Что такое такт судового двигателя

Что такое такт судового двигателя

Пособие для водителей катеров, яхт, лодок, судов, водного транспорта

22.05.2015 22:10
дата обновления страницы

История изменения сайта

Принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания .

Четырехтактный двигатель (рис. 39,4) имеет следующие механизмы и системы: кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, систему смазки, систему охлаждения, систему питания и двигатели легкого топлива, систему зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное (возвратно-поступательное) движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. В кривошипно-шатунный механизм входят следующие детали: цилиндр с головкой, поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал, картер двигателя, маховик.

Механизм газораспределения служит для впуска в камеру цилиндра горючей смеси и выпуска из нее отработавших газов. В распределительный механизм входят два клапана, расположенных в верхней части цилиндра, направляющая втулка клапана, пружина клапана, упорная шайба, распределительный вал с шестеренчатым или цепным приводом, детали передачи от распределительного вала к клапанам.

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся деталям двигателя, чем уменьшает их износ и силу трения, а также охлаждает трущиеся поверхности деталей и выносит продукты износа. В систему смазки входят следующие детали: масляный резервуар, масляный насос, масляные фильтры тонкой и грубой очистки, маслоохладители, маслопроводы и редукционные клапаны.

Сумма всех рабочих объемов цилиндров двигателя есть рабочий объем, или литраж, двигателя.

Система охлаждения отнимает излишнее тепло от стенок Цилиндра и поршня, сильно нагревающихся при работе двигателя.

Рис. 39. А — Схема одноцилиндрового четырехтактного двигателя: 1-Шестерни распределения; 2- Распределительный вал; 3-Толкатели; 4 — Карбюратор; 5-Впускная труба; 6- Выпускная труба; 7-Впускной клапан; в -Выпускной клапан; 9-Запальная свеча; 10- Цилиндр; II-Головка цилиндра; 12- Поршень; 13- Поршневом палец; 14-Шатун; 15- Водяной насос; 16- Верхняя часть картера; 17-Маховик; 18-Коленчатый вал; 19-Маслопровод; 20- Нижняя половина картера (поддон); 21-Масляный насос;

Рис. 39. Б — рабочий процесс 4-тактного двигателя

Система питания приготовляет рабочую смесь одного и того же состава на всех режимах работы двигателя. Система зажигания своевременно воспламеняет рабочую смесь в цилиндре при помощи электрической искры.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя (рис. 39,Б) слагается из последовательно повторяющихся процессов. В замкнутое пространство камеры цилиндра при движении поршня вниз засасывается рабочая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха,- 1-й такт. При движении поршня вверх смесь уплотняется (сжимается)-2-й такт, далее смесь воспламеняется и сгорает; образуется высокая температура и большое давление, под влиянием которого поршень движется вниз и через шатун вращает коленчатый вал — 3-й такт. Оставшиеся в цилиндре отработавшие газы при последующем движении поршня снизу вверх выталкиваются из камеры цилиндра в атмосферу — 4-й такт. Затем весь процесс многократно повторяется, обеспечивая непрерывную работу двигателя.

Рис. 40. Основные положения поршня (а) и определение объемов цилиндра (б)

Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее положение поршня — нижней мертвой точкой (НМТ). «Моментом мертвой точки» называется такое положение поршня, при котором шатун и колено вала вытянуты по одной прямой линии (рис. 40,а). Расстояние от ВМТ до НМТ принято называть ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом. При нахождении поршня в ВМТ объем становится минимальным и называется объемом камеры сжатия. Объем, описываемый поршнем во время его хода, называется рабочим объемом цилиндра (рис. 40,6). Сумма рабочего объема цилиндра и объем камеры сжатия есть полный объем цилиндра.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия есть степень сжатия (рис. 40,6)*. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается засосанная поршнем в цилиндр рабочая смесь. Повышение степени сжатия повышает мощность и приводит к более экономичной работе двигателя. В карбюраторных двигателях степень сжатия рабочей смеси колеблется в пределах от 5,0 до 9,0.

