5_Классификация и циклы ДВС. 5. классификация и циклы поршневых двс 1 Особенности судового поршневого двс как теплового двигателя
 Скачать 462.5 Kb.
|
|
5. КЛАССИФИКАЦИЯ И ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВС 5.1 Особенности судового поршневого ДВС как теплового двигателя Из курса термодинамики известно, что тепловой двигатель – это устройство, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. Различают две основные группы тепловых двигателей: 1) двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – поршневые ДВС, газовые турбины, реактивные двигатели; 2) двигатели внешнего сгорания («двигатели с внешним подводом теплоты – ДВПТ») – паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.п. В двигателях первой группы все процессы преобразования энергии (сжигание топлива, выделение при этом теплоты и преобразование некоторой ее части в механическую работу) происходят непосредственно в двигателе (или даже в одном элементе двигателя, например, в цилиндре поршневого ДВС). В двигателях второй группы эти процессы происходят в разных элементах установки. Например, в паротурбинной установке (ПТУ) сжигание топлива и образование промежуточного рабочего тела (пара) осуществляются в парогенераторе, а преобразование внутренней энергии пара в механическую работу – в турбине. Заметим, что в ходе осуществления этих процессов имеют место значительные потери энергии. Отсутствие промежуточного рабочего тела, увеличенного количества элементов установки, в которых имеют место потери энергии, – важное положительное отличительное свойство двигателей первой группы. Поршневой ДВС – самый распространенный тип теплового двигателя. Причины распространенности этого типа двигателя будут проанализированы в ходе изучения дисциплины Основная причина распространенности поршневого ДВС – его высокая топливная экономичность, то есть высокий эффективный КПД ηe. Достигнутый ηeсудовых дизелей составляет 54 % . Выделим две главные причины высокого КПД поршневого ДВС. 1) высокий термический КПД цикла ДВС ηt. Из термодинамики известно, что чем больше отношение средней температуры подвода теплоты в цикл T1 к средней температуре отвода теплоты из цикла T2 (к температуре «холодного источника»), тем выше термический КПД цикла ηt=lt/q1=(q1-q2)/q1=1 -q2/q1= 1 - T2/T1 (5.1) Уровень определяется температурой окружающей среды, т.е. для всех типов двигателей он практически одинаков. Уровень в поршневых ДВС значительно выше, чем в других двигателях. Дело в том, что в ДВС горение топлива (подвод теплоты в цикл) идет не непрерывно, а кратковременно – тогда, когда поршень движется в окрестности верхней мертвой точки (ВМТ). Это позволяет допустить высокие значения максимальной температуры цикла (1800–2100К), не опасаясь снижения надежности деталей двигателя, так как средняя температура цикла остается умеренной (≈800–900К), и элементы конструкции двигателя не успевают перегреться. Таким образом, вследствие больших значений , в соответствии с формулой (5.1) цикл поршневого ДВС обладает самым высоким термическим КПД. В газотурбинных двигателях горение топлива непрерывное, и в целях обеспечения надежности деталей камеры сгорания (КС) , как правило, недопускают выше 900–1200К. 2) высокий эффективный КПД поршневого ДВС ηe Дело в том, что, как сказано выше, все процессы преобразования энергии в ДВС происходят в одном элементе двигателя – в цилиндре. Поэтому потери энергии здесь минимальны. 5.2 Классификация поршневых ДВС Рассмотрим классификацию двигателей по основным признакам. I}По тактности (по способу осуществления рабочего цикла): 1) четырехтактные; в четырехтактном двигателе цикл осуществляется за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала; 2) двухтактные; в двухтактном двигателе цикл осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. II}По способу наполнения цилиндра: 1) без наддува; 2) с наддувом. III}По способу смесеобразования (смесеобразование – процесс образования горючей топливовоздушной смеси): 1) с внешним смесеобразованием – двигатели, в которых горючаясмесь образуется вне цилиндра (карбюраторные, газовые двигатели); 2) с внутренним смесеобразованием – смесь образуется внутри цилиндра; при этом топливо впрыскивается в цилиндр форсункой (дизели, газожидкостные двигатели). IV}По роду топлива: 1) легкого топлива; применительно к судовым ДВС в настоящее время топливо считается легким, если оно не требует подогрева перед использованием (это дизельное топливо, до