книги из ГПНТБ / Пособие мотористу рыбопромыслового судна [практическое руководство] Е. М. Соловьев. 1960- 14 Мб

§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ Д. В. С.

Существует следующая классификация двигателей внутрен­

него сгорания.

По основному назначению двигатели делят на ста­ ционарные, наземного транспорта, авиационные и судовые. Су­ довые двигатели по своему назначению делятся на главные и вспомогательные. Главные двигатели приводят в движение греб­ ные винты и тем самым обеспечивают ход судна. Вспомогатель­

ные двигатели обеспечивают работу вспомогательных механиз­ мов: электрогенераторов, компрессоров, насосов и др.

По осуществлению рабочего цикла двигатели делят на четырехтактные и двухтактные.

По роду применяемого топлива различают дви­ гатели, работающие на жидком топливе, на газообразном топ­

ливе (генераторный или естественный газы) и работающие по

газожидкостному циклу (используется одновременно газообраз­ ное и жидкое топливо).

По способу образования горючей смеси дви­ гатели различают в зависимости от того, где образуется горю­ чая смесь: внутри рабочего цилиндра, вне его или частично внутри и частично вне.

К первой группе относят двигатели, у которых топливо впры­

скивается в рабочий цилиндр через специальное устройство

(форсунку) за счет давления, создаваемого топливным насосом.

Впрыснутое топливо мелко распыляется и смешивается в ци­ линдре с воздухом, сильно нагретым в результате сжатия. Такие двигатели называют дизелями.

Ко второй группе относят карбюраторные двигатели, т. е. такие двигатели, у которых горючая смесь из паров топлива и

воздуха подготавливается в особом приборе, называемом кар­ бюратором. Из него подготовленная горючая смесь подается

вцилиндр двигателя.

Ктретьей группе относят двигатели, работающие по газо­ жидкостному циклу. В таких двигателях в цилиндр подается

смесь горючего газа с воздухом, подготовленная в специальном приборе — смесителе, и небольшая порция жидкого топлива, ко­ торая перемешивается с газо-воздушной смесью в цилиндре.

По способу наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом различают двигатели:

без наддува:

снаполнением рабочего цилиндра воздухом или горючей

смесью за счет разрежения, создаваемого в цилиндре при дви­

жении поршня вниз (четырехтактные двигатели);

с наполнением рабочего цилиндра воздухом, подаваемым с небольшим давлением (до 0,5 атм), при одновременной его очистке от отработавших газов (двухтактные двигатели);

с наддувом (четырех- и двухтактные), у которых подача воз­

9

духа или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит при по­ вышенном давлении (2 атм и выше), создаваемом специальным

нагнетателем (воздуходувкой), чем достигается увеличение за­ ряда и повышение мощности;

с частичным наддувом, у которых большая часть воздуха по­ дается с нормальным давлением, а меньшая — с повышенным давлением.

По способу воспламенения горючей смеси в цилиндре различают:

двигатели, у которых мелко распыленное топливо самовос­

пламеняется при смешивании с воздухом вследствие высокой

температуры, возникающей в рабочем цилиндре во время сжа­ тия воздуха поршнем; к таким двигателям относятся дизели;

двигатели, у которых воспламенение горючей смеси совер­ шается при помощи особого запального устройства — калориза­ тора, предварительно нагреваемого внешним источником тепла, например пламенем паяльной лампы, а затем поддерживаемого в нагретом состоянии теплом, выделенным при сгорании внутри рабочего цилиндра очередной порции топлива; к ним относятся калоризаторные двигатели;

двигатели, у которых горючая смесь воспламеняется от элек­

трической искры, получаемой от специального устройства; к ним

относятся карбюраторные двигатели и двигатели, работающие на всех видах газообразного топлива.

По способу действия различают двигатели простого и двойного действия. В двигателях простого действия рабочий цикл совершается в одной полости цилиндра (над поршнем),

10

В двигателях двойного действия рабочий цикл попеременно со­ вершается в обеих полостях рабочего цилиндра.

Двигатели различают по конструктивному выпол­ нению.

Взависимости от системы механизма движения двигатели бывают тронковые (рис. 5, б), у которых поршень, шарнирно

соединенный с шатуном, воспринимает возникающие при работе

боковые усилия и передает их на стенки цилиндра, и крейцкопф­ ные (рис. 5, а), у которых поршень соединен с шатуном через шток и ползун (крейцкопф), передающий боковые усилия через параллели к станине двигателя. Тронковыми выполняют боль­ шинство быстроходных двигателей, которые должны иметь ма­

лые габариты и вес, и тихоходные двигатели с мощностью й ци­ линдре не выше 400 л. с. Более мощные тихоходные двигатели

ивсе двигатели двойного действия выполняют крейцкопфными.

Взависимости от расположения цилиндров различают дви­ гатели с вертикальным и горизонтальным расположением ци­ линдров, V-образные или двухрядные, W-образные или трехряд­

ные и звездообразные.

Двухтактные двигатели иногда выполняют с противополож­ ным движением поршней. В каждом цилиндре такого двигателя

помещены два поршня (рис. 6), при сближении которых соз­ дается сжатие, а при расхождении происходит расширение. Вы­ пуск продуктов сгорания и подача воздуха или горючей смеси в цилиндры производятся через окна, расположенные по кон­ цам цилиндра.

По направлению вращения коленчатого ва-

л а различают двигатели правого и левого вращения. Двига­

телями правого вращения считаются такие, у которых вращение коленчатого вала на передний ход происходит по часовой стрелке, если смотреть со стороны потребителя энергии (винта, генератора). У двигателей левого вращения коленчатый вал вращается против часовой стрелки.

По способу изменения направления враще­ ния вала двигатели делят на реверсивные и нереверсивные.

Передний и задний ход судна может быть достигнут изменением направления вращения гребного винта. Заставить вращаться гребной винт в обратную сторону для обеспечения заднего хода можно двумя способами: либо изменить направление вращения коленчатого вала двигателя, либо только гребного вала.

Двигатели, у которых может быть изменено направление вращения коленчатого вала, называются реверсивными. Ревер­ сивные двигатели, как правило,— двигатели больших мощностей.

Коленчатые валы нереверсивных двигателей вращаются только в одном направлении. У быстроходных и маломощных нереверсивных двигателей изменение направления вращения гребного винта достигается при помощи реверсивной передачи,

устанавливаемой между двигателем и валопроводом.

11

По быстроходности различают двигатели быстроход­

ные и тихоходные. У тихоходных средняя скорость поршня дости­ гает 6,5 м/сек, у быстроходных — 6,5 м/сек и больше. Средней на­ зывается такая скорость поршня, которую он имел бы при равно­ мерном движении в течение всего хода от одного крайнего поло­ жения до другого. В действительности скорость поршня — вели­

чина переменная. Она равна нулю в крайних положениях и до­

стигает наибольшей величины примерно посредине хода.

Действующим стандартом ГОСТ 4393—48 отечественные су­ довые двигатели маркируются в зависимости от их типа сле­

дующими условными обозначениями:

Ч — четырехтактный;

Д — двухтактный;

ДД — двухтактный двойного действия;

Р — судовой реверсивный; К — крейцкопфный;

Н— с наддувом;

С— судовой с реверсивной муфтой;

П — с редукторной передачей.

Для обозначения числа цилиндров перед буквенной марки­ ровкой ставят соответствующую цифру.

Цифру, стоящие после букв в числителе, показывают диа­

линдровый, четырехтактный, судовой с реверсивной муфтой и редукторной передачей (с реверс-редуктором), с диаметром ра­ бочего цилиндра 105 мм и длиной хода поршня 130 мм;

6ДР 30/50 — шестицилиндровый, двухтактный, реверсивный,

с диаметром цилиндра 300 мм и длиной хода поршня 500 мм.

§4. РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ Д. В. С.; ИНДИКАТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ

ИКРУГОВЫЕ ДИАГРАММЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Четырехтактные дизели. Рабочий цикл четырехтактного ди­ зеля осуществляется за четыре хода поршня. На рис. 7 пока­ зана работа такого дизеля.

I такт — впуск или в с а с ы в а н и е. Поршень движется вниз. Открывается находящийся в крышке цилиндра специаль­ ный клапан 1, называемый впускным. При движении поршня

вниз в полости цилиндра создается разрежение, в результате через проходное сечение клапана в цилиндр засасывается чи­

стый воздух. На протяжении всего хода поршня впускной кла­ пан открыт. К тому времени, когда поршень придет в н. м. т., цилиндр будет заполнен чистым воздухом.

поршня в в. м, т, становится равным объему камеры сжатия.

12

При сжатии воздух сильно нагревается. Когда поршень под­

ходит к в. м. т., в цилиндр через специальное распиливающее

устройство впрыскивается топливо; оно попадает в нагретый до высокой температуры воздух, перемешивается с ним и тоже на­ гревается. После того как поршень пройдет в. м. т., т. е. начнет двигаться вниз, подготовленная горючая смесь самовоспламе­ няется и сгорает.

III такт — горение и расширение. При сгорании

смеси в цилиндре образуются продукты сгорания — газы, имею­ щие высокую температуру. Газы стремятся увеличиться в объ­

еме, вследствие чего давление их быстро возрастает. Расши­ ряясь, газы давят на поршень (клапаны в крышке цилиндра в это время закрыты), заставляя его двигаться вниз. Поршень через шатун воздействует на коленчатый вал, приводя его во вращение.

IV такт — выпуск или выталкивание. После такта расширения происходит процесс удаления из цилиндра от­ работавших газов или выпуск. Выпуск начинается в конце рас­ ширения, когда поршень подходит к н. м. т. В это время откры­ вается находящийся в крышке цилиндра второй клапан 2, назы­ ваемый выпускным. Отработавшие газы имеют более высокое давление, чем давление окружающего воздуха, поэтому они на­ чинают вытекать из цилиндра через открытый клапан в выпуск­ ную трубу (свободный выпуск). При дальнейшем вращении

коленчатого вала поршень из н. м. т. будет двигаться вверх и выталкивать оставшиеся отработавшие газы (принудительный

выпуск).

Тактом выпуска рабочий цикл двигателя заканчивается. После этого начинается такт впуска следующего цикла.

Чтобы наглядно и ясно представить все изменения давления

газов, которые происходят в цилиндре двигателя в течение ра­ бочего цикла, строят график зависимости давления в цилиндре от хода поршня. Такой график называется индикаторной диа­ граммой двигателя (рис. 8).

Вертикальная ось р диаграммы носит название оси давле­ ний. На ней в выбранном масштабе наносят давление в кг/см2

или в атмосферах. Горизонтальная ось v называется осью объ­ емов. На ней в определенном масштабе откладывают объемы

газа в цилиндре при определенных положениях поршня. Пере­ сечение оси давлений и оси объемов называется начальной точкой.

Рассмотрим теоретическую индикаторную диаграмму (рис. 8, а). На расстоянии, равном 1 атм от оси объемов, проведем

линию, которая называется атмосферной, так как соответствует

атмосферному давлению. Когда поршень находится в в. м. т., объем камеры сжатия на диаграмме соответствует точке 1 на

14

через клапан без всякого сопротивления).

Когда поршень подойдет к н. м. т., состояние газов в ци­ линдре будет характеризоваться точкой 2. Таким образом, из­

менение объема и давления воздуха в цилиндре во время такта впуска на диаграмме выражается линией 1—2, совпадающей с атмосферной. Во время такта сжатия, когда клапаны закрыты, поршень движется от и. м. т. к в. м. т. Объем цилиндра умень­ шается, давление возрастает (линия 2—3).

Рис. 8. Индикаторные диа­ граммы рабочего цикла че­ тырехтактного дизеля: а — теоретическая; б — действи­ тельная.

В конце сжатия, когда поршень находится в в. м. т., не­ сколько ранее впрыснутое топливо сгорает, и при этом повы­ шается температура и давление, которое растет настолько

ливо еще продолжает гореть, выделяя тепло, то давление в ци­ линдре должно было бы повыситься, если бы объем оставался неизменным. Но поршень движется вниз, объем увеличивается, в результате давление остается неизменным (линия 4—5). По­ сле полного сгорания топлива расширение газов во время рабо­ чего хода сопровождается падением давления, так как увеличи­ вается объем цилиндра (линия 5—6). Когда поршень приходит

в н. м. т., открывается выпускной клапан и начинается вытека­ ние отработавших газов из цилиндра. Давление резко падает до атмосферного (линия 6—2). Во время обратного хода (выпуск) поршень выталкивает отработавшие газы, и, так как полость цилиндра сообщена с атмосферой, давление в цилиндре теоре­

15

тически не изменяется. Линия выпуска 2—1 совпадает с ли­ нией 1—2.

В действительности рабочий цикл отличается от описанного теоретического, и действительная индикаторная диаграмма, сни­

маемая с работающего двигателя специальным прибором (инди­ катором), будет выглядеть иначе (рис. 8, б). Когда поршень находится в в. м. т. (конец выпуска), давление в цилиндре при­ мерно равно атмосферному и состояние газов в цилиндре ха­ рактеризуется на диаграмме точкой 1. Ввиду того, что во время такта впуска воздух, входя в цилиндр, испытывает сопротивле­ ние впускной системы, давление в цилиндре будет меньше ат­

мосферного (0,8—0,95 /<г/с.и2), и изменение его изобразится ли­

ний 1—2, идущей ниже атмосферной линии. В точке 2 начи­ нается сжатие, которое продолжается до точки 3. Давление

в конце сжатия у четырехтактных дизелей, работающих по

этому циклу, достигает 28—35 кг/см2, температура 480—580° С. Топливо в цилиндр двигателя впрыскивается с некоторым опе­ режением, когда поршень еще не доходит до в. м. т. Благодаря высокой температуре в конце сжатия, сгорание топлива начи­

нается раньше, чем заканчивается сжатие. На диаграмме это изобразится тем, что линия сгорания 3—4 пойдет вверх плавно,

округляясь у точки 3. От того, что часть топлива сгорела, дав­ ление резко повышается и в точке 4 достигает 45—60 кг/см2, а температура — примерно 800° С. Затем поршень начинает дви­ гаться к н. м. т., несгоревшее топливо продолжает гореть, давле­ ние остается постоянным (линия 4—5), температура повы­ шается и в точке 5 достигает 1700° С. Во время процесса расши­ рения давление уменьшается (линия 5—6). Переход от сгорания

к расширению совершается также плавно, в результате у точки 5 линия скругляется. В конце такта расширения, когда поршень еще не дошел до н. м. т., открывается выпускной клапан и от­ работавшие газы под давлением 3—4,5 кг!см2 вытесняются на­ ружу. Вследствие того, что выпускной клапан открывается с опережением, диаграмма около точки 6 тоже скругляется.

Давление падает до 1,08—1,2 кг!см2. Поршень движется от н. м. т. до в. м. т., и отработавшие газы принудительно вытал­ киваются (линия 6—1). Давление в цилиндре больше, чем дав­ ление окружающего воздуха, вследствие сопротивления выпуск­ ной системы при выталкивании газов. Температура отработав­ ших газов в начале принудительного выпуска в точке 6 равна

примерно 700° С, в конце выпуска (в точке 1) 400—500° С.

Из рассмотренной диаграммы видно, что часть топлива в ци­ линдре сгорает при постоянном объеме (линия 3—4), а часть — при постоянном давлении (линия 4—5). Поэтому описанный

цикл носит название цикла смешанного сгорания.

Величина степени сжатия у дизелей, работающих по этому циклу, колеблется в пределах 15—18.

При теоретическом рассмотрении рабочего цикла для упро-

16

щения предполагается, что открытие впускного и закрытие вы пускного клапанов происходят при положениях поршня в мерт­ вых точках. В действительности открытие и закрытие клапанов осуществляется раньше или позднее прихода поршня в мертвые

точки. Для наглядности моменты открытия и закрытия клапа­ нов, а также продолжительность процессов цикла, измеряемую в градусах поворота коленчатого вала, изображают на круговых диаграммах.

На рис. 9 изображена круго­ вая диаграмма газораспределе­ ния четырехтактного быстроход­ ного дизеля. Как видно из диа­ граммы, впускной клапан откры­ вается раньше прихода поршня

вв. м. т. с опережением в 20° и закрывается с запаздыванием в

48°. Это делается для того, чтобы

вдвигатель поступил больший за­

Ввиду того, что впускной клапан открывается с опереже­

нием, а выпускной закрывается с запаздыванием, эти клапаны

в течение некоторого времени будут открыты одновременно. Момент, когда оба клапана открыты одновременно, назы­

вается перекрытием клапанов. Несмотря на то, что перекрытие

клапанов длится в течение поворота коленчатого вала на 40°,

нарушения работы газораспределения не происходит: через впускной клапан поступает чистый воздух, а через выпускной удаляются отработавшие газы. Это объясняется тем, что отра­

ботавшие газы и чистый воздух проходят через проходные сече­ ния клапанов с большой скоростью. Перекрытие клапанов длится очень короткое время (тысячные доли секунды), и, не­ смотря на то, что во время выпуска открывается впускной кла­ пан и поршень, достигнув в. м. т., начинает двигаться вниз, от­

работавшие газы выталкиваются через проходное сечение вы-

'' •. ПУБЛИЧНАЯ

пускного клапана до конца по инерции, не успевая изменить направление своего движения к впускному клапану.

Двухтактные дизели. На рис. 10 показаны устройство и ра­ бота двигателя, в котором рабочий цикл совершается в два такта. Устройство такого двухтактного дизеля отличается от

Рис. 10. Схемы устройства и работы двухтакт­ ного дизеля: а — расширение; б—выпуск; в-— продувка; г — сжатие.

устройства четырехтактного тем, что вместо впускного и выпуск­

ного клапанов цилиндр имеет в своей нижней части окна. Окна

4, соединяющиеся с трубой, которая выходит в атмосферу, на­ зываются выпускными. Окна 2, соединяющиеся с продувочным насосом 1, под давлением которого подается в рабочий цилиндр воздух, называются продувочными. Верхние кромки продувоч­ ных окон расположены ниже верхних кромок выпускных окон.

18