Во время такта впуска камера цилиндра заполняется горючей смесью (см. рис. 39,5 — /). Поршень движется от ВМТ к НМТ; благодаря увеличению объема над поршнем создается разрежение; в это время кулачок распределительного вала поднимает впускной клапан, соединяя камеру цилиндра через впускной трубопровод с карбюратором. Под влиянием разрежения горючая смесь начинает поступать в цилиндр до момента закрытия впускного клапана. Поступившая в цилиндр горючая смесь смешивается в цилиндре с остатками отработавших газов, оставшихся от предыдущего цикла; получившаяся смесь называется рабочей смесью. Степень наполнения цилиндра определяется коэффициентом наполнения, который представляет собой отношение веса фактически засосанной в цилиндр смеси к весу смеси в объеме, равном рабочему объему цилиндра. Для современных бескомпрессорных двигателей коэффициент наполнения колеблется от 0,75 до 0,85 из-за наличия сопротивления в трубопроводах, ограниченного диаметра впускных отверстий и других причин. Давление в конце такта впуска равно примерно 0,7-0,8 кг/см2. Температура рабочей смеси в цилиндре колеблется от 90 до 130°.

Во время такта сжатия поршень идет от НМТ к ВМТ, т. е. движется вверх (рис. 39 5- 11 ). Оба клапана закрыты, объем под поршнем уменьшается, рабочая смесь сжимается. Чем больше степень сжатия, тем сильнее сжимается рабочая смесь и тем выше давление газов на поршень при сгорании. Чрезмерно высокая степень сжатия может привести к детонационному самовоспламенению рабочей смеси и нарушению протекания нормального ее сгорания в цилиндре двигателя; это приводит к резкому повышению давления газов в цилиндре и стукам двигателя, а несвоевременное ее воспламенение — к снижению мощности и перегреву двигателя. При высоких степенях сжатия в двигателях применяется топливо, обладающее хорошими антидетонационными свойствами (с большим октановым числом). Давление смеси в конце такта сжатия достигает 7-9 кг/см’2, а температура — около 300°.

При рабочем ходе (рис. 39,Б- III ) поршень под влиянием давления, развившегося в цилиндре при сгорании рабочей смеси, движется от ВМТ к НМТ. В конце такта сжатия, когда поршень находится в ВМТ, в цилиндр на свечу подается высокое напряжение, между ее контактами проскакивает искра, поджигающая рабочую смесь. Оба клапана при этом такте закрыты. Смесь сгорает очень быстро, выделяя большое количество тепла, что приводит к сильному расширению газов и появлению высокого давления в цилиндре порядка 30-40 кг/см2. Затем поршень с большой силой перемещается к НМТ и через шатун вращает коленчатый вал.

Температура газов в цилиндре в начале рабочего хода равна 1800-2000°. В конце рабочего хода давление в цилиндре падает до 3-4 кг/см1’2, а температура снижается до 1100- 800°.

Такт выпуска (рис. 39,Б-IV) предназначен для очищения камеры цилиндра от отработавших газов. Очистка цилиндра происходит за счет энергии, полученной маховиком при такте рабочего хода. Поршень двигается от НМТ к ВМТ, кулачок распределительного вала в этот момент открывает выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Пол: ностью удалить из цилиндра отработавшие газы невозможно. Давление при такте выпуска в цилиндре колеблется от 1Д до 1,3 кг/см2, температура газов равна 700-800°.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из тех же четырех тактов, что и у карбюраторного двигателя, т. е. из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Рабочий процесс дизеля показан на рис. 41.

При такте впуска поршень движется от ВМТ к НМТ. Впуск: ной клапан открыт, и в цилиндр засасывается чистый воздух. Процесс в дизеле отличается от процесса в карбюраторном двигателе, где во время такта впуска в цилиндр засасывается готовая горючая смесь.

При такте сжатия поршень движется от НМТ к ВМТ и оба клапана закрыты. Воздух в цилиндре сжимается в 14-18 раз, т. е. степень сжатия составляет в дизеле 14-18. Давление в цилиндре в конце такта сжатия возрастает до 34-38 кг/см2, а температура сжатого воздуха достигает 600-700° С. Высокая температура воздуха в конце такта сжатия допустима, так как сжимается только воздух и опасность возникновения детонационного сгорания смеси отсутствует. Высокая степень сжатия дизелей обеспечивает их главное преимущество, заключающееся в высокой экономичности и повышении КПД до 35-40% использования тепловой энергии топлива.

