Опорный конспект лекций (СДВС)

Опорный конспект лекций (СДВС)

Лекция № 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СДВС. СХЕМЫ РАБОТЫ. ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ.    – 2 ЧАС.

 

Краткие сведения из истории

 

Первый промышленный ДВС был сконструирован в 1860 г. Ленуаром (двухтактный с воспламенением от электроискры).

В 1876 немецкий инженер Отто создал четырехтактный газовый двигатель.

Первый ДВС с воспламенением от сжатия (т.е. дизель) сконструирован в 1897 г. Р. Дизелем. Первый промышленный был произведен в 1899 г. на заводе Нобеля (ныне «Русский дизель»), который купил патент у Р. Дизеля(18 кВт,0,3 кг/кВт·час, нефть).

В 1903 году был построен первый в мире теплоход с ДВС.

Нефтеналивная баржа (3 дизеля мощностью по 88 кВт, 240 об/мин., электропередачи на 3 винта).

 

Классификация судовых ДВС

 

По роду работы цикла:

·  с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме (рис. 1а);

·  с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном давлении (рис. 1б);

·  с комбинированным подводом теплоты к рабочему телу.

                                    а)                               б)

Рисунок 1 – Диаграммы теоретических циклов с подводом теплоты при постоянном объеме (а) и постоянном давлении (б)

Рисунок 2 – Теоретический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты

По способу осуществления рабочего цикла:

· 4-хтактные;

· 2-тактные.

По способу воздухоснабжения:

· с наддувом;

· без наддува.

По роду применения топлива:

· жидкое;

· газовое.

По частоте вращения:

· МОД – до 240 об/мин;

· СОД – 240< n £ 750об/мин;

· ВОД – > 750 об/мин.

По назначению:

· главные;

· вспомогательные.

По принципу действия:

· простого;

· двойного;

· с противоположно движущимися поршнями.

По конструкции КШМ:

· тронковые (например, часть поршня);

· крейцкопфные (нормальные силы возникают при наклоне шатуна

передаются ползуном на параллели, которые закреплены на станине дизеля.

По расположению цилиндров:

· вертикальные;

· горизонтальные;

· однорядные;

· двухрядные;

· V-образные;

 

Принцип действия

 

Химическая энергия топлива в результате сгорания превращается в механическую работу непосредственно в рабочем цилиндре. Поступательное движение поршня преобразуется с помощью КШМ в механическую работу вращения коленчатого вала.Комплекс последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре, и обуславливает работу, называемую циклом ДВС.Часть цикла, происходящая на протяжении одного хода поршня – такт.

 

Схемы работы 4-х и 2-х тактных дизелей

 

Схема работы четырехтактного двигателя потактно изображена на рисунке 4 (а, б, в, г).

 

Рисунок 4 – Схема работы четырехтактного двигателя

 

Схема работы двухтактного двигателя с контурной схемой продувки изображена на рисунке 5 (а, б).

1 такт – продувка и сжатие;

2 такт – сгорание, расширение, выпуск и продувка.

 

Рисунок 5 - Схема рабочего процесса двухтактного двигателя

 

Маркировка дизелей

В соответствии с ГОСТ 4393-92 судовые дизели маркируют в зависимости от их типа следующими обозначениями:

Ч - четырёхтактный

Д – двухтактный

ДД – двухтактный двойного действия

Р – реверсивный

С – с реверс муфтой

П – с редукторной передачей

Г – газовый

Н – с наддувом

По БМЗ дополнительно указывается и номер модификации.Например, 9ДКРН 80/160-4. Рассмотрим маркировки основных фирм производителей СДВС.

«Бурмейстер и Вайн» (Burmeister & Wain)

V – двухтактный

F – реверсивный

T – крейцкопфный

B – с газовым турбонаддувом

M – четырёхтактный

Н – вспомогательный

Число цилиндров и диаметр указывается перед буквами. Ход поршня указывается после букв.

Например, 874VTBF160 (8ДКРН 74/160); 20MTBH30 (ЧН 20/30)

 

После 1967 года введены новые обозначения:

К – двухтактный крейцкопфный

Маркировка отображает и некоторые конструктивные изменения. Дизели типов K-EF; K-FF – колпачковая крышка цилиндров ТНВД с подводимой втулкой для регулирования угла опережения;

E,F – обозначения моделей; F – судовой реверсивный для прямой передачи;

Последняя буква – назначение

K-GF – увеличенная мощность на 30% за счёт наддува; коробчатая конструкция остова;

K80GF (ДКРН 80/160-4) - увеличенный диаметр шеек крейцкопфа; выпускной клапан перееден а гидравлический привод, изменена конструкция форсунки, (центральный клапан подвода топлива, размещение нагнетательного клапана в мгле для устранения подвпрыскрв и прорыва газов из цилиндра при зависании иглы.

