Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

вое, рабочей полостью. Топливо впрыскивается через форсунку 2. В этих двигателях поршень 4 жестко соединен со штоком 7, который через крейцкопф (ползун) 8 соединяется с шатуном 9. Для обеспече­ ния герметичности на месте прохода штока в нижней крышке имеется сальник 6, установленный на диафрагме 5. Отработавшие газы выбра­ сываются через выпускной трубопровод / .

При движении поршня от н.м.т. к в.м.т. в верхней полости вначале осуществляется выпуск и наполнение цилиндра и затем сжатие, в нижней полости в это время — сгорание и расширение и под конец — выпуск и продувка цилиндра. При движении поршня от в.м.т. к н.м.т., наоборот, в верхней полости происходит сгорание и расширение га­ зов и затем выпуск и продувка цилиндра, а в нижней заканчивается продувка и наполнение цилиндра свежим воздухом, и затем осуществ­ ляется процесс сжатия.

Принцип работы четырехтактного двигателя с искровым зажиганием (карбюраторного и газового)

Первый такт — впуск или зарядка. В карбюраторных и газовых четырехтактных двигателях в отличие от двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей) в цилиндр засасывается не чистый воздух, а горю­ чая смесь. В карбюраторных двигателях горючая смесь состоит из воздуха и паров легкого топлива (бензина), а в газовых двигателях— из воздуха и горючего газа. Горючая смесь предварительно подготов­ ляется в особом приспособлении (в карбюраторных двигателях — в карбюраторе, в газовых — в смесителе), смонтированном на всасы­ вающем трубопроводе.

Второй такт — сжатие. Горючая смесь и остаточные газы при движении поршня от н.м.т. к в.м.т. сжимаются, и давление в цилиндре повышается до 10-4-18 бар, а температура—до 470-4-680 К. Чтобы не произошло детонационного сгорания, т. е. возникновения весьма сильных ударных волн в камере сгорания, которые могут привести к преждевременному выходу двигателя из строя, температура заряда в конце сжатия должна быть ниже температуры самовоспламенения топлива, так как здесь сжимается не чистый воздух, а горючая смесь. Поэтому верхний предел степени сжатия в этих двигателях является строго ограниченным и зависит от свойств применяемого топлива, формы камеры сгорания, числа оборотов двигателя и от материала камеры сгорания.

Третий такт — горение и расширение. Для зажигания заряда в головку двигателя монтируется специальная запальная свеча. Меж­ ду контактами свечи в нужный момент (примерно' 15-=-30° до в.м.т.) проскакивает электрическая искра, которая зажигает горючую смесь. Пламя быстро распространяется по всей камере сгорания, давление газов в цилиндре повышается до 25-4-50 бар и температура — до 1950-4-2700 К. Далее при нисходящем движении поршня происхо­ дит расширение газов: давление и температура падают, и к концу рас­ ширения давление снижается до 3,0-4-4,0 бар и температура — до 950-М 500 К.

235

Четвертый такт — выпуск. Выпуск и выталкивание в карбюра­ торных и газовых двигателях происходит так же, как и в двигателях с воспламенением от сжатия.

Принцип работы двухтактного двигателя с искровым зажиганием (карбюраторного и газового)

В двухтактных карбюраторных двигателях в отличие от дизелей

ны этим процессам в двухтактных дизелях, а процессы сжатия, зажи­ гания и сгорания горючей смеси принципиально не отличаются от таких процессов в четырехтактных карбюраторных двигателях.

Двухтактные карбюраторные двигатели используются только для маломощных установок и с кривошипно-камерной продувкой (мото­ циклетные, лодочные, мелкие передвижные зарядные станции), где решающим является не экономичность установки, а малые габариты и простота конструкции.

