Конспект лекций СДВС 2014. Конспект лекций по курсу двс (сдвс) Николаев 2014 Содержание
 Скачать 4 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Украины Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова Кафедра ДВС Конспект лекций по курсу ДВС (СДВС) Николаев – 2014
Тема 1. Сравнение ДВС с другими типами тепловых двигателей. Классификация ДВС. Область их применения, перспективы и направления дальнейшего развития. Соотношение в ДВС и их маркировка. Двигатель внутреннего сгорания – это такой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу. Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется посредством передачи энергии расширения продуктов сгорания на поршень, возвратно-поступательное движение которого, в свою очередь, через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, приводящего в движение гребной винт, электрический генератор, насос или другой потребитель энергии. ДВС можно классифицировать по следующим основным признакам: – по роду рабочего цикла – с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме, с подводом теплоты при постоянном давлении газов и со смешанным подводом теплоты, т. е. вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении газов; – по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные у которых цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала); – по способу воздухоснабжения – с наддувом и без наддува. В четырехтактных ДВС без наддува цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью) всасывающим ходом поршня, а в двухтактных ДВС – продувочным компрессором с механическим приводом от двигателя. Во всех ДВС с наддувом наполнение цилиндра осуществляется специальным компрессором. Двигатели с наддувом нередко называют комбинированными, так как помимо поршневого двигателя они имеют и компрессор, подающий воздух в двигатель при повышенном давлении; – по способу воспламенения топлива – с воспламенением от сжатия (дизели) н с искровым зажиганием (карбюраторные к газовые); – по роду применяемого топлива – жидкого топлива и газовые. К ДВС жидкого топлива относятся и многотопливные двигатели, которые без конструктивных изменений могут работать на различных топливах. К газовым ДВС относятся и двигатели с воспламенением от сжатия, в которых основное топливо газообразное, а жидкое топливо в небольшом количестве используется как запальное, т. е. для воспламенения; – по способу смесеобразования – с внутренним смесеобразованием, когда топливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели), и с внешним смесеобразованием, когда эта смесь приготовляется до ее подачи в рабочий цилиндр (карбюраторные и газовые двигатели с искровым зажиганием). Основные способы внутреннего смесеобразования – объемное, объемно-пленочное и пленочное; – по типу камеры сгорания (КС) – с неразделенными однополостными КС, с полуразделенными КС (КС в поршне) и разделенными КС (предкамерные, вихрекамерные и воздушно-камерные КС); – по частоте вращения коленчатого вала n – малооборотные (МОД) с n до 240 мин-1, среднеоборотные (СОД) с 240 < n < 750 мин-1, повышенной оборотности (ПОД) с 750 – по назначению – главные, предназначенные для привода судовых движителей (гребных винтов), и вспомогательные, приводящие в движение электрические генераторы судовых электростанций или судовые механизмы; – по принципу действия – простого действия (рабочий цикл совершается только в одной полости цилиндра), двойного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра над и под поршнем) и с противоположно движущимися поршнями (в каждом цилиндре двигателя имеется два механически связанных поршня, движущихся в противоположных направлениях, с помещенным между ними рабочим телом); – по конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма (КШМ) – тронковые и крейцкопфные. В тронковом двигателе силы нормального давления, возникающие при наклоне шатуна, передаются направляющей частью поршня – тронком, скользящим во втулке цилиндра; у крейцкопфного двигателя поршень не создает сил нормального давления, возникающих при наклоне шатуна, нормальное усилие создается в крейцкопфном соединении и передается ползунами на параллели, которые закреплены вне цилиндра на станине двигателя; – по расположению цилиндров – вертикальные, горизонтальные, однорядные, двухрядные, У-образные, звездообразные и т. п. Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются: – верхняя и нижняя мертвые точки(ВМТ и НМТ), соответствующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе); – ход поршня,т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое; – объем камеры сгорания (или сжатия), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ; – рабочий объем цилиндра, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками. Марка дизеля дает представление о его типе и основных размерах. Маркировку отечественных дизелей осуществляют в соответствии с ГОСТ 4393-82 «Дизели стационарные, судовые, тепловозные и промышленные. Типы и основные параметры». Для маркировки приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр: Ч – четырехтактный; Д – двухтактный; ДД – двухтактный двойного действия; Р – реверсивный; С – с реверсивной муфтой; П – с редукторной передачей; К – крейцкопфный; Г – газовый; Н – с наддувом; 1А, 2А, ЗА, 4А – степень автоматизации по ГОСТ 14228-80. Отсутствие в условном обозначении буквы К означает, что дизель тронковый, буквы Р – дизель нереверсивный, а буквы Н – дизель без наддува. Цифры в марке перед буквами указывают число цилиндров, а после букв: число в числителе – диаметр цилиндра в сантиметрах, в знаменателе – ход поршня в сантиметрах. В марке дизеля с противоположно движущимися поршнями указывают оба хода поршня, соединенных знаком «плюс», если ходы разные, или произведение «2 на ход одного поршня» при равенстве ходов. В марке судовых дизелей производственного объединения «Брянский машиностроительный завод» (ПО БМЗ) дополнительно указывается и номер модификации, начиная со второй. Этот номер приводится в конце маркировки по ГОСТ 4393-82. Ниже приведены примеры маркировки некоторых двигателей. 12ЧНСП1А 18/20 – дизель двенадцатнцилиндровый, четырехтактный, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, автоматизированный по 1-й степени автоматизации, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см. 16ДПН 23/2 X 30 – дизель шестнадцатицилиндровый, двухтактный, с редукторной передачей, с наддувом, с диаметром цилиндра 23 см и с двумя противоположно движущимися поршнями, имеющими каждый ход 30 см, 9ДКРН 80/160-4 – дизель девятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, с диаметром цилиндра 80 см, ходом поршня 160 см, четвертой модификации. На некоторых отечественных заводах кроме обязательной по ГОСТу марки выпускаемым дизелям присваивают и марку заводскую. Например, заводской марке Г-74 (завод «Двигатель революции») соответствует марка 6ЧН 36/45. В большинстве зарубежных стран маркировка двигателей не регламентируется стандартами, а фирмы-строители используют собственные системы условных обозначений. Но даже одна и таже фирма нередко меняет принятые обозначения. Все же необходимо отметить, что многие фирмы в условных обозначениях указывают основные размеры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня. Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без. Четырехтактный ДВС. Четырехтактный ДВС На рис. 2.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтактные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).  Рис. 2.1. Принцип работы четырехтактного ДВС 1-й такт – впуск или наполнение. Поршень 1 движется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной клапан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха (или рабочей смеси в карбюраторном двигателе) перед впускным патрубком ро. Впускной клапан открывается несколько раньше ВМТ (точка r), т. е, с углом опережения 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впускной клапан закрывается после НМТ (точка а'), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в рабочий цилиндр в этот период способствует и инерционный подпор воздуха, поступающего в цилиндр- Поэтому впускной клапан закрывается с углом запаздывания 20...45° после НМТ. Углы опережения и запаздывания определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ. Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта). 2-й такт – сжатие. При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n) при высоком давлении, обеспечивающей качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол впрыска на номинальном режиме в МОД обычно равен 1...9°, а в СОД – 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е, воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ. 3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топливо, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая через кривошнпно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b’), которое происходит с опережением 20...40°. Некоторое уменьшение полезной работы расширения газа по сравнению с тем, когда клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте. 4-й такт – выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов. Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ. Принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя отличается от дизеля тем, что рабочая смесь – топливо и воздух – приготовляется вне цилиндра (в карбюраторе) и поступает в цилиндр в период 1-го такта; смесь воспламеняется в районе ВМТ от электрической искры. Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью aсzba (площадь с наклонной штриховкой, см, 4-й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачивает работу (с учетом атмосферного давления ро под поршнем), равную площади над кривой r'ma до горизонтальной линии, соответствующей давлению ро. За время 4-го такта двигатель затрачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr' до горизонтальной линии ро. Следовательно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так называемых «насосных» ходов, т. е. 1-го и 4-го тактов, когда двигатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с вертикальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной работы, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов, В реальных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям, В дизелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, поступающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов становится положительной. Двухтактный ДВС. В двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е, процессы газообмена, происходят только в тот период, когда поршень находится в районе НМТ при открытых органах газообмена. Очистка цилиндра от отработавших газов при этом осуществляется не поршнем, а предварительно сжатым воздухом (в дизелях) или горючей смесью (в карбюраторных и газовых двигателях). Предварительное сжатие воздуха или смеси происходит в специальном продувочном или наддувочном компрессоре. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть свежего заряда неизбежно удаляется из цилиндра вместе с отработавшими газами через выпускные органы. В связи с этим подача продувочного или наддувочного компрессора должна быть достаточной, чтобы компенсировать эту утечку заряда. Выпуск газов из цилиндра происходит через окна или через клапан (количество клапанов может быть от 1 до 4). Впуск (продувка) свежего заряда в цилиндр в современных двигателях осуществляется только через окна. Выпускные и продувочные окна размещены в нижней части втулки рабочего цилиндра, а выпускные клапаны – в крышке цилиндра. Схема работы двухтактного дизеля с контурной продувкой, т. е. когда выпуск и продувка происходят через окна, показана на рис. 2.2. Рабочий цикл имеет два такта. 1-й такт – ход поршня от НМТ (точка m) до ВМТ. Вначале поршень 6 перекрывает продувочные окна 1 (точка d'), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, а затем поршень перекрывает и выпускные окна 5 (точка b'), после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень придет в ВМТ (точка с). Точка n соответствует моменту начала впрыскивания топлива форсункой 3 в цилиндр. Следовательно, в течение 1-го такта в цилиндре заканчиваются выпуск, продувка и наполнение цилиндра, после чего происходит сжатие свежего заряда и начинается впрыскивание топлива.  Рис. 2.2. Принцип работы двухтактного ДВС 2-й такт – ход поршня от ВМТ до НМТ. В районе ВМТ форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает, при этом давление газов достигает максимального значения (точка z) и начинается их расширение. Процесс расширения газов заканчивается в момент начала открытия поршнем 6 выпускных окон 5 (точка b), после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра за счет перепада давления газа в цилиндре и выпускном коллекторе 4. Затем поршень открывает продувочные окна 1 (точка d) и происходят продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом. Продувка начнется только после того, как давление газов в цилиндре станет ниже давления воздуха рs в продувочном ресивере 2. Таким образом, в течение 2-го такта в цилиндре происходят впрыскивание топлива, его сгорание, расширение газов, выпуск отработавших газов, продувка и наполнение свежим зарядом. Во время этого такта осуществляется рабочий ход, обеспечивающий полезную работу. Индикаторная диаграмма, представленная на рис. 2, одинакова как для дизеля без наддува, так и для дизеля с наддувом. Полезная работа цикла определяется площадью диаграммы md'b'сzbdm. Работа газов в цилиндре положительна в период 2-го такта и отрицательна во время 1-го такта. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||