L-GF – большее отношение S/D. Снижение частоты вращения на 20%.

      (рост КПД на 5%).

L-GFCA – переход с импульсной схемы наддува на изобарный для повышения экономичности. (КПД ТК увеличивается на 8%,но пришлось для обеспечения над. пуска ввести две турбовоздуходувки по 0.5% полной мощности). Не такое раннее открытие выпускного клапана, глубокое охлаждение надуваемого воздуха, установка сепараторов влаги.

МАН – Б и В (MAN & Burmeister Wain)

С 1981 года двигатели B&W маркируются под этим брендом

L-GА – отличие от предыдущих моделей только наличием турбокомпрессора разработанного фирмой MAN NA-70.

L-GB – повышение  и экономия за счёт ТК. Новая конструкция поршня с масловым охлаждением конструкцией выпускного клапана, с пневматическим поршней и крылаткой для его вращения. Применён золотниковый насос (ТНВД) смешанного регулирования.

L-GBE – плунжер ТНВД с автоматическим регулированием угла опережения впрыска. Расширена зона постоянных значений

L-MC/MCE – S/D=3.0÷3.25 FTH – с электрогенератором

L35MC (ДКРН 35/105)

S-MC, S-MCE – S/D=3.82÷3.77

S26MCE (ДКРН 26/98) – применена система ViT

Л-ЬС

12K90MC (12ДРН 90/255) – S/D=3.0 но с повышенной на 10% частотой (предназначены для контейнеровозов и быстроходных судов)

MAN & B.W. серии МЕ. Первый двигатель создан в 2003 г. Нет распредвала. Электрическое управление топливоподачей, выхлопными клапанами, смазкой цилиндров, пуском и реверсом

«М AN»

До 1981 года фирма MAN использовала следующие обозначения:                                                      

К – крейцкопфный;

G – тронковый;

Z – двухтактный;

С – c наддувом;

S – приспособленность к монтажу с помощью современного гидравлического инструмента;

Например, K8Z 70/120 (8ДКРН 70/120)

«FiAT»

Выпскались двигатели С7585 (8ДКРН 75/132), С9095 (8ДКРН 90/160) и др.

 

«Grandi Motori Trieste»

Фирма выпускала двигатели A 420 (ЧН 42/50), А 450 и др.

«S.E.M.T. - Pielstiek»

Фирма S.E.M.T. – Pielstiek (Франция) и её лицензиаты выпускали четырёхтактные двигатели серий РС (например, РС 40 L (ЧН 57/75)), РС2 (например, РС2-5, РС2V, РС2-6/2, РС3, РС4. Распространённый на судах дизель РС2-5 имеет следующие основные параметры: , ; = ; ; ;)

«Митцуи»

Фирма выпускает судовой двигатель V60M (, ; = ; ;n = 370 )

 

Состав элементов КШМ

  В состав КШМ тронковых двигателей входят поршень 3, шатун 2 и коленчатый вал 1. (рис 1, а), крейцкопфных – поршень 2, шток 3, крейцкопф 4, шатун 5 и коленчатый вал 1 (рис 1, б).

Через крейцкопф 4, состоящий из поперечины и ползуна, на параллели 6 передается нормальная сила.

 

 

Рисунок 1 – Кривошипно-шатунный механихм двигателей:

а – тронкового, б- крейцкопфного.

 

Рисунок 2 – Поршень среднеоборотного двигателя РС-2 Pielstick и его схема охлаждения.

 

На рис. 2а изображен поршень двигателя РС-2 Pielstick. Он изготовлен из алюминиевого сплава.

Для обеспечения достаточной прочности головка поршня выполнена толстостенной. Спиральные каналы внутри головки (полученные при отливке) используются для подвода охлаждающего масла (рис 2б); они расположены против канавок для поршневых колец. Толщина стенки, через которую передается теплота от горячих газов к маслу, сравнително невелика, что позволило улучшить теплоотвод, понизить температурные напряжения и получить сравнительно низкую температуру днища поршня – около 300°С (573К) и стенок канавок поршневых колец 150-170°С (423-443К). При таких температурах механическая прочность алюминиевого сплава снижается незначительно, масло не окисляется и не образуется лаковых отложений в закольцевых пространствах; кольца сохраняют подвижность, обеспечивая хорошее газоуплотнение.