Рис. 41. Рабочий цикл четырехтактного дизеля: 1-форсунка; 2-топливный насос

В конце такта сжатия, когда поршень находится около ВМТ, в цилиндр дизеля из форсунки под очень большим давлением вспрыскивается топливо, мелко распыленные частицы которого, соприкасаясь с воздухом, нагретым до 600-700°, быстро сгорают, выделяя при этом большое количество тепла. Температура сгорания смеси около 1800-2000°, давление порядка 50- 60 кг/см2 и выше. Под влиянием давления поршень движется от ВМТ к НМТ. Оба клапана при этом закрыты.

При такте выпуска поршень движется от НМТ к ВМТ, выпускной клапан открыт; своим движением поршень через открытое отверстие выпуска выталкивает в атмосферу отработавшие газы из цилиндра.

В четырехтактном двигателе впуск, сжатие и выпуск являются подготовительными тактами к совершению рабочего процесса. Для совершения этих тактов к коленчатому валу надо приложить вращающее усилие двигателя извне. Для выполнения подготовительных тактов на коленчатом валу двигателя устанавливается маховик (рис. 39,а, 17). Маховик представляет собой тяжелый чугунный диск, который, имея значительный вес, накапливает энергию, достаточную для того, чтобы вращать коленчатый вал двигателя и перемещать поршень в цилиндре двигателя во время подготовительных тактов, т. е. за полтора оборота во время рабочего цикла. Наличие маховика на коленчатом валу двигателя приводит к равномерному вращению коленчатого вала и способствует переводу поршней через положения мертвых точек. В одноцилиндровом двигателе в момент вспышки рабочей смеси в цилиндре на картер двигателя передаются сильные толчки и коленчатый вал, несмотря на наличие маховика, вращается неравномерно. Чтобы избежать этого и получить равномерную работу двигателя, его делают многоцилиндровым.

Средства для чистки катеров

Судовые двигатели внутреннего сгорания.

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) процесс преобразования энергии топлива в механическую работу происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра. Дизеляминазывают ДВС, работающие с самовоспламенением подаваемого топлива в среде сжатого в цилиндре воздуха, в отличие от карбюраторных двигателей (с внешним смесеобразованием), в которых воспламенение смеси воздуха и топлива поступающего в цилиндр, осуществляется принудительно – от электросвечи.

Дизели, приводящие в движение судовые движители, называют главными, а обеспечивающие работу генераторов судовой электростанции или других механизмов – вспомогательными.

Рабочим телом ДВС является газ, образующийся от сгорания топлива в цилиндре. Потенциальная энергия рабочего тела, имеющего высокое начальное давление и температуру, при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя.

По способу осуществления рабочего цикла ДВС делятся на 4-х и 2-х тактные. Тактомназывается часть цикла, происходящая за один ход поршня от одной до другой мёртвой точки его движения.

Схема работы и рабочий цикл 4-х тактного дизеля (см. рис.12а). Во время первого такта поршень движется вниз и через открытый всасывающий клапан в цилиндр поступает свежий воздух. Когда поршень начинает подниматься, всасывающий клапан закрывается и происходит второй такт – сжатие воздуха. К моменту прихода поршня в верхнее положение давление и температура воздуха в камере сгорания повышаются и при впрыске топлива в цилиндр оно самовоспламеняется. Во время третьего такта происходит горение топлива и расширение газов, т. е. совершается рабочий ход. После открытия выпускного клапана происходит четвёртый такт – выталкивание поршнем газов. После чего цикл повторяется.

Таким образом, в 4-х тактном двигателе полный цикл завершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала.

В 2-х тактном дизеле (см. рис.13а) цилиндр очищается от отработавших газов и заполняется свежим зарядом воздуха продувочным устройством через окна, расположенные в нижней части цилиндра. Рабочий цикл в таком двигателе начинается с такта сжатия при ходе поршня вверх, когда поршень своей верхней кромкой перекроет продувочные окна.

