Судовые энергетические установки
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
Тема 2.1 Судовые двигатели внутреннего сгорания В ходе изучения темы следует обратить особое внимание на условия работы и требования к конструкции судовых дизелей. В итоге изучения темы студент должен понимать принцип действия дизелей, факторы, влияющие на их экономичность и надежность, уметь изображать теоретические циклы в координатах P—V и T—S. Основные вопросы темы: — принцип действия, индикаторная диаграмма и круговая диаграмма газораспределения четырехтактного дизеля без наддува и с наддувом — принцип действия, индикаторная диаграмма и круговая диаграмма газораспределения двухтактного дизеля; — составные части, узлы и системы судовых дизелей; — классификация и маркировка; — основные параметры, индикаторные и эффективные показатели работы. Методы оценки мощности дизелей. 2.1.1 Типы двигателей внутреннего сгорания Поршневые ДВС относятся к роду тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра. ДВС, работающие с самовоспламенением топлива в цилиндре, принято называть дизелями по имени изобретателя двигателя такого типа – Рудольфа Дизеля. Благодаря значительному перепаду температур при осуществлении цикла (от 300–320 К до 1800–2000 К), дизели являются в данное время наиболее экономичными тепловыми двигателями. Вместе с тем, несмотря на высокие температуры цикла, двигатели этого типа могут работать надежно, так как действие высоких температур является периодическим и после сгорания топлива, расширения газов и их выпуска в цилиндр поступает свежий воздух, а стенки цилиндра охлаждаются водой или воздухом. Дизели, применяемые на судах, работают на дизельном и моторном топливах, а также (после специальной подготовки топлива) на мазутах. Двигатель внутреннего сгорания – самый распространенный тип двигателя. Большинство судов морского транспортного и промыслового флота оборудованы дизельными установками с малооборотными двигателями (МОД, 42 частота вращения вала двигателя до 350 об/мин). Применение МОД обусловлено их высокой экономичностью, возможностью использования дешевых остаточных высоковязких топлив, большим моторесурсом. На рисунке 2.1 показана главная пропульсивная установка с малооборотным двигателем внутреннего сгорания. Рисунок 2.1 – Главная пропульсивная установка с МОД Среднеоборотные дизели (СОД, частота вращения до 750 об/мин) по сравнению с малооборотными имеют меньший вес, меньшие габариты и предназначены в основном для малых судов. На рисунке 2.2 показан среднеоборотный двигатель. Рисунок 2.2 – Среднеоборотный двигатель (СОД) Высокооборотные двигатели (ВОД, частота вращения выше 750 об/мин) имеют меньший моторесурс и являются источниками повышенного шума. 43 Двигатели этой группы применяются на судах, когда основные требования, предъявляемые к СЭУ, – малые габариты и малый вес, а требования к моторесурсу сравнительно понижены. На рисунке 2.3 и рисунке 2.4 показаны установки с высокооборотным ДВС. Рисунок 2.3 – Главная пропульсивная установка с ВОД Рисунок 2.4 – Главная пропульсивная установка с ВОД 44 2.1.2 Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания Принципиальная схема любого классического двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке 2.5. В цилиндре двигателя находится поршень, который совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра. Рисунок 2.5 – Конструктивная схема ДВС: 1 – крышка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – вал; S – ход поршня; ВМТ – верхняя мертвая точка; НМТ – нижняя мертвая точка Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется посредством кривошипно-шатунного механизма (КШМ) во вращательное движение вала. Полость, образованная крышкой цилиндра, цилиндром и верхней поверхностью поршня (огневой частью), называется камерой сгорания. Здесь происходит сжатие заряда, воспламенение топлива, сгорание и расширение рабочего тела. Вал и кривошип образуют единую деталь двигателя, называемую коленчатым валом. Основные определения ДВС. Нижняя мертвая точка (НМТ) – положение поршня, при котором расстояние от поршня до оси коленчатого вала минимально (см. рисунок 2.5). Верхняя мертвая точка (ВМТ) – положение поршня, при котором расстояние поршня до оси коленчатого вала максимально (см. рисунок 1.5). Ход поршня – расстояние, которое проходит поршень из одной мертвой точки до другой (см. рисунок 2.5). 