SGEO_D_modul_1_3

СУДОВОЕ ГЛАВНОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Модуль 1.3

1.3.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания

Классификация по назначению. Тип двигателя зависит, прежде всего, от его назначения. По этому признаку двигатели делятся на стационарные, устанавливаемые на неподвижных сооружениях, и транспортные. Подавляющее большинство ДВС относится к транспортным, причем внутри этой группы встречаются двигатели как очень большой мощности (судовые); так и маломощные (лодочные, мопедные). Широкое распространение получили автомобильные двигатели. Роль ДВС в современном мире хорошо характеризует тот факт, что на их долю падает более 80% энергии, вырабатываемой всеми тепловыми двигателями мира, причем достигнуто это в основном за счет транспортных ДВС.
Двигатели, устанавливаемые на судах, делятся на главные и вспомогательные. Главным называется двигатель, являющийся источником энергии, необходимой для выполнения основной задачи судна. У транспортных судов основной задачей является их движение, следовательно, главный двигатель служит для привода движителя (как правило, гребного винта), преобразующего энергию двигателя в работу по преодолению сопротивлений движению судна. У судов технического флота главный двигатель служит для иных целей. Так, у земснарядов он выполняет работу по перемещению грунта, у нефтестанций по перекачке нефтегрузов и т. п.
Все остальные двигатели на судне относятся к вспомогательным. Большей частью они служат для выработки электроэнергии, используемой на внутрисудовые нужды.
Классификация по мощности. Диапазон мощностей, охватываемый ДВС, очень широк: от 1 до 80000 кВт. Согласно классификации ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт) по агрегатной мощности двигатели делятся на четыре группы:
- меньше 74 кВт (100 л. с.) маломощные;
- 74 736 кВт (100 1000 л. с.) средней мощности;
- 736 7360 кВт (1000 10 000 л. с.) мощные;
- больше 7360 кВт (10 000 л. с.) сверхмощные.
Классификация по рабочему циклу: четырехтактные, у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала); двухтактные, у которых рабочий цикл происходит за два хода поршня (один оборот коленчатого вала).
Классификация по роду рабочего цикла: с подводом теплоты при почти постоянном объеме двигатели с принудительным зажиганием топлива и низкой степенью сжатия (карбюраторные и газовые); с подводом теплоты при почти постоянном давлении двигатели с воздушным распыливанием топлива, самовоспламенением и высокой степенью сжатия (компрессорные дизели); со смешанным подводом теплоты все современные дизели с высокой степенью сжатия, механическим впрыском топлива и самовоспламенением.
Классификация по способу действия: простого действия, у которых рабочий цикл осуществляется только в верхней полости цилиндра (имеют преимущественное применение на судах); двойного действия, у которых рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра верхней (над поршнем) и нижней (под поршнем); с противоположно движущимися поршнями, являющимися, по существу, двумя двухтактными дизелями простого действия с общей камерой сгорания (на данный момент практически не используются).
Классификация по роду применяемого топлива: использующие легкое жидкое (бензин, лигроин, керосин и др.), которое вводится в цилиндр в парообразном состоянии в смеси с воздухом; тяжелое жидкое (дизельное, моторное, соляровое масло, газойль, мазут и др.), которое впрыскивается в цилиндр под давлением; газообразное (газы естественный, генераторный, сжиженный и др.); газ и воздух вводят раздельно или в смеси; зажигание производят электрической искрой; газожидкостные: основное топливо газ, запальное (около 1015 %) жидкое; многотопливные, приспособленные для работы на широком ассортименте жидких топлив от легких до тяжелых. Следует указать также, что имеется разделение двигателей по группам светлого (бензины, керосины и др.) и темного (дизельное, моторное и др.) топлива. По причине редкого использования для судовых дизелей светлого топлива на практике «легким» обычно называют дизельное топливо, моторное выделено в отдельную группу, а под «тяжелыми» подразумевают высоковязкие топлива, требующие серьезной топливоподготовки и подогрева для обеспечения нормальной работы двигателя и его топливной аппаратуры.
Классификация по способу смесеобразования: с внутренним смесеобразованием, у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндра в результате распыливания топлива (все дизели, а также двигатели легкого топлива с непосредственным впрыском в цилиндр); с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь, состоящая из паров легкого жидкого топлива с воздухом (или газа с воздухом), образуется вне рабочего цилиндра (двигатели карбюраторные, инжекторные, а также использующие газообразное топливо с искровым зажиганием).
При внутреннем смесеобразовании, когда воздух и топливо поступают в цилиндр раздельно, смешение их происходит внутри цилиндра. Организовать хорошее перемешивание топлива с воздухом при внутреннем смесеобразовании значительно труднее, чем при внешнем. Однако применить внешнее смесеобразование для темного топлива не удается: если легкое светлое топливо в процессе смешения с воздухом испаряется, то темное остается в жидкой фазе и выпадает из смеси по пути в цилиндр, оседая на стенках коллекторов и патрубков.