После впрыска в цилиндр топлива оно самовоспламеняется и начинается второй такт: горение топлива, расширение газов, их удаление из цилиндра и заполнение цилиндра свежим зарядом воздуха.

Расширение газов в цилиндре продолжается до открытия выпускного клапана, через который происходит свободный выпуск газов. При открытии поршнем продувочных окон начинается принудительная продувка цилиндра от оставшихся газов и заполнение его свежим зарядом воздуха, поступающего из ресивера. Когда выпускные клапана или продувочные окна закроются, цикл повторяется.

Рис. 12. Схема и рабочий цикл 4-х тактного ДВС

Рис. 13. Схема и рабочий цикл 2-х тактного ДВС

Таким образом, в 2-х тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два хода поршня или один оборот коленчатого вала.

Продолжительность тактов, определяемая отрезком времени между началом открытия и концом закрытия органов газораспределения, выраженная в углах поворота коленчатого вала, называется фазами газораспределения. Графически фазы газораспределения изображаются в виде круговой диаграммы, примеры которых показаны на рис.12в и рис.13в.

Полезная работа, развиваемая газами в цилиндре двигателя, называется индикаторной. Эта работа эквивалентна площади индикаторной диаграммы, снятой в процессе испытания двигателя.

Индикаторной диаграммой называется графическое изображение в системе координат P – V последовательности тактов и соответствующих им процессов, составляющих рабочий цикл ДВС (см. рис.12б и 13б).

Мощность, кВт, полученная от работы газов в цилиндре двигателя, называется индикаторной и составляет:

N_і = ,

где — среднее индикаторное давление газов, кПа; D, S – диаметр цилиндра и ход поршня, м; n – частота вращения об/с; z- коэффициент тактности (для 2-х тактных ДВС z = 1; для 4-х тактных z = 0,5); і – число цилиндров в двигателе.

Каждый двигатель имеет условное обозначение, состоящее из букв и цифр. Буквы означают: Ч – 4-х тактный , Д – 2-х тактный, ДД – 2-х тактный двойного действия; Р – реверсивный, С – с реверсивной муфтой, П – с редукторной передачей, К – крейцкопфный, Н – с наддувом. Цифры означают: первая – число цилиндров; в дроби – числитель диаметр цилиндра , см, знаменатель – ход поршня, см. Например, 7ДКРН 80/160 или 12ЧРН 40/46. Двигатели могут иметь и заводскую маркировку. Двигатели иностранного производства имеют фирменную маркировку.

Двигатели в конструктивном исполнении бывают тронковые и крейцкопфные.

Наибольшее применение на морских транспортных судах имеют малооборотные 75 – 200 об/мин (МОД), 2-х тактные крейцкопфные реверсивные двигатели с прямой передачей мощности на движитель. Наряду с МОД на судах используют среднеоборотные с частотой вращения 380 – 600 об/мин (СОД).

Устройство ДВС и общая компоновка его основных узлов и деталей показаны на примере 4-х тактного рядного двигателя (см. рис.14).

В состав неподвижных деталей, образующих остов двигателя, входят фундаментная рама с поддоном 1, станина 2, блок цилиндров 3 и крышки цилиндров 4. Полость, образованная станиной и фундаментной рамой, называется картерным пространством (картером) 5.

В состав подвижных деталей, образующих кривошипно-шатунный механизм (КШМ), входят поршень 7, поршневые кольца 8, поршневой палец, шатун 10, коленчатый вал 11 (поршневые штоки и крейцкопфы у крейцкопфных двигателей), маховик 12 и др.

Работу ДВС обеспечивают системы, каждая из которых имеет определённые назначения.

Пусковая система предназначена для пуска ГД и вспомогательных двигателей. Для пуска двигателя необходимо, преодолев сопротивление трущихся частей подвижных деталей и навешенных механизмов, сообщить коленчатому валу такую частоту вращения, при которой станет возможным осуществление рабочего процесса в цилиндре двигателя. Для пуска двигателя чаще всего используется энергия сжатого воздуха или электрическая энергия (стартерный пуск).

Топливная система предназначена для подачи топлива в цилиндр двигателя. Впрыск топлива в цилиндр производится топливным насосом высокого давления (ТНВД) и форсункой.