плотности ρ20 ≈ 0,86 т/м3); в традиционных классификациях к легким топливам отнесены: бензин, керосин, лигроин, спирт и др.; 2) тяжелые топлива: моторные топлива, мазуты, которые требуют специальной топливоподготовки, включая подогрев. V} По способу воспламенения горючей смеси: 1) с принудительным зажиганием электрической искрой (карбюраторные, газовые двигатели); 2) с самовоспламенением (дизели); 3) с комбинированным воспламенением (газодизели; в них основная горючая газовоздушная смесь поджигается за счет самовоспламенения небольшого количества (10–15%) жидкого распыленного топлива). VI} По характеру процесса подвода теплоты в цикл (см. рис. 5.1): 1) с подводом теплоты при постоянном объеме рабочего тела v = const – цикл Отто (карбюраторные и газовые двигатели – двигатели с принудительным воспламенением); для этих двигателей характерна низкая степень сжатия ε, которая, как известно, представляет собой отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия;  2) с подводом теплоты при постоянном давлении p = const – цикл Дизеля; циклы, близкие к циклу Дизеля, ранее были реализованы в т.н. «компрессорных» дизелях – двигателях с «воздушным» распыливанием топлива, с самовоспламенением и высокой ε; циклы современных судовых малооборотных двигателей (МОД) близки в циклу Дизеля; 3) со смешанным подводом теплоты (при v = const и p = const) –цикл Тринклера - Сабатэ; это практически все современные дизели – с механическим впрыскиванием топлива, с высокой ε. VII} По основным конструктивным признакам (см. рис. 5.2): 1) тронковые; тронк – нижняя часть поршня («юбка»), являющаяся направляющей при движении поршня в цилиндре двигателя; в таком двигателе нормальная сила передается на стенку цилиндра через N 2) крейцкопфные; здесь сила N передается на остов дизеля через ползуны крейцкопфного механизма.  VIII} По способу действия (см. рис. 5.3):  1) простого действия (рабочий процесс осуществляется только над поршнем); 2)двойного действия (рабочий процесс – над поршнем и под поршнем); 3)«с противоположнодвижущимися поршнями» («с ПДП» или «с расходящимися поршнями»; по существу, это два двухтактных ДВС с общей камерой сгорания). IX} По расположению цилиндров (см. рис. 5.4).  На рис. 5.4 представлены практически все конструктивные схемы двигателей, встречающихся на объектах гражданского и военного назначения : а – однорядный двигатель с вертикальным расположением цилиндров; б – двигатель с V-образным расположением цилиндров; в – двигатель с W-образным расположением цилиндров; г – двигатель с горизонтальными противолежащими цилиндрами; д – двигатель со звездообразным расположением цилиндров; е – двигатель с X-образным расположением цилиндров; ж – двухвальный двигатель с двумя рядами параллельно расположенных цилиндров; з – двухвальный двигатель с Н-образным расположением цилиндров; и – одновальный тронковый двигатель с противоположно движущимися поршнями; к – одновальный крейцкопфный двигатель с противоположно движущимися поршнями; л – двухвальный двигатель с противоположно движущимися поршнями и рядным расположением цилиндров; м – двухвальный двигатель с ромбообразно расположенными цилиндрами; н – трехвальный двигатель с тремя рабочими полостями и осями цилиндров, образующими треугольник; о – трехвальный двигатель с двумя рабочими полостями и V-образным расположением цилиндров. X} По возможности изменения направления вращения: 1) нереверсивные; например, двигатели для привода электрогенераторов, гребных винтов регулируемого шага; как правило, это высокооборотные двигатели (ВОД); 2) реверсивные. XI} По средней скорости поршня, cm cm = S*n/30, м/c, где – S ход поршня, м; n – частота вращения, мин–1: 1) тихоходные: 4,5 ≤ cm ≤ 7,0 м/с; 2) средней быстроходности: 7,0 < cm ≤ 10,0 м/с; 3) быстроходные: 10,0 < cm ≤ 15,0 м/с; XII}По частоте вращения, n: 1) малооборотные (МОД): 54 ≤ n≤ 250 мин–1; 2) среднеоборотные (СОД): 250 < n≤ 750 мин–1; 3) высокооборотные (ВОД): 750 <n≤ 2800 мин–1. Указанное разделение судовых дизелей по n весьма условное. В учебниках можно встретить иные границы классов дизелей. Иногда выделяют промежуточный класс – двигатели повышенной оборотности (ПОД): 1000 ... 1500 мин–1. Заметим, что в публикациях авторы иногда путают признаки XIи XII. Можно встретить некорректные выражения, например: «… это решение применяется как в малооборотных, так и в быстроходных дизелях …». Очевидно, что один и тот же двигатель может быть и малооборотным , и быстроходным. |