Классификация по способу воспламенения топлива: с самовоспламенением впрыскиваемого в цилиндр топлива благодаря высокой температуре, достигаемой в конце процесса сжатия; с принудительным зажиганием, т. е. горючая смесь воспламеняется от постороннего источника электрической искры (карбюраторные, инжекторные и газовые ДВС); с комбинированным воспламенением, в которых основная горючая газовая смесь поджигается за счет самовоспламенения небольшого количества (1015%) жидкого распыленного запального топлива, впрыскиваемого в цилиндр (газодизели).
Как известно, в дизелях, имеющих внутреннее смесеобразование и высокое сжатие, происходит самовоспламенение топлива от сжатия. В двигателях низкого сжатия самовоспламенение невозможно, поэтому в них применяется принудительное зажигание топлива электрической искрой.
Использовать самовоспламенение жидкого топлива при внешнем смесеобразовании практически невозможно. В этом случае топливо находится в цилиндре уже с начала процесса сжатия, и если степень сжатия будет высокой, то момент самовоспламенения окажется неуправляемым. Предположим, что степень сжатия подобрана такой, при которой самовоспламенение топлива в холодном двигателе происходит при положении поршня в верхней мертвой точке (в. м. т.). Тогда у горячего двигателя будет наблюдаться контрвспышка: самовоспламенение топлива произойдет раньше прихода поршня в в. м. т. В результате начавшегося горения давление в цилиндре начнет возрастать тогда, когда поршень еще движется вверх. Это приведет к потери части мощности.
Газообразное топливо имеет, как правило, более высокую температуру самовоспламенения, чем жидкое. Поэтому в газовых двигателях может быть достигнуто высокое сжатие и при внешнем смесеобразовании, как, например, в так называемых газожидкостных двигателях. В них сжимается смесь горючего газа и воздуха примерно до тех же параметров, что и в дизелях. При подходе поршня к в. м. т. в цилиндр впрыскивается небольшое количество запального жидкого топлива. Оно самовоспламеняется и поджигает основное газообразное топливо.
Классификация по частоте вращения п коленчатого вала:
- малооборотные (МОД) 50-350 об/мин,
- среднеоборотные (СОД) 350-750 об/мин,
- высокооборотные (ВОД) 750-2500 об/мин.
средней скорости Ст поршня, м/с:
- тихоходные 13 EMBED Equation.3 1415,
- средней быстроходности 13 EMBED Equation.3 1415,
- быстроходные 13 EMBED Equation.3 1415.
Чем выше средняя скорость поршня, тем двигатель при той же мощности компактнее, легче. Это очень большое преимущество двигателей средней быстроходности и быстроходных, так как при их установке можно уменьшить размеры машинного отделения и увеличить полезные грузовместимость и грузоподъемность судна. Двигатель с умеренными габаритами и умеренной массой можно для ремонта снять с судна целым агрегатом и отправить в цех, тогда как крупные ремонтируют на месте, в неудобных условиях.
Вместе с тем при высокой средней скорости поршня сокращается срок службы двигателя, снижается его экономичность (расходуется больше топлива и масла дорогих сортов), повышается шумность работы. В связи с этими недостатками быстроходные двигатели устанавливают лишь на судах, где строго ограничены размеры машинного отделения.
Классификация по способу наполнения цилиндра: без наддува, у которых наполнение воздухом или рабочей смесью обеспечивается перемещением поршня или за счет продувочного воздуха; с наддувом, у которых воздух или рабочая смесь подается в цилиндр под повышенным давлением наддува из особого наддувочного или продувочно-наддувочного агрегата.
К концу процесса наполнения давление в цилиндре четырехтактного двигателя ниже атмосферного, а двухтактного лишь немного выше его. Между тем известно, что с повышением давления газа масса его при том же объеме увеличивается. Следовательно, если создать повышенное давление воздуха в конце наполнения, то в том же объеме цилиндра будет заключена большая масса его. Это позволит увеличить количество топлива, впрыскиваемого за цикл,, а значит и работу цикла, в конечном счете мощность двигателя.
Заполнение цилиндра воздухом повышенного давления называется наддувом. Таким образом, по способу заполнения цилиндра двигатели бывают без наддува и с наддувом. При внедрении наддува четырехтактные двигатели оборудуют компрессорами, подающими к впускным клапанам воздух с давлением выше атмосферного. У двухтактных двигателей под наддувом понимается применение продувочного воздуха с более высоким давлением, чем без наддува. Для этого, помимо продувочного насоса, двигатели снабжаются дополнительным компрессором, причем иногда не одним.
Компрессор 4 (рис. 1.3.1.), вырабатывающий наддувочный воздух, может приводиться в движение от коленчатого вала повышающей передачей 5. Такой наддув называется механическим. Нагнетаемый компрессором 4 воздух поступает по трубе 3 в наддувочный коллектор 2, от которого подводится к впускным клапанам 1 цилиндров.