В двухтактных газовых двигателях продувка осуществляется, как и в дизелях, чистым воздухом. Газовое топливо под давлением вду­ вается в цилиндр двигателя в конце продувки и в начале сжатия. Та­ ким образом, в процессе сжатия горючий газ смешивается с воздухом, и к концу сжатия газовое топливо более или менее равномерно распре­ деляется в среде воздуха. Зажигание горючей смеси, как и в четырех­ тактных газовых двигателях, осуществляют от электрической свечи.

Схема выпуска и продувки двухтактных двигателей

В двухтактных двигателях на процесс выпуска и продувки отво­ дится гораздо меньшее время, чем в четырехтактных, поэтому процес­ сы выпуска, продувки и зарядки двигателя должны быть более интен­ сивными. Существенное влияние на качество очистки и зарядки оказывают система продувки и геометрические размеры органов рас­ пределения двигателя.

На рис. 3-7 приводятся наиболее распространенные схемы органов продувки двухтактных двигателей.

В поперечных схемах (рис. 3-7, схемы 1—4) продувочные окна расположены напротив выпускных (схема / ) или разделены на две секции и находятся друг против друга, а выпуск происходит с одной стороны (схема 2). Эти схемы являются более простыми и наиболее распространены в стационарных двигателях малой и средней мощ­ ности. Продувка по поперечной схеме в более крупных дизелях обыч­ но осуществляется через два ряда продувочных окон, расположенных друг над другом, верхний ряд которых перекрывается автоматически

236

обратными клапанами или золотниками (схема 3). Иногда автомати­ ческие клапаны монтируются так, что они управляют открытием одно­ временно обоих рядов окон (схема 4). При схемах 3 и 4 можно осу­ ществить наддув, т. е. дополнительную зарядку рабочего цилиндра после закрытия выпускных окон. При осуществлении поперечной схемы относительная высота верхней кромки продувочных окон мо­ жет быть ниже, на одном уровне и выше верхней кромки выпускных окон. При этом во втором и особенно в третьем случае продувочные окна должны иметь автоматические обратные клапаны или золотники.

dti dti dti rjhj

Рис. 3-7. Схемы органов продувки двухтактных двигателей

Односторонняя петлевая схема (схемы 5—7) характеризуется одно­ сторонним расположением выпускных и продувочных окон, при этом выпускные окна находятся выше продувочных. Для осуществления требуемого наддува выпускные каналы иногда перекрываются спе­ циальными золотниками до закрытия продувочных окон (схема 6).

В круговой схеме (схема 8) по всей окружности цилиндра в нижнем ряду расположены продувочные окна, а в верхнем ряду — выпуск­ ные. Движение продувочного воздуха в цилиндре здесь происходит подобно фонтану, при этом осуществляется так называемая фонтанная продувка.

Прямоточные схемы бывают: а) клапанно-щелевые и б) щелевые с двумя поршнями в одном цилиндре.

237

В прямоточной клапанно-щелевой схеме (схема 9) продувочные окна находятся по всей окружности цилиндра, а выпуск производится через клапаны (или золотники), расположенные на крышке цилиндра. Наличие клапанов в крышке двигателя, необходимость при этом при­ водов и распределительного вала усложняют конструкцию двигателя с клапанно-щелевой продувкой, но хорошая очистка цилиндра и воз­ можность осуществлять наддув обусловливают перспективность этой схемы.

В прямоточно-щелевой схеме (схема 10) продувочные и выпускные окна расположены по всей окружности по концам цилиндра, и проду­ вочные и выпускные окна открываются и закрываются двумя проти­ воположно движущимися поршнями. Продувочные окна иногда рас­ полагаются в несколько рядов. Для осуществления некоторой дозарядки после закрытия выпускных окон кривошипы нижнего и верхнего коленчатых валов располагают не под углом 180Q относительно друг друга, а под углом 1654-170°, т. е. кривошип верхнего вала сме­ щают назад на 104-15°.

При прямоточной продувке достигается лучшее качество очистки и зарядки цилиндра и соответственно получается повышенная мощ­ ность двигателя на 1 л рабочего объема.

