- •Часть I. Дизельные и газотурбинные установки
- •Часть I. Дизельные и газотурбинные установки.Учебное пособие.
- •Isbn5-7723-0403-8 © Севмашвтуз, 2003 г.
- •1. Краткая историческая справка возникновения и
- •2. Назначение, классификация и состав судовой
- •3. Основные показатели судовых энергетических
- •4. Основы термодинамики. Термодинамические
- •Глава 1.
- •1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания
- •1.2. Особенности судовых дизельных установок
- •1.3. Принцип действия дизельных двигателей.
- •1.4. Конструкция основных узлов дизельных
- •1.5. Топлива и масла, применяемые в судовых
- •1.6. Основные показатели работы дизельного
- •1.7. Потери энергии в дизельном двигателе.
- •1.8. Способы повышения мощности дизелей.
- •1.9. Основные компоновочные схемы дизельных
- •1.10. Системы дизельных энергетических установок
- •1.11. Передача мощности на гребной вал. Размещение
- •Глава 2.
- •2.1. Классификация газотурбинных двигателей
- •2.2. Основные понятия и определения газотурбинных
- •2.3. Общее устройство и принцип действия гтд
- •2.4. Идеальный термодинамический цикл гту.
- •2.5. Потери энергии в газотурбинной установке.
- •2.6. Способы повышения экономичности гту
- •2.7. Системы газотурбинных установок
- •2.8. Основные характеристики гту
- •2.9. Гту замкнутого и полузамкнутого циклов
- •2.10. Передача мощности на движитель.
- •Часть I. Дизельные
- •164500, Г. Северодвинск, ул. Воронина, 6
1.2. Особенности судовых дизельных установок
Дизельные энергетические установки, как и любые другие типы энергетических установок, имеют свои особенности, характеризующие их как с положительной, так и с отрицательной стороны.
К положительным свойствам ДЭУ следует отнести:
малое время приготовления и постоянную готовностью к действию;
высокую степень использования теплоты сгорания топлива: эффективный КПД дизельных двигателей является самым высоким среди всего многообразия других типов ЭУ и составляет от 40 до 50% (особенно у МОД с глубокой утилизацией теплоты);
возможность длительной работы без пополнения запасов топлива на судне;
взрыво- и пожаробезопасность дизельных двигателей;
возможность использования для работы тяжелых и дешевых сортов топлива;
относительно низкий температурный уровень, создаваемый в машинном отделении;
простоту осуществления дистанционного автоматического управления;
широкие диапазоны мощностей, частот вращения, габаритов и массы, позволяющие создавать высокоэффективные установки для судов различных классов.
К отрицательным свойствам ДЭУ относятся:
сложность конструкции;
повышенные металлоемкость и трудоемкость изготовления;
высокий уровень шума дизелей (особенно у СОД и ВОД);
значительные массогабаритные показатели, особенно ощутимые у МОД крейцкопфного типа большой мощности;
ограниченный ресурс по сравнению с другими СЭУ (особенно у СОД и ВОД);
использование для работы СОД и ВОД дорогих топлив высокого качества.
Основные концепции современного развития дизелестроения направлены на повышение экономичности, агрегатной мощности, ресурса и надежности дизельных двигателей, снижение трудовых затрат на обслуживание в процессе эксплуатации и удельной металлоемкости.
1.3. Принцип действия дизельных двигателей.
ИНДИКАТОРНЫЕ И КРУГОВЫЕ ДИАГРАММЫ
Дизелемназывают ДВС с внутренним смесеобразованием, в котором тяжелое жидкое топливо, вводимое в распыленном состоянии в цилиндр в конце хода сжатия, самостоятельно воспламеняется в горячем сжатом воздухе. Основными понятиями, относящимися ко всем дизельным двигателям, являются (рис. 17):

верхняя мертвая точка(ВМТ) – положение поршня, при котором он наиболее удален от оси коленчатого вала;
нижняямертваяточка(НМТ) – положение поршня наиболее близкое к оси коленчатого вала;
ходпоршня
,
[м] – расстояние между ВМТ и НМТ:
;
р
абочийобъемцилиндра
,
[м3] – объем, описываемый
поршнем при движении между ВМТ и НМТ
:
Рис. 17.
К основным понятиям
дизельного
двигателя.
объем камеры сжатия
,
[м3] – объем
цилиндра над поршнем при нахождении
его в
ВМТ;
полныйобъемцилиндра
,[м3]
– сумма рабочего объема цилиндра
и объема камеры сжатия:
![]()
Принцип действия четырехтактного дизеля
Рабочий цикл в цилиндре четырехтактного дизеля осуществляется за два оборота коленчатого вала (4 хода поршня). Цилиндр четырехтактного дизеля закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда воздуха и выпуска продуктов сгорания (рис. 18). Впускные и выпускные клапаны удерживаются в закрытом положении пружинами и давлением, создаваемым в цилиндре в периоды сжатия, сгорания топлива и расширения. Открытие клапанов в необходимые моменты времени осуществляется с помощью газораспределительного механизма.
Рис.
18. Рабочие процессы и индикаторная
диаграмма четырехтактного дизеля (без
наддува).
абочий
цикл четырехтактного дизеля состоит
из следующих процессов (тактов):впуска,сжатия,расширения(рабочего
хода) ивыпуска, и происходит
следующим образом (рис. 18):
Первый такт – впуск. В
начальный момент времени давление в
цилиндре двигателя несколько выше
атмосферного – точка1индикаторной
диаграммы (рис. 18). Поршень из ВМТ начинает
свое движение к НМТ, открывается впускной
клапан и поршень всасывает в цилиндр
свежий заряд воздуха (процесс
).
При этом давление в цилиндре устанавливается
чуть ниже атмосферного (для двигателей
без наддува) за счет гидравлического
сопротивления впускного клапана. Часто
для увеличения массы свежего заряда
воздух предварительно сжимают в
компрессоре до избыточного давления
0,13 ÷ 0,4МПа, а затем охлаждают в
воздухоохладителе. Такое увеличение
массы свежего заряда называется
наддувом.
Второй такт – сжатие. Поршень
из НМТ начинает движение к ВМТ. Впускной
клапан закрывается и происходит сжатие
воздуха, поступившего в цилиндр дизеля.
При этом уменьшается объем заряда
воздуха, повышается его давление
(процесс
)
до 3,6 ÷ 4,0МПав дизелях без наддува,
а при высоком наддуве – до 11,0МПа,
что сопровождается увеличением
температуры воздуха до 500оСи выше. В конце такта, при нахождении
поршня вблизи ВМТ, в цилиндр через
форсунку начинает поступать мелко
распыленное топливо, которое от
соприкосновения с горячим воздухом
самовоспламеняется и начинает гореть.
При сгорании топлива давление в цилиндре
повышается до 5,5 ÷ 8,5МПав дизелях
без наддува, и до 11,0 ÷ 14,5МПав дизелях
с высокой степенью наддува. Процесс
сгорания ~ 40 % топлива в конце такта
сжатия близок к изохорному (изображен
на индикаторной диаграмме линией
)
и происходит при нахождении поршня
вблизи ВМТ.
Третий такт – расширение(рабочий ход). В начале такта
расширения топливо продолжает поступать
в цилиндр дизельного двигателя, и
процесс сгорания ~ 60 % топлива при начале
движения поршня от ВМТ к НМТ близок к
изобарному (процесс
на диаграмме). По окончании сгорания
топлива происходит расширение продуктов
сгорания (процесс
на индикаторной диаграмме). Расширяющиеся
продукты сгорания воздействуют на
поршень, совершая полезную работу.
Давление газов в цилиндре двигателя и
их температура в ходе процесса расширения
понижаются.
Четвертый такт – выпуск.
По окончании хода расширения открывается
выпускной клапан, и поршень начинает
движение от НМТ к ВМТ. При этом происходит
выпуск отработавших газов через
выпускной клапан (процесс
на индикаторной диаграмме). Давление
в цилиндре в процессе выпуска газов
несколько выше атмосферного за счет
гидравлического сопротивления выпускного
клапана.
Таким образом в четырехтактном дизельном двигателе полезным является только такт расширения (рабочий ход), остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров двигателя.
роцессы
газообмена в цилиндре дизельного
двигателя (фазы газораспре-деления)
могут быть изображены на двух окружностях,
обозначающих периоды открытия впускных
и выпускных клапанов в функции угла
поворота коленчатого вала. Такие
диаграммы называютсядиаграммами
газораспределенияиликруговыми
диаграммами.
Рис.
19. Круговая диаграмма
четырехтактного
дизеля.
Свободный выпуск– осуществляется
за счет разницы атмосферного давления
и давления в цилиндре двигателя в
момент открытия выпускного клапана
(линия
диаграммы). При этом газы с большой
скоростью устремляются в выпускной
патрубок двигателя. Продолжительность
периода свободного выпуска примерно
соответствует углу предварения открытия
выпускного клапана (
ПКВ). Тепловая и кинетическая энергия
выпускных газов, как правило, используется
для привода турбокомпрессора или работы
утилизационных котлов.
Принудительный выпуск– теоретически начинается в НМТ и заканчивается в ВМТ. Это принудительное выталкивание продуктов сгорания из цилиндра телом поршня.