На головке расположены четыре уплотнительных кольца и одно маслосъемное; второе маслосъемное кольцо установлено на нижней части тронка.

 

Конструкция поршней двигателей крейцкопфного типа (рис. 5) имеет ряд особенностей.

Поршень двигателя с прямоточно-клапанной продувкой (рис 5, а) состоит из головки 6, которая крепится шпильками к верхнему фланцу 4 штока поршня 3 и короткой направляющей части 5. Охлаждающая жидкость (вода или масло) подводиться к поршню по кольцевому каналу между трубой 2 и штоком 3, а сливается – по трубе 2.

Этот метод подвода масла по сравнению с традиционными методами обеспечивает:

- меньшее замасливание канавок компрессионных колец и исключение образования в них нагара;

- уменьшение износов благодаря созданию эффективной смазки зоны колец;

- гарантированное сохранение масляной пленки в зазоре поршень-втулка, что повышает эффективность борьбы щелочных присадок мала по сравнению с сернистой электро-химической коррозией.

В целях повышения износостойкости поршневых колец, включая и маслосъемное, на их рабочую поверхность нанесен слой пористо-хромового покрытия.

 

 

Рисунок 5 – Поршни крейцкопфных двигателей: а – с прямоточно клапанной продувкой; б – с контурной продувкой

В двигателях с контурной продувкой поршень имеет длинную, перекрывающую окна, направляющую часть 2 (рис 5,б). В этой конструкции охлаждающая жидкость подается в поршень и отводится из него по телескопическим устройствам 3.

.

 

Коленчатый вал состоит из коренных, шатунных шеек, щек, соединительных фланцев.

Бывают: цельные, составные, полусоставные.

Расположение колен зависит от тактности и числа цилиндров. Обеспечивает наибольшую равномерность крутящего момента, наиболее полное уравновешивание дизеля. Угол заклинки у 4х_тактн.α= 720/i; 2x_тактн.α=360/i.

Неравномерная заклинка колен применяется иногда как исключение для уравновешивания дизеля.

Противовесы (Countee balance) для уравновешивания неуравновешенных сил и моментов инерции деталей движения, уменьшения удельных давлений на коренные подшипники. Крепятся к щекам.

На конус вала со стороны отбора мощности обычно устанавливают маховик, ВПУ, привод газораспределения.

На свободном конце устанавливают шестерни масляного насоса, водяного насоса.

.

Шатуны.

Шатуны крейцкопфных двигателей соединяются верхней головкой с поперечной, а нижней с кривошипной шейкой коленвала. Верхняя и нижняя головки всегда снабжены разъемом. Они могут быть отъемными (рис 1) или откованы за одно целое со стержнем шатуна.

 

                                             

Рис. 1.

Длина стержня и высота камеры сжатия регулируется стальной прокладкой.

Верхнюю головку шатуна выполняют с двумя или одной сплошной опорной поверхностью для поперечены крейцкопфа.

–В первом случае опорой для поперечины является две крейцкопфные головки, которые крепятся к подошве стержня болтами.

–Во втором случае поперечина по всей длине опирается на сплошную нижнюю часть крейцкопфного подшипника, что снижает дельные давления на нее.

Нижняя головка шатуна съемная и крепят ее к подошве стержня шатунными болтами.

 

 

Крейцкопфы.

Они соединяют поршневой шток с шатуном и передают боковые (нормальные) усилия через ползуны на параллели.

Количество ползунов зависит от типа и цилиндровой мощности дизеля.

Крейцкопфы бывают двух и односторонние. К поперечине с полыми шейками крепятся кронштейны (bracket [brəkət]) и четыре (два, один) ползуна. Трущееся поверхности ползунов залиты баббитом. Пары ползун-параллель находятся вне зоны высоких температур.

 

Поперечина представляет собой стальную поковку. В центре отверстие для прохода штока поршня, который крепится гайкой.

 

                                                                                      1.Поперечина

 2.Шток поршня

(Piston rod)

 3.Шейка поперечины

(Grosshead pin)

 4.Кронштейн

(Bracket [brəkət])

 5.Ползун

(Quidshoe)

 6.Параллели, направляющая

крейцкопфа.