Расположение продувочных и выпускных окон в плане в зависи­ мости от схемы может быть радиальным (схема 8); тангенциальным (схемы 1, 9 и 10), в которых оси окон направлены касательно к неко­ торой окружности с диаметром, меньшим, чем диаметр цилиндра; эксцентричным (схема 2) и лучеобразным (схема 5).

§ 3-3. Пути повышения мощности двигателей внутреннего сгорания

Основными требованиями для современных двигателей внутрен­ него сгорания являются высокая экономичность, малые габариты и веса на единицу мощности, надежность и простота в эксплуатации, достаточная долговечность при различных нагрузках и скоростных режимах работы. Успешное решение этой проблемы особенно важно для судовых и транспортных установок. Решение актуальной задачи создания относительно легкого, малогабаритного, экономичного дви­ гателя большой мощности в значительной мере способствует дальней­ шему развитию определенных типов кораблей, быстроходных катеров, тепловозов, некоторых видов наземных безрельсовых транспортных средств и т. д. Такое назначение современных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания определяет конкретное выражение

Мощность силовых установок с двигателями внутреннего сгорания можно повысить следующими способами: 1) увеличением числа ци­ линдров и основных размеров двигателя, количества двигателей в

238

составе силовой установки, числа оборотов вала двигателя; 2) осу­ ществлением двухтактного цикла; 3) применением наддува и все боль­ шее повышение давления наддувочного воздуха; 4) использованием энергии отработавших газов.

Увеличение числа цилиндров и основных размеров двигателя.

В настоящее время имеются в эксплуатации дизели мощностью 9000ч40 ООО кВт в одном агрегате, в ближайшие годы ожидается выпуск дизелей агрегатной мощностью до 50 000 кВт и более. Таким образом, проблему создания двигателя внутреннего сгорания большой мощ­ ности (10 0004-50 000 кВт в одном агрегате) можно считать разрешен­ ной.

В морском судостроении растущие потребности мощности покры­ ваются в основном установкой нескольких крупных двигателей и уве­ личением числа цилиндров и размеров двигателя. Однако диаметр цилиндра обычно не превышает 1050 мм, при этом двигатели с диамет­ ром цилиндра свыше 800 мм строятся сравнительно редко.

Увеличение количества двигателей в составе силовой установки.

В крупном морском судостроении стали появляться теплоэлектроходы, потребные мощности которых обеспечены установкой нескольких многоцилиндровых двигателей средней мощности (1ч-4 тыс. кВт). При этом двигатели работают на электрогенераторы, а ток, вырабаты­ ваемый последними, передается электродвигателям, которые приводят в движение винты судна.

Несколько двигателей в общей силовой установке позволяют при любых скоростях корабля работать на самых экономичных нагрузоч­ ных режимах (включаются и выключаются отдельные двигатели). Осмотр и ремонт малых и средних двигателей легче и проще, чем круп­ ных. А в случае выхода из строя одного из двигателей во время пла­ вания можно, не заходя в порт и не останавливая движения, произ­ вести ремонт. Такое применение двигателей внутреннего сгорания дает возможность покрыть потребности различных видов судов с разными мощностями одними и теми же типами двигателей.

Судовые установки с электрической передачей получаются все же более дорогими и несколько уступают в экономичности установкам, снабженным прямой или редукторной передачей. Кроме того, при установке нескольких двигателей на судах требуется большая пло­ щадь машинного отделения, что является существенным недостатком их. Преимуществом электрической передачи является удобство в эксплуатации, хорошая маневренность и простота управления, что очень важно для некоторых видов судов. В связи с этим такие суда, как, например, ледоколы, строятся в последнее время преимуществен­ но с электрической передачей.

Повышение числа оборотов. По мере повышения качества приме­ няемых материалов и совершенствования технологии машиностроения

239