Назначение системы смазки двигателей состоит в подаче масла для смазки трущихся деталей с целью уменьшения износа, а также отвода тепла. Непрерывная подача масла к трущимся поверхностям деталей в двигателях осуществляется путём циркуляции масла под давлением в циркуляционной масляной системе. Точечная смазка втулок и некоторых навешенных механизмов у мощных двигателей осуществляется насосами – лубрикаторами.

Впускная и выпускная системы служат для подачи воздуха к цилиндрам двигателя и отвода отработанных газов от них в атмосферу.

Вопросы для повторения:

1. Дайте определение понятию «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС).

2. Какие ДВС называются «дизелями»?

3. Объясните принцип действия ДВС.

4. Объясните рабочий цикл 4-х тактного ДВС.

5. Объясните рабочий цикл 2-х тактного ДВС.

6. Что называется «тактом» и «фазами газораспределения»?

7. Назовите органы газораспределения 4-х тактного ДВС.

8. Изобразите и объясните круговую диаграмму 4-х тактного ДВС.

9. Изобразите и объясните круговую диаграмму 2-х тактного ДВС.

10. Назовите органы газораспределения 2-х тактного ДВС.

11. Дайте определение понятию индикаторная диаграмма ДВС.

12. Используя индикаторную диаграмму 4-тактного ДВС, объясните принцип его работы .

13. Используя индикаторную диаграмму 2-тактного ДВС, объясните принцип его работы .

14. Запишите выражение мощности ДВС и объясните все величины входящие в неё.

15. Какими условными обозначениями маркируются ДВС?

16. Расшифруйте маркировку двигателя 9ДКРН 76/150.

17. Расшифруйте маркировку двигателя 54ЧН 40/46.

18. Назовите неподвижные детали ДВС.

19. Назовите подвижные детали ДВС.

20. Рис. 14. Устройство 4-х тактного ДВС.

Рис. 15. Судовые насосы.

Рис. 16. Поршневой компрессор.

21. Какие двигатели называются тронковыми?

22. Какие двигатели называются крейцкопфными?

23. Назовите системы обслуживающие ДВС в работе.

24. Назначение и основные элементы пусковой системы ДВС.

25. Назначение и основные элементы топливной системы ДВС.

26. Назначение и основные элементы системы смазки ДВС.

27. Как осуществляется циркуляционная смазка ДВС?

28. Как осуществляется лубрикаторная смазка ДВС?

29. Назначение и основные элементы системы впуска и выпуска ДВС.

Что такое такт судового двигателя

Двигателем внутреннего сгорания называется тепловой двига­тель поршневого типа, в котором химическая энергия топлива пре­образуется в тепловую непосредственно внутри рабочего ци­линдра. В результате химической реакции топлива с кислородом воздуха образуются газообразные продукты сгорания с высокими давлением и температурой, которые являются рабочим телом дви­гателя. Продукты сгорания оказывают давление на поршень и вы­зывают его перемещение. Возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма превра­щается во вращательное движение коленчатого вала.

Двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов: изохорному (цикл Отто), изобарному (цикл Дизеля) и смешанному (цикл Тринклера), различающихся характером про­текания процесса сообщения тепла рабочему телу. В смешанном цикле часть тепла сообщается при постоянном объеме, а осталь­ная часть при постоянном давлении. Отвод тепла во всех циклах совершается по изохоре.

Совокупность последовательных и периодически повторяю­щихся процессов, необходимых для движения поршня — наполне­ние цилиндра, сжатие, сгорание с последующим расширением газов и очистка цилиндра от продуктов сгорания — называется рабочим циклом двигателя. Часть цикла, проходящая за один ход поршня, называется тактом.

Двигатели внутреннего сгорания делятся на четырехтактные и двухтактные; в четырехтактных двигателях рабочий цикл совер­шается за четыре хода поршня, а в двухтактных — за два.

Судовые двигатели внутреннего сгорания в основном работают по смешанному циклу. Крайние предельные положения поршня в цилиндре называются соответственно верхней и нижней мерт­выми точками (в. м. т., н. м. т.). Расстояние по оси цилиндра, проходимое поршнем от одного до другого крайнего положения, называется ходом поршня S (рис. 125). Объем, описываемый поршнем при его движении между в. м. т. и н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра V _s . Объем цилиндра над поршнем, когда последний находится в н. м. т., называется объемом камеры сжатия V _с . Объем цилиндра при положении поршня в н. м. т. на­зывается полным объемом цилиндра V _а : V _a = V _с + V _s .

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия ? = V _a / V _c .

Величина степени сжатия зависит от типа двигателя. Для су­довых дизелей степень сжатия равна 12—18. Главными конструк­тивными характеристиками двига­теля являются диаметр цилиндра, ход поршня, число цилиндров и га­баритные размеры.

Четырехтактный двигатель.

На рис. 125 показана схема устройства четырехтактного дизеля. Фунда­ментная рама 15 дизеля покоится на судовом фундаменте 1 . Блок ци­линдров 11 закрепляется на станине двигателя 14. Поршень 9 под дей­ствием газов совершает возвратно-поступательное движение по зерка­лу цилиндровой втулки 10 и с по­мощью шатуна 13 вращает коленча­тый вал 2. Верхняя головка шатуна с помощью поршневого пальца 3 соединена с поршнем, а нижняя ох­ватывает мотылевую шейку колен­чатого вала. В крышке 7 цилиндра размещены впускной клапан 4, вы­пускной клапан 8 и топливная фор­сунка 6. Впускной и выпускной клапаны приводятся в действие через систему штанг и рычагов 5 от кулачных шайб распредели­тельных валов 12. Последние получают вращение от коленчатого вала.

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе происходит за два оборота коленчатого вала — за четыре хода (такта) поршня. Из четырех ходов (тактов) три хода (такта) являются подготови­тельными, а один рабочим. Каждый такт носит название основ­ного процесса, происходящего во время данного такта.

Первый такт — впуск. При движении поршня вниз (рис. 126) над поршнем в цилиндре создается разрежение, и через принуди­тельно открытый впускной клапан а атмосферный воздух запол­няет цилиндр. Для лучшего заполнения цилиндра свежим заря­дом воздуха впускной клапан а открывается несколько раньше, чем поршень достигнет в. м. т.—точка 1 ; имеет место предваре­ние впуска (15—30° по углу поворота коленчатого вала). Закан­чивается впуск воздуха в цилиндр в точке 2. Впускной клапан а закрывается с углом запаздывания 10—30° после н. м. т. возможность использовать инерцию входящего с большой ско­ростью воздуха, что приводит к более полной зарядке цилиндра. Продолжительность впуска соответствует углу поворота коленча­того вала на 220—250° и на рисунке показана заштрихованным углом 1—2, а па диаграмме р—? — линией впуска 1—2.

Второй такт — сжатие. С момента закрытия впускного кла­пана а (точка 2) при движении поршня вверх начинается сжатие. Объем уменьшается, температура и давление воздуха увеличи­ваются. Продолжительность сжатия составляет угол 140—160° по­ворота коленчатого вала и заканчивается в точке 3 . Давление в конце сжатия достигает 3—4,5 Мн/м 2 , а температура 800—1100° К. Высокая температура заряда воздуха обеспечивает самовоспламенение топлива. В конце хода сжатия, когда поршень .немного не дошел до в. м. т. (точка 3 ), производится впрыск топ­лива через форсунку б . Опережение подачи топлива (угол пред­варения 10—30°) дает возможность к приходу поршня в в. м. т. подготовить рабочую смесь к самовоспламенению.

Третий такт — рабочий ход. Происходит горение топлива и рас­ширение продуктов сгорания. Продолжительность сгорания топ­лива составляет 40—60° поворота коленчатого вала (процесс 3—4 на рисунке). В конце горения внутренняя энергия газов увеличи­вается, давление газов достигает значительной величины 5 — 8 Мн/м 2 , а температура 1500—2000° К. Точка 4 — начало рас­ширения газов. Под давлением газов поршень движется вниз, со­вершая полезную механическую работу. В конце расширения (угол опережения 20—40° до н. м. т.) — точка 5 — открывается выпускной клапан в, давление в цилиндре резко падает и по дости­жении поршнем н. м. т. оказывается равным 0,1—0,11 Мн/м 2 , а температура 600—800° К. Предварение выпуска обеспечивает минимальное сопротивление движению поршня вверх в последую­щем такте. Рабочий ход совершается за 160—180° угла поворота коленчатого вала.