(Grosshead quide Guidrails)

  

                      Рис. 6.                                                              

Крейцкопфные узлы с четырьмя ползунами изображены на рисунке 7.

 

 

Механизмы газораспределения рассматриваются в рамках практического занятия, которое обеспечено соответствующим методическим указанием.

В современных четырёхтактных ДВС (МАК М20) изменяются фазы открытия и закрытия впускного клапана. Осуществляется путём перемещения рычагов привода относительно кулачковых шайб (см на рис.)

При переходе на малые нагрузки обеспечивается более позднее открытие и закрытие впускного клапана. В результате более эффективное сжатие воздуха в цилиндрах.

Одновременно ролик толкателя ТНВД перемещается на более крутой участок кулачной шайбы. Увеличивается скорость плунжера ТНВД, а, следовательно и давление впрыска топлива. Лучше распыл, следовательно более полное сгорание (уменьшение удельного расхода топлива).Снижается эмиссия  (на M43 на 35% при2÷10% Ne)

Угол опережения впрыска в современном ДВС уменьшен. Например, в Wärtsilä 46 с 10÷12° до 2÷3° до ВМТ, при этом ε увеличивается до 15, что необходимо для сжигания тяжёлого топлива.

Современные двухтактные высокоэкономичные (КПД до 50,5%) имеют высокую агрегатную мощность до 80000 кВт, низкие обороты 50÷90 , высокий, высокий моторесурс  до 1,9 МПа. Электронное управление.

26÷98 см;

=3÷4,2 155;

Исключительно прямоточной схема продувки. На режимах частичных нагрузок применяют раннее закрытие выхлопного клапана при этом давление в цилиндре повышается (двигатели с электронным управлением КЕ FLEX).

VEC – variable Exhaust valve Closing. В двигателе RT FLEX электроне, управление, аккумулятивная система впрыска.

 

Общее конструктивное исполнение СДВС, изображено на нижеприведенных рисунках.

 

 

Система топливоподачи

  Это система высокого давления. Она обеспечивает:

-впрыск точно дозированный цикл подачи топлива;

-заданные фазы топливоподачи и характеристику впрыскивания g=f();

-качественное распыливание на всех режимах;

-возможность отключения подачи топлива отдельными ТНВД без остановки дизеля;

В состав системы непосредственного действия входят:

1.ТНВД,  который приводится в действие от распредвала посредством кулачных шайб определённого профиля;

2.Трубопровод высокого давления;

3.форсунка;

4. Отсечной трубопровод;

Топливные системы непосредственного действия делят на два типа: раздельные и нераздельные. В первом случае ТНВД и форсунка соединены между собой топливопроводом высокого давления, а во втором они объединены в общем корпусе и образуют систему насос-форсунка. Насос-форсунки с механическим и гидравлическим приводом применяет фирма «Катерпиллар». В варианте с гидроприводом управление фазами подачи топлива осуществляется микропроцессором. В судовых дизелях наибольшее распространение получили топливные системы раздельного типа, а система насос-форсунка, несмотря на большую компактность, меньшие размеры и массу, отсутствие допольнительного впрыскивания топлива, используется очень редко. Это обусловлено трудностями размещения её в крышках цилиндров, сложностью привода, который, как правило, мешает демонтажу крышек цилиндров, а так же необходимостью разборки всей системы насос-форсунка с последующей её регулировкой при смене распылителя.

Схема топливной системы высокого давления, получившая распространение в судовых дизелях, приведена на рис.3.2. В данном случае золотниковый топливный насос высокого давления и форсунка соединены между собой топливопроводом высокого давления. Кулачковая шайба 1, размещена на распределительном валу 2, при набегании на ролик 3 толкателя поднимает плунжер 4. После закрытия плунжером наполнительных отверстий 9 во втулке 7 плунжера начинается сжатие топлива в надплунжерном пространстве 10 с интенсивным ростом давления. Когда это давление на нагнетательный клапан 11  превысит усилие пружины 12 и давление топлива в штуцере насоса, равное остаточному давлению в нагнетательной магистрали, клапан поднимается, и топливо вначале поступит в штуцер,а затем в топливопровод высокого давления 13.