45 Объем камеры сгорания – соответствует объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ. Рабочий объем цилиндра – объем, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками. Такт – часть цикла, когда поршень проходит от одной мертвой точки до другой. 2.1.3 Классификация судовых двигателей внутреннего сгорания По способу осуществления рабочего цикла: • четырехтактные – цикл осуществляется за четыре хода поршня; • двухтактные – цикл осуществляется за два хода поршня. По способу действия: • простого действия – рабочий цикл осуществляется только в одной полости цилиндра; • двойного действия – цикл совершается в двух полостях цилиндра: над и под поршнем; • с противоположно движущимися поршнями. По роду рабочего цикла: • с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме (цикл Отто; двигатели с принудительным зажиганием, например карбюраторные); • с подводом теплоты при постоянном давлении газов (цикл Дизеля); • со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ – Тринклера; современные дизельные двигатели). По роду применяемого топлива: • работающие на жидком топливе; • на газообразном топливе; • газожидкостные (основное топливо – газ, запальное топливо – жидкое); • многотопливные – приспособленные для работы на различном топливе (от легкого до тяжелого). По способу наполнения рабочего цилиндра: • без наддува – наполнение цилиндра рабочей смесью обеспечивается перемещением поршня; • с наддувом – рабочая смесь или воздух подается в цилиндр при повышенном давлении особым наддувочным агрегатом. По способу смесеобразования: • с внутренним смесеобразованием – рабочая смесь из воздуха и распыленного топлива образуется внутри цилиндра; • с внешним смесеобразованием – рабочая смесь воздуха и паров топлива образуется вне цилиндра (например, карбюраторные). По способу воспламенения топлива: • с самовоспламенением (дизели); • с принудительным зажиганием – воспламенение от постороннего источника (искры); 46 • с комбинированным самовоспламенением. По конструктивному исполнению: • тронковые; • крейцкопфные. По возможности изменения направления вращения коленчатого вала: • нереверсивные – имеющие одно направление вращения; • реверсивные – двигатели, у которых перемена направления вращения осуществляется реверсивным механизмом. По частоте вращения: • малооборотные (МОД), менее 350 об/мин; • среднеоборотные (СОД), от 350 до 750 об/мин; • высокооборотные (ВОД), свыше 750 об/мин. По расположению рабочих цилиндров: • вертикальные; • горизонтальные; • однорядные; • двухрядные; • V-образные; • звездообразные и т.д. Существуют и другие признаки, по которым классифицируют ДВС. Маркировка ДВС. Маркировка отечественных ДВС производится по ГОСТ 10150–88. Буквы в марке двигателя обозначают: Ч – четырехтактный, Д –двухтактный, Г – газовый, Р – реверсивный, С – судовой с реверсивной муфтой, П – с редукторной передачей, К – крейцкопфный, Н – с наддувом, ДД – двухтактный двойного действия. Цифры в марке обозначают: первая – число цилиндров; после букв: в числителе – диаметр цилиндра, см; в знаменателе ход – поршня, см. Например: 6 ЧН 18/22 – шестицилиндровый четырехтактный двигатель с наддувом; 18 см – диаметр цилиндра, 22 см – ход поршня; 8ДКРН 74/160 – восьмицилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный двигатель с наддувом; 74 см – диаметр цилиндра, 160 см – ход поршня. 2.1.4 Принцип действия четырехтактного двигателя Рассматривать работу ДВС (рисунок 2.6) удобно по индикаторной диаграмме (рисунок 2.7), представляющей в координатах Р – V зависимость давления от объема цилиндра по ходу поршня от ВМТ к НМТ и наоборот. 47 Первый ход поршня – впуск, или всасывание; осуществляется процесс наполнения цилиндра воздухом (такт I). При движении поршня от ВМТ к НМТ через впускной клапан в цилиндр поступает воздух из окружающей среды. Во время первого хода поршня выпускной клапан должен быть закрыт. Для максимального наполнения цилиндров впускной клапан открывается до ВМТ (в точке 1). Угол ϕ 1–1′ – угол опережения впуска, приблизительно равен 20–30º поворота коленчатого вала (п.к.в.). Чтобы увеличить время поступления воздуха, закрытие впускного клапана осуществляется после прохождения поршнем НМТ ( в точке 2). Рисунок 2.6 – Схема работы четырехтактного дизеля без наддува Рисунок 2.7 - Индикаторная диаграмма 48 Угол ϕ 2–2′ – угол запаздывания закрытия впускного клапана, приблизительно равен 20–40º п.к.в. Углы опережения и запаздывания зависят в основном от типа двигателя и степени его быстроходности. Второй ход поршня – процесс сжатия (такт II). Осуществляется процесс уменьшения объема рабочего тела для повышения его рабочей температуры. Сжатие воздуха, поступившего в цилиндр за первый ход поршня, происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ, начиная с момента закрытия впускного клапана (точка 2) до момента прихода поршня в ВМТ (точка 3); во время сжатия все клапаны цилиндра должны быть закрыты. Давление в конце сжатия 2,8–3,5 МПа. Третий ход поршня – горение топлива и расширение продуктов сгорания. Осуществляется в основном так называемый рабочий ход (такт III). Чтобы обеспечить физико-химическую подготовку топлива к самовоспламенению, жидкое топливо начинают впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ (точка 3) с углом опережения ϕ 3′–3 . Угол опережения равен 10–30º поворота коленчатого вала. Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется около ВМТ и сгорает, благодаря чему давление в цилиндре повышается до 5–8 МПа, а температура – до 1400–1600 ºС. Горение топлива заканчивается за ВМТ (точка 4), после чего начинается расширение продуктов сгорания. Общий угол, соответствующий процессу сгорания, равен 40–60º п.к.в. Давление газов за время сгорания и расширения передается на поршень и используется для совершения полезной работы при движении поршня от ВМТ к НМТ до начала открытия выпускного клапана (точка 5). К концу расширения давление в цилиндре падает примерно до 0,25–0,6 МПа, а температура газов – до 600–700 ºС. Общий угол поворота коленчатого вала, отводимый на процессы сгорания и расширения (т. 3–т. 5), равен 160–180º. Четвертый ход поршня – выпуск (такт IV). Осуществляется выпуск отработавших газов. Выпускной клапан открывается до прихода поршня в НМТ на угол опережения ϕ 5–5′ (20–40º п.к.в). Это делается с целью снизить давление к концу хода поршня примерно до давления окружающей среды и обеспечить таким образом небольшое противодавление при выталкивании продуктов сгорания во время движения поршня к ВМТ. Для более совершенного удаления продуктов сгорания закрытие выпускного клапана происходит после прохождения поршнем ВМТ с запаздыванием на угол закрытия ϕ 6–6′ (10–20º п.к.в.). Продукты сгорания через выпускные клапаны и патрубок поступают в газовыпускной коллектор с давлением 0,105–0,110 МПа и температурой 300–500 ºС. При положении поршня в ВМТ (точка 6) продукты сгорания, занимающие объем, равный объему камеры сжатия, не могут быть полностью удалены из цилиндра. Поэтому остаточные газы в дальнейшем смешиваются с воздухом, который начинает поступать в цилиндр через впускной клапан. 49 В случае если в двигателе используется принудительное нагнетание воздуха в цилиндр (ДВС с наддувом), в цилиндре осуществляется так называемая продувка камеры сгорания. За период, в течение которого одновременно открыты и впускной и выпускной клапаны (т. 1–т. 6), нагнетаемый воздух удаляет остаточные газы, находящиеся в цилиндре. По окончании выталкивания продуктов сгорания начинается новый рабочий цикл. 2.1.5 Принцип действия двухтактного двигателя В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и всасывание четырехтактного двигателя заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около ВМТ и занимающими по углу п.к.в. всего 120–140º. В двухтактном двигателе клапаны заменяются специальными вырезами в рабочем цилиндре (окнами). Через продувочные окна в цилиндр поступает воздух, через выпускные из цилиндра удаляются продукты сгорания. Поршень, совершая возвратно-поступательное движение, закрывает и открывает окна, регулируя таким образом газораспределение. Воздух нагнетается в цилиндр с помощью специального устройства (например, компрессора). В зависимости от способа осуществления продувки применяют две основные схемы – контурную и прямоточную (рисунок 2.8). Рисунок 2.8 – Схемы продувки двухтактного двигателя: а – контурная; б – прямоточная; 1 – продувочные