Четвертый такт — выпуск. Продолжается от точки 5 до точки 6. При выпуске поршень, двигаясь вверх от н. м. т., выталкивает от­работавшие продукты сгорания. Выпускной клапан закрывается с некоторым запозданием (на 10—30° угла поворота коленчатого вала после в. м. т.). Это улучшает удаление отработавших про­дуктов горения за счет отсасывающего действия газов, тем более что в это время впускной клапан уже открыт. Такое положение клапанов называется «перекрытием клапанов». Перекрытие кла­панов обеспечивает более совершенное удаление продуктов сгора­ния. Выпуск осуществляется в течение 225—250° угла поворота коленчатого вала.

Двухтактный двигатель.

На рис. 127 показана схема работы двухтактного дизеля. Газораспределение в двухтактных двигате­лях осуществляется через продувочные окна П и выпускные окна В . Продувочные окна соединены с продувочным ресиве­ром Р , в который продувочным насосом Н нагнетается чистый воз­дух под давлением 0,12—0,16 Мн/м 2 . Выпускные окна, несколько выше расположенные, чем продувочные, соединяются с выпускным коллектором. Топливо подается в цилиндр форсункой Ф. Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, за один оборот коленчатого вала. Открытие и закрытие выпускных и продувочных окон производится поршнем.

Рассмотрим последовательность процессов в цилиндре.

Первый такт — горение, расширение, выпуск и продувка. Пор­шень движется вниз от в. м. т. к н. м. т. В начале такта происхо­дит бурное горение с повышением давления газов до 5—10 Мн/м 2 и температуры до 1700—1900° К для тихоходных двигателей и 1800—2000° К для быстроходных. Горение заканчивается в точке 4 и затем происходит расширение продуктов сгорания (участок 4—5) до давления 0,25—0,6 Мн / м 2 и температуры 900—1200° К. При положении мотыля в точке 5 (за 50—70° до н. м. т.) откры­ваются выпускные окна, давление в цилиндре резко падает и на­чинается выпуск отработавших газов выпускного коллектора в ат­мосферу. Высота продувочных окон подбирается таким образом, чтобы к моменту их открытия давление газов в цилиндре было бы близко к давлению продувочного воздуха в продувочном ресивере. После открытия продувочных окон (точка 6) продувочный воздух, поступая в цилиндр, вытесняет продукты сгорания через выпускные окна, при этом часть воздуха уходит с отработавшими газами. При открытых продувочных окнах происходит принудительная очистка цилиндра и заполнение его свежим зарядом; этот процесс называется продувкой.

Второй такт. Процесс продувки продолжается также при дви­жении поршня вверх от н. м. т. до закрытия продувочных окон (точка 1). После закрытия поршнем выпускных окон (точка 2) процесс выпуска заканчивается и начинается процесс сжатия све­жего заряда воздуха. В конце сжатия (в. м. т.) давление воздуха равно 3,5—5 Мн/м 2 , а температура составляет 750—800° К. Высо­кая температура воздуха в конце сжатия обеспечивает самовос­пламенение топлива. Затем цикл повторяется.

По тем же соображениям, что и для четырехтактных дизелей, топливо в цилиндр подается с опережением в 10—20° поворота ко­ленчатого вала до в. м. т. (точка 3 ).

В настоящее время на судах применяют как двухтактные, так и четырехтактные дизели. Для крупнотоннажных грузовых и пас­сажирских судов основным является двухтактный двигатель. Ти­хоходные двухтактные крейцкопфного типа дизеля долговечны, отличаются высокой экономичностью, но имеют большой вес и га­бариты. При одной и той же частоте вращения и одинаковых раз­мерах цилиндров мощность двухтактного двигателя теоретически вдвое больше мощности четырехтактного. Увеличение мощности двухтактного двигателя обусловлено сгоранием вдвое большего количества топлива, чем в четырехтактном, но так как объем ра­бочего цилиндра (из-за наличия выпускных и продувочных окон) используется неполностью, а часть мощности (4—10%) затрачи­вается на приведение в действие продувочного насоса, то факти­ческое превышение мощности в двухтактном двигателе над мощ­ностью четырехтактного составляет 70—80%.