Во входном сечении топливопровода образуется волна повышения давления, распространяющаяся по топливопроводу и каналу 19 в корпусе форсунки со скоростью, близкой к звуковой. После прихода этой волны к карману 17 корпуса 16 распылителя форсунки давление топлива на дифференциальную площадку иглы 15 превысит усилие пружины 14, игла поднимется, в результате чего топливо будет впрыскиваться через распыливающие отверстия 18.

Подача топлива насосом продолжается до тех пор, пока не начнут открываться отсечные отверстия 8 (кромкой а), после чего давление топлива в надплунжерном пространстве быстро снижается, что в конечном счёте приводит к закрытию клапана 11. Давление в кармане распылителя падает и наступает момент, когда пружина 14 опускает иглу на седло, после впрыскивания топлива прекращается.

Контакт ролика толкателя с кулачковой шайбой обеспечивается пружиной 5. А поворот плунжера, необходимый для изменения подачи топлива, осуществляется поворотной втулкой 6 с зубчатым венцом, который входит в зацепление с зубцами рейки насоса. Поворот этой втулки происходит при линейном перемещении рейки, связанной или с регулятором двигателя, или с рукояткой его поста управления. Плунжерные пары устанавливаются и заменяются только комплектно.

 

 

В клапанном насосе (рис 3.3) нагнетание топлива начинается после посадки всасывающего клапана на седло, что происходит вследствие опускания толкателя 10 на величину δ при подъёме плунжера 3. Отсечка подачи произойдёт в момент, когда толкатель 15 поднимется на величину  и откроет отсечной клапан 6. В остальном и принцип работы клапанного насоса, и процесс топливоподачи такие же, как и в рассмотренном случае при золотниковом ТНВД.

Топливные насосы высокого давления в судовых дизелях, особенно в малооборотных и среднеоборотных, обычно выполняют автономными для каждого цилиндра. Но встречаются, главным образом в высокооборотных дизелях, и блочные насосы, в которых секции (плунжерные пары, состоящие из плунжера и его втулки) размещают в общем блоке.

 

 

.

Для обеспечения качественного распыла необходима вязкость в пределах ≈10÷19 сСт, поэтому тяжёлые топлива подогревают.

При слишком низкой температуре подогрева ухудшается распыл, увеличивается длина факела(топливо забрасывается на стенки цилиндра).

При слишком высокой температуре подогрева топлива распыл улучшается, но сокращается длина факела, вокруг форсунки создаётся высокая температура и высокая концентрация топлива, которому не хватает воздуха.

Система впрыска (топливоподачи) обеспечивает своевременную, дозированную подачу топлива в цилиндр и качественное распыливание. Качественное распыливание обеспечивается в основном за счёт высокого давления впрыска.

Точность дозирования на режиме номинальной мощности составляет 1÷3%. На режимах частичных нагрузок количество впрыскиваемого топлива снижается. На Х.Х. оно составляет ≈7÷20% от номинального.

В обычных системах непосредственного впрыска без использования аккумуляторов и гидропривода давление впрыска на холостом ходу и при частичных нагрузках падает в несколько раз.

В аккумуляторных системах обеспечивается стабильное качество распыла.

Процесс сжатия.

 

    В конце процесса сжатия достигается температура, достаточная для воспламенения топлива.

Действительный процесс сжатия является не адиабатным

а политропным

.

Реальный показатель политропы процесса сжатия переменный:

Основные параметры, которые характеризуют процесс сжатия:

- показатель политропы; - давление сжатия; - температура в конце сжатия; ε- степень сжатия.

Показатель политропы.

    В начале процесса (из- за подвода теплоты +Q от стенок цилиндра). Затем когда температура заряда станет выше температуры стенок  , из- за отвода теплоты охлаждающей воде (-Q).

    Величина показателя политропы зависит от частоты вращения, размеров цилиндра, нагрузки, интенсивности охлаждения поршня, плотности уплотнительных поршневых колец.

 

 

Влияние частоты вращения на

    C повышением частоты вращения уменьшается продолжительность теплообмена со стенками цилиндра за цикл (

    При понижении оборотов ДВС показатель политропы сжатия снижается (. При этом снижается и  и .

    У ДВС с небольшими размерами цилиндра при пониженных частотах вращения показатель  снижается резко. Давление и температура в конце сжатия  и  уменьшаются. Ухудшается запуск, поэтому у таких ДВС увеличенная степень сжатия.

Влияние нагрузки.

С увеличением нагрузки

Степень сжатия.

