения, но первые еще долго будут приносить пользу людям, и люди через многие сотни лет будут по доброму отзываться о них, ибо они вывели человечество на новый уровень развития, а пройдя его, человечество поднялось еще выше.

.ur.