Продувка – в конце хода
выпуска открывается впускной клапан
(линия
,
ПКВ до ВМТ), а выпускной остается
открытым. При двух открытых одновременно
клапанах происходит продувка камеры
сгорания воздухом и удаление оставшихся
в цилиндре газов. Кроме того, продувка
снижает температуру стенок камеры
сгорания, поршня и выпускных клапанов,
улучшая условия работы и увеличивая
срок их службы. Продолжительность
продувки составляет ~ 1100ПКВ.
Наполнение – теоретически
начинается в ВМТ, а фактически – с
момента закрытия выпускного клапана
(линия
,
ПКВ за ВМТ) и частично протекает
одновременно с продувкой. Окончание
наполнения совпадает с приходом поршня
в НМТ.
Дозарядка – поршень движется
вверх по ходу сжатия, а впускной клапан
некоторое время остается открытым до
момента, соответствующего линии
на диаграмме (
ПКВ после НМТ). Воздух продолжает
поступать в цилиндр по инерции и
несколько увеличивает плотность заряда
в цилиндре.
Принцип действия двухтактного дизеля
Из рассмотрения индикаторной диаграммы четырехтактного дизельного двигателя видно, что он только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Остальное время (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос. Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных дизелях, в которых рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Необходимая замена отработавших газов свежим воздухом происходит на небольшой части хода поршня в конце такта расширения и в начале такта сжатия, и составляет примерно 140 ÷ 150 оПКВ.

Рис.
20. Схема двухтактного
дизельного
двигателя
Рис. 21. Рабочие
процессы и индикаторная диаграмма
двухтактного дизеля

на диаграмме). При последующем движении
поршень закроет выпускные окна, причем
в период, изображенный на диаграмме
линией
,
из цилиндра выталкивается часть свежего
заряда воздуха. После закрытия поршнем
выпускных окон, начинается сжатие
воздуха, сопровождающееся повышением
давления и температуры (процесс сжатия
изображен на диаграмме линией
).
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр
впрыскивается мелко распыленное
топливо, которое воспламеняется от
соприкосновения с горячим воздухом.
Часть топлива (~ 40 %) сгорает при постоянном
объеме при нахождении поршня вблизи
ВМТ (процесс
).
Второйтакт–рабочий ход (расширение).
Поршень начинает движение от ВМТ к НМТ.
Оставшаяся часть топлива (~ 60 %) сгорает
при постоянном давлении (процесс
).
После полного сгорания топлива происходит
расширение горячих газов (линия
),
которое заканчивается, когда поршень
своей кромкой откроет выпускные окна
в точке 5. С этого момента начинается
свободный выпуск отработавших газов,
сопровождающийся резким понижением
давления в цилиндре (процесс
).
В точке 6 поршень открывает продувочные
окна и начинается продувка цилиндра –
принудительное вытеснение из него
потоком воздуха отработавших газов и
заполнение свежим зарядом воздуха
(процессы
и
на диаграмме).
Теоретически при одинаковых размерах цилиндра и равных числах оборотов в минуту двухтактный дизель может развивать мощность в 2 раза большую, чем четырехтактный. В действительности мощность двухтактного дизеля (при прочих равных условиях) больше лишь в 1,7 ÷ 1,8 раза, чем у четырехтактного, так как часть хода поршня затрачивается на процессы выпуска и продувки. Кроме того на привод навешенного на двигатель продувочного насоса затрачивается 6 – 8 % мощности двигателя.
Весь процесс газообмена двухтактного дизеля можно условно разделить на следующие периоды (рис. 22):
Свободный выпуск– начинается
с момента открытия поршнем выпускных
окон (линия
)
и заканчивается в момент открытия
поршнем продувочных окон (линия
).
В этот период происходит интенсивный
выброс отработавших газов в выпускной
тракт за счет перепада давлений в
цилиндре (~ 0,45МПа) и в выхлопном
патрубке (~ 0,14МПа).
Принудительный выпуск и
продувка– начинаются в
точкеdи заканчиваются
в момент закрытия продувочных окон
(линия
).
При этом происходит принудительное
вытеснение отработавших газов продувочным
воздухом и одновременное заполнение
цилиндра свежим зарядом.
Рис.
22. Круговая диаграмма двухтакт-
ного дизельного
двигателя.

)
успевает вытолкнуть через выпускные
окна часть поступившего в цилиндр
воздуха. Фаза потери заряда воздуха
является нежелательной, поэтому
существует ряд конструктивных решений
для замены ее на фазу дозарядки. Например,
вместо щелевой схемы продувки, описанной
выше, используют прямоточную
клапанно-щелевую схему. В таких
конструкциях дизелей выпускные окна
отсутствуют, а вместо них в крышке
цилиндра устанавливается выпускной
клапан, приводимый в действие от
механизма газораспределения.