Действительная степень сжатия – это отношение объема цилиндра в момент закрытия органов газораспределения к объему камеры сгорания:

ψ- доля хода поршня, соответствующая объему цилиндра при котором начинается сжатие.

        

    При пуске показатель политропы  имеет пониженные значения, поэтому E должна быть достаточной для обеспечения устойчивого самовоспламенения.

    Для устойчивого самовоспламенения необходимо, чтобы

У МОД необходимые значения достигаются при ε=10,5 13,5

У ВОД необходимые значения достигаются при ε=15 18

 

Процесс расширения

Литература: Самсонов В.М. и др. СДВС

Расширение продуктов сгорания происходит при движении поршня от ВМТ к НМТ. На участке  расчетного цикла увеличение объема сопровождается подводом теплоты. При термодинамическом описании расчетного цикла условно допускают, что процесс расширения начинается в конце видимого сгорания т. , начиная с которого происходит политропическое понижение давления и температуры в зависимости от объема цилиндра.

Действительный цикл, в отличие от теоретического, сопровождается подводом теплоты, догоранием топлива, утечками газа через поршневые кольца.

В результате действительный процесс расширения - это политропический процесс с переменным показателем политропы. В начале  ( = 1,1- 1,2). В конце ( = 1,4- 1,5).

К увеличению продолжительности догорания и доли догорающего топлива приводит:

- повышение частоты вращения;

- ухудшение качества распыла;

- понижение температуры заряда цилиндра;

- недостаточная интенсивность испарения топлива;

- понижение коэффициента избытка α;

- недостаточно интенсивное перемешивание паров топлива и воздуха.

При использовании топлива с более высокой вязкостью период догорания оказывается более продолжительным.

По мере движения поршня к НМТ увеличивается отдача теплоты стенкам втулки из-за увеличения поверхности ТО. Показатель политропы  и перед НМТ достигает .

В целях упрощения расчетов действительный процесс расширения заменяют условным политропным процессом со средним определяемым из условия равенства работы расчетного процесса работе действительного процесса.

Процесс выпуска.

Есть потери давления (газодинамические)

 МПа;

Температура газов в выпускном коллекторе перед турбиной несколько выше, чем на выходе из цилиндров.

Истечение газов из цилиндра можно рассматривать как политропный процесс:

- средний показатель политропы.

Коэффициент продувки: 4-х такт. 1,05-1,35

                                             2-х такт. 1,25-1,80 

 

Уравновешивание двигателей.

Уравновешивание достигается соответствующим расположением мотылей, так чтобы возникающие силы инерции разных цилиндров самоуравновешивались.

Для быстрого нахождения оптимальных вариантов используются таблицы (стр.297 СДВС: учебник Фомин и др. 1989г.).

 

При равномерном заклинивании кривошипов полностью уравновешиваются все силы инерции в 4-х тактных с i >4 и 2-х тактных с i >2.

Моменты сил инерции полностью уравновешиваются в 4-х тактных с четным числом цилиндров при зеркальном расположении кривошипов.

Если естественное уравновешивание сил инерции вращающихся масс не получается, то применяют искусственное уравновешивание противовесами.

 

P̅_прот=m_прρω²=-P̅_r=-m_rrω²

ρ – радиус установки противовесаю.

 

 

 

Рис. 11.16. Схема уравновешива­ния сил инерции ВМ (а) и час­тичного уравновешивания сил инерции первого порядка ПДМ (б) в одноцилиндровом двигателе с помощью противовесов, уста­навливаемых на щеках коленча­того вала

Крутильные колебания

При очередной вспышке топлива в рабочем цилиндре происходит закручивание коленвала и гребного вала, а далее раскручивание под действием упругих сил. Такие колебания наз. крутильными.

 

М_ин + М_упр =0

I – момент инерции массы

G – момент упругости при сдвиге материала вала

I_p – полярный момент инерции сечения вала

Частота свободных крутильных колебаний системы зависит от жесткости вала и момента инерции массы. Амплитуды колебаний различны, а период и частота остаются такими же.

Рассомтрим двух- и трехмассовые системы

Неподвижное сечение вала наз. узлом колебаний

 

Двухузловая форма колебаний возникает, если в рассматри­ваемой системе к ее крайним массам приложить одинаковые моменты одного знака, закручивающие вал на углы φ₁ и φ₃', а к средней массе — момент противоположного цикла (φ₂').

Практический интерес при расчетах крутильных схем вало-провода судовых дизелей представляют только низшие формы колебаний: одно-, двух- и реже трехузловая. Четырех- и- пятиузловые формы колебаний представляется необходимым исследо­вать только в исключительных случаях, когда система имеет большое число масс (более 15—20).

Расчет крутильной системы, имеющий конечной целью опре­деление запретных зон частот вращения вала двигателей, допус­кает замену действительной системы эквивалентной дискретной.

 

Расчет крутильной системы с целью определения запретных зон частот вращения вала допускает замену действительной системы эквивалентной дискретной.

 

Приведение (замена) действительной крутильной системы к эквивалентной дискретной производят для упрощения и удобст­ва расчета свободных крутильных колебаний. При этом действи­тельные массы заменяют эквивалентными им по динамическим свойствам, а в целом сложная система кривошипно-шатунного механизма, системы судового валопровода (включая и гребной винт) приводят к простой эквивалентной системе (рис. 110). Эта система состоит из цилиндрического вала постоянного диаметра и эквивалентных сосредоточенных масс, расположенных на оди­наковом расстоянии от оси вала.

 

Вынужденные крутильные колебания возбуждаются периодически от движ. сил.

P_D=P_г + P_u+P_т P_т=m_sg

Переменная величина крутящего момента от движущей силы изменяющаяся по период кривой, может быть представлена рядом Фурье.

Переменная величина крутящего момента от движущей силы, изменяющаяся по периодической кривой, может быть представ­лена рядом Фурье, т. е. суммой постоянного члена среднего кру­тящего момента и некоторого числа гармонических составля­ющих, которые являются основными возбудителями крутильных колебаний:

М_к=М_ср+М₁ sin (ω _в t + ψ ₁)+М₂ sin (2 ω _в t + ψ ₂) +…+ М_i sin (iω _в t + ψ _i)+…,

 

где  М_ср — средний крутящий момент (колебаний не возбуждает);

M _i , ω _в, ψ _i —амплитуда, частота и начальная фаза гармоники кру­тящего момента.

Такое разложение момента М_к называют гармоническим ана­лизом крутящего момента двигателя.

Порядком гармоники называют число полных периодов, со­вершаемых данной гармоникой за один оборот коленчатого вала.

Гармоники, порядок которых равен или кратен числу вспы­шек за один оборот вала, называют главными.

Гармоники, имеющие самый низкий порядок, называют основ­ными. Гармонический анализ тангенциальных диаграмм дизелей, соответствующих различным pi (средним индикаторным давлени­ям), даст возможность определять амплитуды гармонических со­ставляющих.

Амплитуда вынужденных колебаний сохраняет свою величину постоянной при наличии трения в системе только потому, что по­глощаемая энергия непрерывно восстанавливается за счет рабо­ты возмущающих сил.

Амплитуды вынужденных колебаний при больших значениях возмущающих моментов могут быть весьма значительными. Уве­личение амплитуды колебаний сопровождается пропорциональ­ным ростом напряжений от крутильных колебаний в некоторых элементах и сечениях системы валопровода, что ведет, к устало­сти металла и возможному его разрушению.

Теплонапряжённость дизелей

Литература: Самсонов В.И. и др. СДВС – М.Транспорт,1981 – 400с

 

Показатели теплонапряжённости.

 

1. Непосредственные: температурные напряжёния в стенках теплопередающих деталей; Температуры в характерных точках деталей ЦПГ.

Для втулок цилиндров, например, температура напряжения

E – модуль упругости, кПа;

µ – коэф. Пуассона;                    

αт – коэф. линейных расширений,

2. Косвенные показания теплонапряжённости:

- тепловой поток (удельный) ;

- температура выпускных газов;

- температура в точке удобной для замера;

Условные критерии теплонапряжённости

Для поршня:

b - коэффициент, учитывающий тактность;

Ts – температура выделяемая перед цилиндром;

Сm  - средняя скорость поршня;

Ps – давление воздуха перед цилиндром;

Ре – КПД;

gе - удельный расход топлива;

То – температура окружающей среды (293 К);

 

 

Назначение наддува.

    Наддув в современных дизелях предназначен для повышения мощности и КПД. Это наиболее эффективный способ повышения удельной мощности дизелей, уменьшения массы и габаритов дизеля.

        

Удельная мощность ДВС пропорциональна величине среднего эффективного давления

-давление и температура воздуха, поступающего в цилиндры