окна; 2 – выпускные окна; 3 – выпускной клапан 50 В контурной схеме продувки имеются продувочные и выпускные окна, а клапаны отсутствуют, в прямоточной схеме имеются только продувочные окна, а выпуск продуктов сгорания осуществляется, как и в четырехтактном двигателе, через выпускной клапан, расположенный в крышке цилиндра. Наиболее совершенными являются прямоточные системы продувки. Рассмотрим принцип работы двухтактного двигателя с прямоточной системой продувки (рисунок 2.9). Такт I (рисунок 2.9, а). При движении поршня от НМТ к ВМТ заканчиваются процессы выпуска, продувки, наполнения цилиндра воздухом и сжатия. Поршень перекрывает продувочные окна (точка 1), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень приходит в ВМТ (точка 2). Точка 2 соответствует моменту начала впрыска топлива. Такт II (рисунок 2.9, б). В районе ВМТ топливо воспламеняется. При движении поршня от ВМТ к НМТ происходит горение, расширение, выпуск и продувка. В точке 3 заканчивается процесс сгорания. Расширение продуктов сгорания осуществляется до начала открытия выпускного клапана (точка 4). Поршень, продолжая двигаться к НМТ, открывает продувочные окна (точка 5), в этот момент одновременно открыты и продувочные окна и выпускной клапан – начинается продувка цилиндра. В точке 6 закрывается выпускной клапан, заканчивается продувка цилиндра. Далее, до перекрытия поршнем продувочных окон (точка 1), происходит дополнительное нагнетание воздуха в цилиндр – Рисунок 2.9 – Схема работы двухтактного дизеля без наддува: а – такт I (продувка, выпуск, сжатие); б – такт II (сгорание, расширение и очистка цилиндра) 51 дозарядка. В точке 1 перекрываются продувочные окна – начинается новый рабочий цикл. Четырехтактные и двухтактные ДВС имеют свои достоинства и недостатки. Мощность двухтактного ДВС при одинаковых объемах цилиндров в 1,75–1,85 раза больше мощности четырехтактного ДВС. При прочих равных условиях рост в два раза обусловлен большим количеством рабочих ходов в единицу времени. Но у двухтактных ДВС хуже очистка цилиндров от продуктов сгорания, наполнение цилиндров свежим зарядом воздуха; у них часть рабочего объема теряется на окна. 2.1.6 Циклы поршневых ДВС Циклом теплового двигателя называют круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу. Все термодинамические процессы действительного цикла, осуществляемого в реальном двигателе, в той или иной степени необратимы. Необратимость процессов связана, например, с наличием трения в потоке газа, на преодоление которого затрачивается работа. На практике широко распространен анализ обратимых термодинамических циклов вследствие их наглядности, простоты анализа и расчетов. Обратимый цикл является как бы эталонным циклом, обладающим максимальным термическим КПД при тех же параметрах. При их исследовании принимаются следующие допущения: • рабочим телом является идеальный газ; • масса рабочего тела неизменная и одинаковая во всех процессах; • изменением теплоемкости рабочего тела пренебрегают или учитывают изменение теплоемкости в зависимости от температуры и состава смеси газов; • подвод теплоты к рабочему телу осуществляется путем ее отдачи от горячего источника; • процессы газообмена заменяют обратимым процессом с отводом теплоты от рабочего тела к холодному источнику; • процессы сжатия и расширения принимаются адиабатными. На рисунке 2.10 показаны циклы существующих поршневых ДВС, построенные с учетом вышеперечисленных допущений. Двигатель, предложенный Рудольфом Дизелем, работал по циклу, представленному на рисунке 2.10, а. Сгорание топлива происходит достаточно медленно, поршень успевает сместиться на значительное расстояние по направлению к НМТ, рост давления при сгорании компенсируется увеличением объема рабочего тела, поэтому подвод тепла можно считать происходящим при постоянном давлении. Современные двигатели, в которых используются легкие топлива (например, бензиновые), работают по циклу Отто (рисунок 2.10, б). Топливо в таких двигателях сгорает значительно быстрее, чем в дизелях. Весь процесс сгорания происходит при положении поршня в районе ВМТ. Объем рабочего тела в процессе 52 сгорания не успевает значительно измениться, поэтому считается, что подвод теплоты осуществляется при постоянном объеме. Рисунок 2.10 – Циклы