Рис. 1.3.1. Схема механического наддува

На механический наддув затрачивается часть полезной мощности двигателя, что снижает его экономичность. Особенно заметно снижение экономичности двигателя при высоких давлениях наддува. Поэтому механический наддув не получил широкого применения. В эксплуатации до сих пор встречается лишь один тип двигателя с механическим наддувом двигатель М400.
Преимущественное распространение имеет газотурбинный наддув. Сущность его заключается в том, что выпускные газы из цилиндров 1 (рис. 1.3.2.) поступают в коллектор 2 и из него в корпус 3 газовой турбины. Поток газов заставляет вращаться ротор 4, на одном валу с которым насажено рабочее колесо 5 компрессора. Засасывая из атмосферы воздух, компрессор подает воздух под давлением в наддувочный коллектор 6, из которого он поступает в цилиндры при открытии впускных клапанов 7.

Рис. 1.3.2. Схема газотурбинного наддува


При газотурбинном наддуве утилизируется энергия выпускных газов, которая в двигателях без наддува искусственно погашается в глушителе. Правда, с введением турбины повышается сопротивление выпуску, т. е. увеличивается затрата энергии на такт выпуска, но она меньше, чем при механическом наддуве, раза в три. Поэтому газотурбинный наддув повышает экономичность работы двигателя.
Газотурбинный наддув экономически целесообразен при любом давлении воздуха.
При пуске двигателя и при его работе с малой мощностью турбокомпрессор не обеспечивает подачу в цилиндр воздуха под давлением. Это затрудняет применение газотурбинного наддува в двухтактных двигателях, где подача воздуха под давлением нужна для целей продувки с момента начала пуска. Следовательно, в двухтактных двигателях необходимо сохранять приводной компрессор (продувочный насос) для обеспечения их работы при пуске и при малой нагрузке. Турбокомпрессор должен работать одновременно с приводным. Оба компрессора могут работать или последовательно, или параллельно. Такой наддув называется комбинированным.
Двигатели с наддувом развивают более высокую мощность, чем двигатели того же размера без наддува. Современные двигатели средней мощности строят преимущественно с наддувом, а мощные и сверхмощные только с наддувом.
Классификация по конструктивному исполнению: тронковые, у которых направляющей является тронковая часть поршня; крейцкопфные, у которых направляющей поршня служит ползун, перемещающийся по параллелям; по числу цилиндров; по расположению цилиндров.
Одним из признаков классификации является число цилиндров двигателя. Чем оно больше, тем сложнее двигатель, однако увеличение числа цилиндров в разумных пределах имеет ряд положительных сторон.
Во-первых, чем больше число цилиндров, тем чаще следуют один за другим рабочие ходы и вал вращается равномернее. Во-вторых, если двигатель пускается сжатым воздухом, то двухтактный двигатель должен иметь не менее четырех цилиндров, а четырехтактный не менее шести. Только в этом случае при любом положении коленчатого вала по крайней мере один из поршней будет в пусковом положении: в начале хода расширения, когда сжатый воздух может сдвинуть поршень вниз. Если число цилиндров будет меньше указанного, то перед пуском двигателя его вал придется, вероятно, провернуть вручную для того, чтобы какой-либо поршень пришел в пусковое положение.
При выборе числа цилиндров стремятся достичь уравновешенности сил инерции движущихся частей и моментов этих сил с тем, чтобы двигатель не вызывал значительной вибрации корпуса судна.
По расположению цилиндров двигатели делятся на рядные и звездообразные (рис. 1.3.3.). У первых цилиндры располагаются вдоль вала, у вторых вокруг него. Большинство судовых двигателей однорядные вертикальные, т. е. цилиндры располагаются в один ряд над коленчатым валом. Бывают однорядные горизонтальные двигатели, но на флоте их нет: они занимают много места в плане, что требует увеличения площади машинного отделения.




Рис. 1.3.3. Схема звездообразного двигателя

Цилиндры могут располагаться в несколько рядов. Так, на флоте достаточно широко распространены V-образные двигатели. Как видно из схемы этого двигателя (рис. 1.3.4), оси цилиндров 3 и 4 разных рядов расположены под углом 13 EMBED Equation.3 1415, равным 4590° (угол развала цилиндров). Шатуны 2 и 5 двух цилиндров разных рядов работают на один кривошип 1. V-образные двигатели короче и легче однорядных, что является их большим преимуществом, но менее удобны в обслуживании.

Рис. 1.3.4. Схема V-образного двигателя

Схема звездообразного двигателя дана на рис. 1.3.3. Все составляющие звезду цилиндры, а их на рисунке показано пять, работают на один кривошип 1. Звезд может быть несколько, причем количества звезд и кривошипов совпадают.
Звездоообразные двигатели для привода гребного винта используют очень редко, т.к. обслуживание и проведение ремонта такого двигателя непосредственно на борту судна затруднено.
Однорядные двигатели встречаются на флоте с числом цилиндров до 8-12, V-образные до 16. Стандартами предусмотрена возможность строительства V-образных двигателей с числом цилиндров до 24, однако неудачный опыт постройки тепловозных дизелей с таким количеством цилиндров выявил ограничения по длине коленчатого вала вследствие повышенных крутильных колебаний его.
По типу кривошипно-шатунного механизма двигатели классифицируются на тронковые и крейцкопфные. Все предыдущие схемы относятся к тронковым двигателям: их поршень соединяется пальцем непосредственно с шатуном. В крейцкопфном двигателе (рис. 1.3.5.) поршень 2 штоком 1 соединен с крейцкопфом (ползуном) 3, который сцеплен с шатуном 5. Крейцкопф 3 движется в направляющих (параллелях) 4, препятствующих его горизонтальному смещению.
Крейцкопфные двигатели значительно выше тронковых: примерно на величину хода поршня, и, следовательно, тяжелее. Преимуществом их является меньший износ деталей цилиндропоршневой группы, чем у тронковых. Это объясняется тем, что нормальная (по отношению к оси цилиндра) сила N, получающаяся в результате разложения силы Р, действующей на поршень, воспринимается крейцкопфом 3, тогда как в тронковом двигателе она прижимает поршень к стенке цилиндра. Крейцкопфные двигатели также меньше расходуют смазочного масла.
Чем больше размеры и мощность дизелей, тем чаще их строят крейцкопфными. Сверхмощные двухтактные дизели, как правило, крейцкопфные. Выпуск четырехтактных крейцкопфных дизелей не осуществляется.