Четырехтактный двигатель при одинаковых мощности и ча­стоте вращения с двухтактным имеет большие размеры и вес. Двухтактный двигатель при одинаковых частоте вращения и числе цилиндров с четырехтактным вследствие удвоенного числа рабо­чих циклов работает более равномерно. Минимальное число ци­линдров, обеспечивающее надежный пуск для двухтактного дви­гателя — четыре, а для четырехтактного — шесть.

Отсутствие клапанов и приводов к ним у двухтактного двига­теля со щелевой продувкой упрощает его конструкцию. Однако на изготовление деталей требуются более прочные материалы, так как двухтактные двигатели работают при более высоких темпера­турных условиях.

В двухтактных двигателях очистка, продувка и зарядка све­жим воздухом цилиндра осуществляется на протяжении части одного хода, поэтому качество этих процессов ниже, чем у четы­рехтактного двигателя.

Четырехтактные двигатели удобнее в отношении повышения их мощности путем наддува. Для них используют более простую схему наддува, теплонапряженность цилиндров меньше, чем у двухтактных дизелей. Для современных четырехтактных дизелей с газотурбинным наддувом удельный эффективный расход топ­лива составляет 0,188—0,190 кг/(квт ? ч), а для двухтактных тихо­ходных дизелей с наддувом 0,204—0,210 кг/(квт?ч).

Что такое такт судового двигателя

Принцип работы 4-хтактных ДВС

На рис. 1.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтакт­ные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).

Рис. 1.1. Схема работы четырехтактного дизеля

1-й такт – впуск или наполнение. Поршень 1 дви­жется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной кла­пан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха перед впускным патрубком р. Впускной клапан открывается несколь­ко раньше ВМТ (точка r), т. е. с углом опережения φ_r—r’ ≈ 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впуск­ной клапан закрывается после НМТ (точка а’), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в ра­бочий цилиндр в этот период способствует и инерционный под­пор воздуха, поступающего в цилиндр. Поэтому впускной кла­пан закрывается с углом запаздывания φ_а-а’ 20…45° после НМТ.

Углы опережения φ_r—r’ и запаздывания φ_а-а’ определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), со­ответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220. 275° ПКВ.

Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор очень часто приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработав­ших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).

2-й такт – сжатие. При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламене­ния топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n) при высоком дав­лении, обеспечивающем качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол φ_n-с на номинальном режиме в СОД обычно равен 8. 16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е. воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.

3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топли­во, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая че­рез кривошипно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b’), которое происходит с опережением φ_b—b‘ ≈ 20. 40°. Некоторое уменьшение полез­ной работы расширения газа по сравнению с тем, если бы клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.

4-й такт – выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет φ_r‘-m ≈ 10. 60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу φ_r—m ≈ 30. 110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.

Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210. 280° ПКВ.

Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью aczba (площадь с наклонной штрихов­кой, см. 4‑й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачи­вает работу (с учетом атмосферного давления р под поршнем), равную площади над кривой r‘та до горизонтальной линии, со­ответствующей давлению р. За время 4-го такта двигатель за­трачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr‘ до горизонтальной линии р. Следова­тельно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так на­зываемых «насосных» ходов, т.е. 1-го и 4-го тактов, когда дви­гатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с верти­кальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной ра­боты, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов. В ре­альных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям. В ди­зелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, посту­пающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов ста­новится положительной.

Графическая зависимость давления газов в рабочем цилинд­ре от его объема (или хода поршня) представляет собой инди­каторную диаграмму. На рис. 1.2 показана развернутая инди­каторная диаграмма дизеля без наддува, где р – давление га­зов, φ – угол поворота коленчатого вала от ВМТ (обозначения точек на рис. 1.2 соответствуют обозначениям на рис. 1.1). Во 2-м такте дизель работает как компрессор, поэтому его работа в этом такте отрицательная. Круговая диаграмма фаз газорас­пределения, т. е. моментов открытия и закрытия клапанов га­зораспределения, представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля