Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Рис. 9.8. Дизель СЕМ1! — Пилстик РС-2

пуса с водяным охлаждением. Корпуса прикреплены к крышке длинными податливыми болтами с дистанционными трубками, что позволяет компенсировать удлинение корпусов при их нагревании. Впускные клапаны отдельных корпусов не имеют, их гнезда рас­ точены в крышке. В двигателе, работающем на тяжелых топливах с высоким содержанием ванадия, применяют водяное охлаждение штоков и тарелок выпускных клапанов; подводится и отводится во­ да по гибким шлангам. Для смазывания клапанного привода преду­ смотрена автономная масляная система,

Поршень состоит из отъемного.стального днища 6 и тронка 5 из алюминиевого сплава. Днище охлаждается маслом при его взбал­ тывании во время работы двигателя. Масло подводится от рамовых подшипников по сверлениям в кривошипе, теле шатуна, поршне-

190

Г л а в а 10. ОСНОВЫ ТЕОРИЙ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЮЛ. Идеальный цикл

Общие сведения, В основе работы дизеля лежат физико-хими­ ческие процессы преобразования тепловой энергии, выделяющей­ ся при сгорании топлива в.* цилиндрах, в механическую работу. Сложность процессов, протекающих в дизеле, их зависимость от множества конструктивных и эксплуатационных факторов в извест­ ной степени затрудняют решение практических задач, связанное с анализом и расчетом. Поэтому при изучении теоретических основ двигателей рассматривают упрощенные схемы рабочих процессов, объединяемых в циклы.

В качестве такой упрощенной схемы, позволяющей наиболее просто оценить совершенство процессов и получить отчетливое представление о возможных способах улучшения использования теплоты, получаемой от сжигания в двигателе топлива, принимает» ся идеальный (термодинамический) цикл —- термодинамический кру­ говой процесс преобразования теплоты в механическую работу. В отличие от действительных рабочих циклов, протекающих в ре­ альном двигателе, условно принимается, что в идеальном цикле от­ сутствуют какие-либо потери энергии, кроме отдачи теплоты хо­ лодному источнику. Эта потеря, согласно второму закону термо­ динамики, является неизбежной, без нее было бы невозможно пре­ образование тепловой энергии в механическую работу.

При рассмотрении идеального цикла ДВС принимают следующие упрощающие анализ д о п у щ е н и я :

цикл протекает с постоянно заключенным в цилиндре рабочим телом (газом), количество и химический состав которого неизмен­ ны; этим исключаются из рассмотрения потери рабочего тела вследствие утечек через неплотности цилиндра (что происходит в реальном дизеле) и потери энергии, связанные с процессом на­ полнения цилиндра свежим зарядом воздуха и удалением из не­ го выпускных газов;

процесс выпуска заменяется фиктивным процессом отвода теп» лоты от рабочего тела к холодному источнику;

вследствие неизменности химического состава рабочего тела ис­ ключается из рассмотрения процесс сгорания со всеми связанными с ним потерями химической энергии топлива и теплоты; процесс сгорания заменяется фиктивным процессом подвода теплоты к ра­ бочему телу от внешнего горячего источника;

192

процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, без теп» лообмена с окружающей средой, что позволяет не учитывать по­ тери теплоты (происходящие в действительном двигателе при ежа* тии и расширении рабочего тела).

Перечисленные допущения, позволяющие пренебречь влиянием потерь энергии, приводят к тому, что показатели термодинамиче­ ского цикла получаются более высокими, чем в реальных двигате­ лях. Такая идеализация условий осуществления рабочих процес­ сов упрощает анализ факторов, влияющих на совершенство исполь­ зования в двигателе тепловой энергии; одновременно она позволяет рассматривать термодинамический цикл в качестве эталона, к ко­ торому следует стремиться при осуществлении рабочих процессов в реальном двигателе.

Обобщенный цикл. Современные судовые дизели строят исклю­ чительно с наддувом, поэтому в простейшем варианте это комбини­ рованный двигатель, состоящий из поршневого двигателя, газовой турбины и компрессора.

В каждом из этих агрегатов совершаются взаимно связанные процессы, которые для удобства термодинамического анализа мо­ гут быть объединены в единый цикл, называемый обобщенным,

термодинамическим циклом (рис. ЮЛ).

Диаграмма этого цикла условно может быть разделена на две

поршневого двигателя, acz'zb. Составляющие этот цикл процессы осуществляются в последовательности:

адиабатное сжатие рабочего тела (идеального газа) ас, в резуль­ тате которого повышаются давление и температура газа;

мгновенный подвод теплоты к рабочему телу при положении поршня в ВМТ — изохорный процесс сх\ в результате которого повышаются давление и температура газа, а объем остается постоян­ ным;

постепенный подвод теплоты к рабочему телу, сопровождаю­ щийся одновременным его расширением при движении поршня в направлении от ВМТ к НМТ, •—•изобарный процесс z'z, при ко­ тором давление газа сохраняется неизменным, а объем и температу­ ра увеличиваются;

адиабатное расширение рабочего тела в процессе zb ■— совер­ шается механическая работа при продолжающемся движении порш­ ня к НМТ;

отвод теплоты от рабочего тела при неизменном объеме? соот­

машинах (турбине и компрессоре). В зависимости от принятого спо­ соба подвода газов к турбине возможны два варианта:

первый вариант (см. рис» 10.1, а) — газы из цилиндров поступают в общий выпускной коллектор большого объема, вследствие чего перед турбиной поддерживается постоянное давление р т = = ра = const и отводимая от цилиндра теплота Q2v4 подводит­

ся к турбине по изобаре агг' (в количестве Q1Pt = Q2f4)» В турби­

не газы адиабатно расширяются (линия rV ), и совершаемая ими работа передается находящемуся на одном валу с турбиной ком­ прессору, в котором газ (воздух) адиабатно сжимается по кривой оа от атмосферного давления р0 до давления ра. Отдача теплоты QwT от турбины происходит при постоянном давлении р0;

второй вариант (см. рис. ЮЛ, б) — газы из цилиндров по ко­ ротким патрубкам поступают непосредственно к турбине, поэтому перед ней создается переменное давление рт= varia (поток газов носит импульсный характер).

Расширение в турбине начинается сразу в точке b и происхо­ дит адиабатно до точки е. Затем происходит отдача теплоты Q2pT

при постоянном давлении р0. Замыкается цикл, как и в предыдущем варианте, по адиабате сжатия' в компрессоре оа.

194

Отсутствие расширения газа за цилиндром (перед турбиной) теоретически позволяет в ней дополнительно использовать кине­ тическую энергию газа. Соответствующая ей дополнительная рабо­ та в турбине определяется площадью bra. В первом варианте (рт = const) из-за расширения газов в выпускном коллекторе кинетическая составляющая не используется, но соответствующая ей энергия переходит в тепловую (процесс гг'). Температура газа увеличивается, что способствует росту потенциальной составляю­ щей энергии газа перед турбиной. Прирост энергии определяется площадью гг'е'е.

Показатели идеального цикла. В целях упрощения анализа рас­ сматриваем идеальный цикл, реализуемый лишь в цилиндре двига­

В свою очередь удельную работу можно представить как услов­ ное постоянное давление, действующее на поршень при изменении объема цилиндра от FmaX до Vmili и совершающее работу, равную работе замкнутого цикла L t.

Влияние на показатели цикла пределов изменения состояния

рабочего тела. Из курса термодинамики известно, что экономич­ ность и эффективность цикла можно увеличить, расширив пределы состояния рабочего тела, т. е. увеличив разности Р тах — Р т1п и

сферным давлением, достигается лишь путем увеличения макси­ мального давления цикла ртах, которое принято обозначать рг. Величина рг ограничивается необходимостью сохранения проч­ ности и жесткости деталей движения и остова двигателя. Совер­ шенствование конструкции и применение более прочных материа­ лов дали возможность в мощных МОД повысить рх до 9— 16 МПа,, а в отдельных тронковых четырехтактных двигателях с высоким наддувом — до 18—20 МПа.

Этот метод» широко используемый в современных дизелях, имену­ ется ' газотурбинным наддувом.