Рис. 1.3.5. Схема крейцкопфного двигателя

До сих пор речь шла о двигателях простого действия, у которых работа газа происходит с одной стороны поршня. Существуют двухтактные двигатели двойного действия, имеющие две рабочие полости: верхнюю и нижнюю. Двигатели двойного действия могут быть только крейцкопфными. Их цилиндры закрыты крышками как сверху, так и снизу. Двигатели двойного действия развивают мощность примерно вдвое больше, чем простого действия. Однако они недостаточно надежны: в очень тяжелых условиях работают поршень и, особенно, шток, поэтому сейчас такие двигатели не применяются на флоте. В современных дизелях нижняя (подпоршневая) полость может использоваться как компрессор для получения надувочного воздуха.
Кроме двигателей с поступательно-возвратным движением поршня, существуют роторные. Схема одного из них представлена на рис. 1.3.6.


Рис. 1.3.6. Схема роторного двигателя (Ванкеля).

Роль поршня выполняет ротор 1, свободно посаженный на эксцентрик 5, вращающийся вместе с валом 4. Кроме этого, к ротору 1 крепится не показанная на рисунке шестерня с внутренним зацеплением, обкатывающаяся по неподвижной шестерне меньшего диаметра. При вращении вала 4 ротор 1 тоже поворачивается, но втрое медленнее. Кроме того, благодаря эксцентрику 5 ротор имеет боковые смещения, в результате чего вершины его все время касаются стенок корпуса 2.
Из сопоставления рис. 1.3.6.а и 1.3.6.б видно, что при движении ротора 1 объем полостей «б», «в» и «г», образованных ротором и корпусом, изменяется. На рис. 1.2.6.а в полости «в» происходит сжатие, в полости «г» расширение, в полости «б» заканчивается выпуск через окно «д» и начинается впуск горючей смеси через окно «а». После поворота вала на 90є (см. рис. 1.3.6.б) в полости «г» будет выпуск, в полости «б» продолжится впуск, в полости «в» сжатие. Когда объем полости «в» станет минимальным, в свече 3 появится искра, топливо воспламенится и рабочий газ начнет вращать ротор 1.
Роторные двигатели имеют меньшие размеры, чем двигатели с поступательно-возвратным движением поршня. Они дешевле, менее шумны и более уравновешены. Однако роторные двигатели менее экономичны, у них быстро изнашивается уплотнение ротора.
Выпускаются роторные двигатели пока лишь карбюраторными небольшой мощности.
Классификация по характеру движения. Бывают двигатели левого и правого вращения. Направление (сторона) вращения определяется при взгляде с кормы (или от генератора) на верхнюю часть маховика.
Если на судне два главных двигателя, работающих каждый на свой винт (двухвальная установка), то они ставятся с разным направлением вращения.
Не следует отождествлять левый (правый) двигатель с двигателем левого (правого) вращения. Левый или правый двигатель (двигатели левой или правой моделей) это двигатель, предназначенный для установки по соответствующему борту в машинном отделении. В целях упрощения контроля работы двух двигателей сразу их стороны распределения располагаются к диаметральной плоскости судна. Если двигатель левый, то при взгляде с кормы сторона распределения будет у него справа, у правого слева. Следовательно, двигатели левой или правой моделей по своей компоновке являются зеркальными отображениями один другого. Модель и направление вращения могут сочетаться различно: например, левый двигатель может иметь как левое, так и правое вращение. Качественно они равноценны.
Для сообщения судну хода вперед или назад гребной винт должен вращаться в разных направлениях. Большинство главных двигателей может работать с любым направлением вращения вала. Такие двигатели называются реверсивными. Однако на флоте много двигателей нереверсивных, т. е. таких, которые работают лишь при одном направлении вращения коленчатого вала.
Нереверсивными бывают и главные двигатели. В этом случае в состав силовой установки теплохода включается реверсивная муфта, позволяющая реверсировать гребной винт при неизменном направлении вращения вала двигателя. Усложнение установки реверсивной муфтой является недостатком нереверсивных двигателей. К преимуществам их следует отнести упрощение устройства самого двигателя, увеличенный срок службы его. Последнее объясняется тем, что реверсивная муфта позволяет отключить винт от вала двигателя, поэтому двигатель при маневрах не останавливается, а значит, и не пускается. Пуск же вредно отражается на износе деталей двигателя.