поршневых ДВС: а – цикл Дизеля (подвод теплоты при p = const); б – цикл Отто (подвод теплоты при V = const); в – цикл Тринклера (подвод теплоты при V = const и p = const) Современные дизели работают по циклу Тринклера (рисунок 2.10, в). По сравнению с двигателем Рудольфа Дизеля в них значительно улучшен процесс смешивания распыленного топлива с воздухом в камере сгорания (процесс смесеобразования). Вследствие этого часть топлива сгорает достаточно быстро, при положении поршня в ВМТ, поэтому считается, что часть теплоты q 1 ′подводится при постоянном объеме. Остальная часть топлива сгорает при движении поршня к НМТ, здесь осуществляется подвод q 1 ′′ тепла при постоянном давлении (как и в цикле Дизеля). 2.1.7 Наддув дизелей Наддувом называют способ повышения мощности двигателя, основанный на подаче в цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного при соответствующем увеличении цикловой подачи топлива. Использование наддува дает возможность в несколько раз (до 4–5) увеличить мощность двигателя без изменения их основных размеров. Основными способами осуществления наддува являются механический, газотурбинный и комбинированный. При механическом наддуве компрессор приводится в действие от коленчатого вала двигателя через передачу. Эту схему используют обычно в составе комбинированных систем наддува в качестве первой или второй ступени наддува. Как самостоятельная система она нерентабельна. В судовых дизелях в основном применяется газотурбинный наддув. Система газотурбинного наддува состоит из дизеля, турбины и компрессора. Турбина и компрессор установлены на общем валу и представляют собой единый автономный 53 агрегат, называемый турбокомпрессором (рисунок 2.11). Компрессор связан с дизелем трубопроводом подачи воздуха, а турбина – трубопроводом подвода газа к соплам турбины от выпускных органов дизеля. Ротор турбокомпрессора связи с коленчатым валом не имеет. Мощность, развиваемая газовыми турбинами турбокомпрессоров судовых дизелей, может достигать 30 % индикаторной мощности дизеля, поэтому дизели с газотурбинным наддувом называют комбинированными турбопоршневыми двигателями. 2.1.8 Показатели работы ДВС Индикаторные показатели. Индикаторные показатели характеризуют совершенство рабочего цикла в двигателе. Индикаторная работа L i – работа, совершаемая газами в цилиндре за цикл. Среднее индикаторное давление P i – это такое условное постоянное давление, которое, действуя на поршень за время одного рабочего хода, совершает работу, эквивалентную индикаторной работе за цикл. Вводится для удобства ведения расчетов и сравнения разных двигателей. Индикаторная мощность N i – это мощность, соответствующая индикаторной работе замкнутого цикла. Рисунок 2.11 – Турбокомпрессор наддува ДВС 54 Индикаторный КПД η i – отношение индикаторной работы в цилиндре к количеству теплоты, подведенной с топливом для совершения этой работы: (2.1) Учитывает все тепловые потери в двигателе (в охлаждающую жидкость, на неполноту сгорания, диссоциацию продуктов сгорания и др.). Доля теплоты, превращенная в работу термодинамического цикла, оценивается термическим КПД. Здесь учитывается лишь один вид потерь – неизбежная отдача теплоты холодному источнику. Все тепловые потери в цикле двигателя учитываются индикаторным КПД. Эффективные показатели. Кроме тепловых необходимо учитывать еще и механические потери, которые имеются при передаче энергии расширения газов через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя. Эффективная мощность N e – мощность, замеренная на фланце отбора мощности коленчатого вала: (2.2) где М кр – крутящий момент; ω – угловая скорость; V S – рабочий объем цилиндра; n – частота вращения коленчатого вала; i – количество цилиндров двигателя; p e – среднее эффективное давление; z – коэффициент тактности (количество циклов за один оборот коленчатого вала). Механические потери – это потери на трение, на привод навешенных механизмов, вентиляционные потери, насосные потери в четырехтактных ДВС (такт наполнения и выпуска), потери на механический привод компрессора. Номинальная мощность – это максимальная мощность, которую двигатель может развивать неограниченное время при номинальной частоте вращения. Цилиндровая мощность N ец – мощность одного цилиндра: (2.3) Механический КПД η м – отношение эффективной мощности к индикаторной. Механический КПД учитывает все механические потери в двигателе. У малооборотных дизелей механический КПД находится в пределах 0,87–0,94, у среднеоборотных – 0,84–0,92, у высокооборотных – 0,78–0,85. Среднее эффективное давление Р е – является одним из важнейших показателей ДВС, характеризует нагрузку, полноту и своевременность сгорания топлива, степень наддува, т.е. совершенство конструкции в целом: (2.4) Среднее эффективное давление у судовых ДВС: • двухтактные без наддува: 450–650 кПа; 55 • двухтактные с наддувом: 750–1600 кПа; • четырехтактные без наддува: 500–600 кПа; • четырехтактные с наддувом: 1200–2500 кПа. Эффективный КПД η е – важнейший показатель экономичности работы двигателя; отражает отношение эффективной работы на валу к количеству теплоты, подведенной к двигателю: (2.5) Эффективный КПД учитывает все тепловые и все механические потери. Тепловой баланс ДВС. Распределение энергии, подведенной с топливом, характеризуется внешним тепловым балансом. Этот показатель позволяет судить о степени совершенства двигателя, является исходным при проектировании систем охлаждения и смазки и определяет пути наиболее рациональной утилизации тепловых потерь. Уравнение внешнего теплового баланса: (2.6) где Q T – теплота сгорания введенного в двигатель топлива, Дж/кг; Q e – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/кг; Q Г – теплота, уносимая выпускными газами, Дж/кг; Q В – теплота, отводимая от двигателя охлаждающей жидкостью; Q М – теплота, отводимая маслом, Дж/кг; Q Н.П. – неучтенные потери (невязка баланса), Дж/кг. К неучтенным тепловым потерям относят теплоту, отдаваемую от нагретых поверхностей двигателя в окружающую среду, химический недожог и унос топлива с отходящими газами, а также теплоту, соответствующую кинетической энергии выпускных газов. 2.1.9 Конструктивное исполнение судовых ДВС Остов. Остов поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает усилия при работе двигателя. Представляет собой совокупность неподвижных деталей – фундаментной рамы, картера, цилиндров, крышек цилиндров, а также анкерных связей, шпилек и болтов, стягивающих эти детали. В судовых ДВС применяют различные схемы конструктивного исполнения деталей остова. На рисунке 2.12 показаны конструктивные исполнения для крейцкопфного и тронкового двигателей. 56 Рисунок 2.12 – Схемы конструктивного исполнения остова ДВС: а – для крейцкопфного двигателя, б – для тронкового двигателя; 1 – фундаментная рама; 2 – станина; 3 – блок цилиндров; 4 – цилиндровая втулка; 5 – крышка цилиндра; 6 – блок-картер Фундаментная рама является основанием деталей остова, предназначена для укладки коленчатого вала и служит емкостью для сбора масла, вытекающего из узлов смазывания двигателя. Станина (картер) служит для соединения цилиндров с фундаментной рамой, образует закрытое пространство для КШМ. Цилиндры – часть двигателя, где осуществляется рабочий цикл. В тронковых двигателях станина и блок цилиндров объединяются в одну деталь (блок-картер). Крышка цилиндра закрывает и уплотняет рабочий цилиндр и образует вместе с поршнем и втулкой камеру сгорания. Детали движения. На рисунке 2.13 показаны основные детали движения. Поршень – предназначен воспринимать давление газов и передавать усилие через шатун на коленчатый вал двигателя. Шатун – соединяет поршень с коленчатым валом или с крейцкопфом. Служит для передачи усилия от поршня к коленчатому валу. Коленчатый вал – воспринимает усилие от шатуна и передает вращающий момент потребителю (например, на гребной винт). 57 Рисунок 2.13 – Поперечный разрез тронкового четырехтактного ДВС: 1 – поршень; 2 – шатун; 3 – коленчатый вал 2.1.10 Состав и свойства топлив, применяемых в ДВС Основным топливом для ДВС являются продукты переработки нефти. Топливо, применяемое в судовых ДВС, делится на два класса – дистиллятное и тяжелое. Дистиллятное топливо – продукт перегонки (дистилляции) нефти. Это топливо имеет малую вязкость, используется в высоко- и среднеоборотных ДВС, иногда в МОД на режимах пуска и маневрирования, а также как добавка к тяжелому топливу для понижения его вязкости. Тяжелое топливо – смесь крекинг-остатков с дистиллятами. Подразделяется на средне- и высоковязкие сорта. Средневязкие: моторное топливо ДТ, получаемое смешиванием мазута с дистиллятами; флотские мазуты Ф-5, Ф-12, обычно состоящие из 60–70 % маловязкого мазута прямой перегонки, 15–20 % солярового масла и 20–30 % крекинг-мазута. К высоковязкому остаточному топливу относятся: моторное топливо; ДМ; мазуты М-0,9, М-1,5 и М-2,0; топочные мазуты М40 и М40 В. Тяжелое топливо обладает значительно худшими показателями, и его применение требует дополнительных затрат на топливоподготовку, но использование в судовых МОД и СОД является экономически оправданным. Они в 1,5–2,0 раза дешевле дистиллятных. Кроме нефтяного можно использовать и другое топливо. 58 Элементарный состав топлива нефтяного происхождения изменяется примерно в следующих пределах: С – 83–87 %; Н – 12–14 %; S – 0,1–5,0 %; O – 0,1– 1,0 %; N – 0,1–0,2 %. Теплота сгорания – количество теплоты (энергии), выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива. Плотность топлива – отношение массы топлива к занимаемому им объему. У дизельного топлива плотность ρ = 830–890 кг/м 3 , у тяжелых доходит до 990 кг/м 3 (моторное 900–910 кг/м 3 , мазуты 950–990 кг/м 3 ). При увеличении температуры плотность уменьшается, и это нужно учитывать при определении запасов топлива на судне по формуле (2.7) где γ = (0,712–0,528) – поправочный коэффициент. Испаряемость (фракционный состав) указывает температурные пределы постепенного выкипания различных фракций топлива. Фракционный состав топлива оказывает влияние на качество смесеобразования. Широкий фракционный состав вызывает ухудшение качества распыливания. Вязкость (внутреннее трение) топлива – свойство оказывать сопротивление при перемещении частиц вещества под действием внешней силы. Является важнейшей физической характеристикой, определяющей качество распыливания, характер и дальнобойность топливной струи, текучесть топлива по трубопроводам. Различают кинематическую, динамическую и условную вязкость. Единицей кинематической вязкости ν является Стокс (Ст), см 2 /с. В основных единицах СИ кинематическая вязкость измеряется в м 2 /с, 1Ст = 10-4 м 2 /с. Условной вязкостью (ВУ) принято считать отношение времени истечения 200 мл топлива из вискозиметра при температуре испытания t ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 °С. Единица измерения °ВУ (градус вязкости условной) соответствует °Е − градусу Енглера. Динамическая вязкость − μ = vρ [Па×с]. Коксуемость – способность топлива к отложению нагара; выражается в процентах. Коксовым числом называется процентное количество твердых частиц нагара, которые остаются после выпаривания топлива. Они оказывают абразивное действие на детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Кислотность – оценивается количеством миллиграммов КОН, необходимого для нейтрализации кислот, содержащихся в 1 мл топлива. Кислотность вызывает коррозию. Допускаемая кислотность не более 5 мг КОН. Температура вспышки Т всп – минимальная температура, при которой топливо, испаряясь, вспыхивает при соприкосновении с открытым пламенем. Российский морской регистр судоходства (РМРС) допускает использовать на судах топливо, температура вспышки которого в закрытом тигле не ниже 61 °С. Т всп – показатель пожарной опасности. Температура самовоспламенения – минимальная температура, при которой топливо воспламеняется в присутствии воздуха и продолжает гореть без воздействия постороннего источника зажигания. 59 Температура застывания – температура, при которой теряется способность текучести; для топлив судовых ДВС находится в диапазоне +5…–60 °С. Цетановое число характеризует склонность топлива к самовоспламенению. Продолжительность периода задержки самовоспламенения определяется по совпадению периода задержки самовоспламенения эталонного и испытуемого топлива, т.е. цетановым числом называется показатель воспламеняемости топлива, численно равный такому процентному (по объему) содержанию цетана (С 16 Н 34 ) в смеси с α-метилнафталином (С 10 Н 7 СН 3 ), при котором периоды задержки воспламенения этой смеси и испытуемого топлива будут одинаковы (цетан – легковоспламеняющееся; α-метилнафталин – трудновоспламеняющееся вещество, цетановое число которого = 0). У дизельного топлива ц.ч. = 40–60, у тяжелого топлива ц.ч. = 25–40. Октановое число характеризует антидетонационные свойства топлива. Октановое число для бензинов может превышать значение 100. Зольность топлива определяется количеством остатков веществ минерального происхождения, образующихся в результате сжигания топлива. Наиболее вредными зольными элементами являются пятиокиси ванадия V 2 O 5 и соли Nа, так как у них низкая температура плавления (550–600 °С) и они прилипают к металлическим поверхностям. Содержание золы должно быть меньше 0,01–0,02 % в дизельном топливе и меньше 0,15 % в тяжелом. Механические примеси в топливе разрушают сопловые отверстия форсунок, что увеличивает длину факела. Возможно зависание плунжеров топливной аппаратуры. Особенно опасны частицы размером более 5 мкм. Показатель механических примесей для тяжелого топлива должен составлять не более 0,5 %. Вода снижает теплоту сгорания топлива, вызывает электрохимическую коррозию плунжерных пар. Содержание воды в топливе для МОД должно быть меньше 1 %, в ВОД – недопустимо вообще. Сера – в тяжелом топливе доходит до 5 %. Вызывает коррозию, усиливает нагарообразование. При горении сера окисляется до сернистого ангидрида (SO 2 ) и серного ангидрида (SO 3 ). Реагируя с водяными парами, они образуют пар H 2 SO 4 Реакция усиливается в присутствии ванадия или никеля (которые являются катализаторами). При температуре верхнего пояса цилиндра < 150 °С на нем конденсируются пары H 2 SO 4 и способствуют активной электрохимической коррозии цилиндра и поршневых колец. Для борьбы необходимо поддерживать высокую температуру воды в зарубашечном пространстве и применять высокощелочные масла, которые нейтрализуют кислоту. 2.1.11 Смазочные материалы для ДВС Смазочные материалы разделяются на жидкие, пластичные и твердые. Жидкие смазочные материалы (масла) применяются в высокоскоростных подшипниках с гидродинамическим режимом трения и в гидростатических подшипниках. Кроме собственно смазочного действия они обеспечивают отвод теплоты из зоны трения. 60 Пластичные (консистентные) смазки применяются: – в открытых, негерметизированных узлах трения; – в труднодоступных местах; – при одновременном использовании в качестве материала для консервации; – для герметизации подвижных уплотнений и сальников; – при высоких нагрузках и малых скоростях, ударных нагрузках, периодической работе и частых остановках; – при вынужденном контакте узла трения с водой. Твердые смазки используются как присадки к пластичным смазкам; наполнители материалов на полимерной основе и твердосмазочные покрытия; компоненты материалов, получаемых методом порошковой металлургии. Основным компонентом жидких и пластичных смазочных материалов является хорошо очищенное базовое масло. Его получают из мазута. Мазут перегоняют на масла в вакууме в присутствии водяного пара. Различают масляные дистилляты (продукты перегонки) и остаток, или полугудрон. Из дистиллятов получают дистиллятные масла, а из остатка – остаточные (масла с повышенной вязкостью). Жидкие смазочные материалы – это базовые масла, легированные присадками. Присадки в базовые масла вводят в строго определенных количествах, в результате получаются легированные смазочные материалы, значительно отличающиеся по своим свойствам от исходных природных масел. Основные типы присадок: антиокислительные, антикоррозионные, противопенные, моющие, антиэмульсионные, вязкостные, депрессорные, противозадирные и противоизносные, противоскачковые (снижают разность между силой трения покоя и силой трения движения). Смазочные масла подразделяются в зависимости от применения на моторные, индустриальные и специальные (компрессорные, турбинные и др.). Контрольные вопросы: 1. Назовите основные узлы, детали и системы судового дизеля. 2. Поясните, в чем состоит принципиальное отличие двухтактного дизеля от четырехтактного. 3. Назовите признаки, по которым классифицируют судовые дизели. Как маркируют судовые дизели? 4. Перечислите основные узлы, детали и системы дизеля. 5. Назовите основные параметры, характеризующие экономичность дизеля. 6. Изобразите индикаторные диаграммы двух- и четырехтактных дизелей. В чем проявляется их отличие? 7. Нарисуйте круговые диаграммы газораспределения двух- и четырехтактных дизелей. Поясните, какие процессы и характерные углы на них изображены? Литература [3, 4, 6, 8, 9] |