При наддуве предварительное увеличение плотности воздуха приводит к увеличению его массы в цилиндре 5, а это позволяет повысить массу сжигаемого в нем топлива и тем самым достигнуть увеличения совершаемой газом работы, что выражается в увеличе­ нии площади цикла, значительно более существенном, чем потеря площади, вызванная сокращением объема УтаХ. Эффективность цикла, его среднее давление при таком методе существенно увели­ чиваются.

Таким образом, наддув является наиболее действенным средст­ вом повышения эффективности цикла, снижения размеров и массы двигателя при увеличении его мощности.

Влияние перераспределения подводимой теплоты на КПД цик­ ла. Рассмотрим изменение эффективности теплоиспользования в цикле при следующих условиях: количество подводимой в цикле теплоты не изменяется (Q1 = Qxv+ Qlp = idem), но она перерас-

196

пределяется, т.е. изменяется соотношение между долями теплоты, подводимой по изохоре Qtv и по изобаре Qlp.

Процесс теплоподвода в идеальном цикле соответствует процес­ су выделения теплоты при сгорании топлива в действительном цикле реального двигателя. Тогда применительно к действитель­

альном цикле соответствует изменению соотношения между угла­ ми начала срнпФ и конца ф Кп ф подачи топлива при ф ф = idem, увеличению Qxy в идеальном цикле будет соответствовать увели­

Рис. 10.3. Графики срав­

нения экономичности циклов при Qi = idem и

перераспределении долей теплоты Qiv и Q !р (Г —

температура)

197

ном двигателе этому соответствует увеличение угла опережения подачи топлива. Отсюда следует, что повысить экономичность ра­ боты двигателя можно путем более ранней подачи топлива.

Однако при этом увеличение QlV (см. рис. 10.3, а) сопровождается ростом максимального давления цикла; в двигателе это может отрицательно отразиться на надежности работы подшипников и ро­ сте механических напряжений в конструктивных элементах, испы­

35 % подводимой к рассматриваемому циклу теплоты является не­ избежной потерей.

10.2. Рабочий цикл

Цикл, по которому работает двигатель, называется рабочим.

В отличие от идеального (термодинамического) рабочий цикл яв­ ляется разомкнутым, поскольку в реальном двигателе рабочее тело (реальный газ переменного состава), совершив в процессе расшире­ ния работу, удаляется из двигателя в атмосферу. Для осуществле­ ния нового цикла в двигатель вводятся свежие порции топлива и воздуха (рабочего тела) в том же количестве и того же начального состояния.

Процессы, составляющие рабочий цикл, являются необрати­ мыми, так как протекание их сопровождается потерями энергии.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя (рис. 10.4, а) состав­ ляют: процесс газообмена (выпуск—-продувка-наполнение) — hraf процесс сжатия — ас; процесс сгорания — сг; продолжение ' его» рания и процесс расширения — zb.

198

■а)

'Ро .

Рабочий цикл двухтактного двигателя (рис. 10.4, б): процесс газообмена — Ьа'а; процесс сжатия — ас; процесс сгорания — сг\ продолжение сгорания и процесс расширения — zb.

Сложность процессов и обусловленная этим определенная трудность их математического описания вызвали необходимость разработки относительно простого метода их расчета и анализа, основанного на замене рабочего цикла расчетным, все процессы которого подчиняются простым термодинамическим зависимостям. Таким является метод Гриневецкого — Мазинга, позволяющий в первом приближении определить параметры рабочего тела в харак­ терных точках цикла acz'zb, а также установить энергетические и экономические показатели рассчитываемого двигателя.

диаграммой, на базе которой путем скругления прямых углов на участках сгорания и газообмена достраивают предполагаемую инди­ каторную диаграмму.

Показателями рабочего и расчетного циклов являются индика­ торный КПД т|ь характеризующий экономичность цикла, и сред­ нее индикаторное давление p if позволяющее оценивать его эффек­ тивность.

Индикаторный КПД в отличие от термического учитывает по­ тери теплоты, не только вызванные отдачей ее холодному источ­ нику, —■Q2, но и потери вследствие теплоотдачи стенкам цилин­ дра, окружающей среде, а также от неполного сгорания топлива — Qn, т. е. всю сумму потерь в процессе рабочего цикла:

Qi—Q2 Qn

\т