Источники:
Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф. «Судовые дизели (основы теории, устройство и эксплуатация» 1978.
Возницкий И.В., Михеев Е.Г. «Судовые дизели и их эксплуатация» 1990.
Ржепецкий К.Л., Сударева Е.А. «Судовые двигатели внутреннего сгорания» 1984.














Тест по теме 1.3
1. Что понимают под двигателями средней мощности
1
2
3
4

меньше 74 кВт (100 л. с.)
74 736 кВт (100 1000 л. с.)
736 7360 кВт (1000 10 000 л.с.)
больше 7360 кВт (10 000 л. с.)

2. Что понимают под двигателями большой мощности
1
2
3
4

меньше 74 кВт (100 л. с.)
74 736 кВт (100 1000 л. с.)
736 7360 кВт (1000 10 000 л.с.)
больше 7360 кВт (10 000 л. с.)

3. Классификация по способу действия предполагает двигатели
1
2
3
4

простого действия
нижнего действия
двойного действия
внутреннего действия

4.Классификация по способу воспламенения топлива
1
2
3
4

с воспламенением от искры
с воспламенением во впускном коллекторе
с воспламенением от специальной присадки
самовоспламенением

5. Под малооборотными двигателями понимают дизели с частотами вращения
1
2
3
4

100-500 об/мин
50-350 об/мин
500-1000 об/мин
350-750 об/мин

6. Под среднеоборотными двигателями понимают дизели с частотами вращения
1
2
3
4

100-500 об/мин
50-350 об/мин
500-1000 об/мин
350-750 об/мин

7. Под дизелями средней быстроходности понимают двигатели с
1
2
3
4

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
ни один из них

8. Классификация по способу наполнения цилиндра предполагает дизели
1
2
3
4

С подачей запальной порции топлива
С наддувом
компрессорные
С внешним смесеобразованием




9. Какой тип наддува преимущественно используется в современных судовых дизелях
1
2
3
4

динамический
компрессорный
газотурбинный
механический

10. Классификация по конструктивному исполнению предполагает двигатели
1
2
3
4

тронковые
реверсивные
V-образные
левого вращения





























ОТВЕТЫ К ТЕСТУ

Вопрос 1
2

Вопрос 2
3

Вопрос 3
1,3

Вопрос 4
1,4

Вопрос 5
2

Вопрос 6
4

Вопрос 7
3

Вопрос 8
2

Вопрос 9
3

Вопрос 10
1,3













СГЭО, Модуль 1.3., Чистяков А.Ю., 01.10.10

13PAGE 15


13PAGE 142215




Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 23862963
    Размер файла: 640 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий