Тепловий процес дизеля
Принцип дії дизелів
(Чотиритактний двигун)
У чотиритактному двигуні (рис.) Цикл протікає
за чотири ходи поршня. При русі поршня 7 вниз від
в.м.т. і відкритому клапані 4 циліндр заповнюється
повітрям (I такт - наповнення).
Далі повітря стискається рухомим вгору поршнем
при закритих клапанах 4 і 6 (II такт - стиск).
В кінці стиснення форсункою 5 впорскується паливо,
яке самозаймається від високої температури
повітря. Поршень під впливом тиску
розширюються газів рухається вниз (III такт -
робочий хід).
IV такт є тактом випуску відпрацьованих
газів. Поршень рухається вгору, і через відкритий
клапан 6 гази виштовхуються з циліндра. далі
починається новий цикл і т. д.
2
Принцип дії дизелів
(Двотактний двигун)
Дещо по-іншому протікає робочий цикл двотактного дизеля
(Мал.). Пристрій цього двигуна відрізняється від попереднього тим, що
в кришці циліндра є тільки випускні клапани 6, а в стінках
циліндра 3 - впускні вікна 11, через які в циліндр може
надходити свіже повітря. Ці вікна відкриваються самим поршнем при
його русі в циліндрі.
При русі поршня вгору з крайнього нижнього положення
спочатку в циліндр під деяким надлишковим тиском від
нагнітача надходить повітря через вікна 11, потім в циліндрі
відбувається процес стиснення повітря. Тиск і температура повітря в
циліндрі зростають (I такт).
В кінці такту форсункою 5 впорскується паливо, яке
самозаймається внаслідок високої температури повітря та
згорає. Тиск газів в циліндрі різко підвищується. Під тиском
газів поршень з верхнього положення переміщається в нижнє,
здійснюючи корисну механічну роботу (II такт - робочий). В кінці
такту спочатку відкриваються випускні клапани 6. Відпрацьовані гази
виходять з циліндра в випускний колектор. Тиск їх в циліндрі
падає. При подальшому просуванні вниз поршень відкриє
продувні вікна 11 і свіже повітря почне надходити в циліндр
двигуна. Відбуваються продування і наповнення циліндра повітрям.
Таким чином, у двотактного двигуна робочий цикл відбувається за
два ходи поршня, або за один оборот валу.
3
Робочі цикли дизелів
4
Робочі цикли дизелів
Робочий процес безкомпресорних тепловозних дизелів практично майже відповідає
ідеального змішаному циклі, при якому частина палива згоряє при майже нерухомому
поршні, т. е. при постійному обсязі, а інша частина - на початку переміщення поршня, т. е. при
майже постійному тиску.
Наочне уявлення про робочі процеси дизеля дає розрахункова діаграма робочого
циклу в координатах р - V (по осі абсцис відкладаються поточні значення обсягу циліндра
V, а по осі ординат - відповідні їм величини тиску в циліндрі р). Для оцінки
якості роботи дизеля за допомогою спеціального приладу - індикатора - знімається так
звана розгорнута індикаторна діаграма, в якій тиску в циліндрі фіксуються
відповідно до кутами повороту колінчастого вала (п.к.в). Така діаграма може бути
перерахована і зображена також в координатах р - V.
Простежимо за індикаторними діаграмами протікання робочих циклів чотиритактного (рис.
4.6, а) і двотактного (рис. 4.6, б) дизелів. Пунктирні лінії на діаграмах показують
протікання процесів теоретичного циклу. Моменти відкриття і закриття клапанів (або
вікон) і початку подачі палива позначені тими ж цифрами, що на рис. 4.5.
У чотиритактному дизелі тривалість процесу наповнення 1-г-6-а-2 (див. Рис. 4.6, а)
достатня, щоб забезпечити очищення циліндра від залишків відпрацьованих газів і отримати
потрібний заряд повітря для згоряння палива. У двотактних дизелях наповнення циліндра
повітрям і видалення продуктів згоряння відбуваються за більш короткий проміжок часу
(6-а-2 на рис. 4.6,6).
5
Робочі цикли дизелів
Стиснення повітря 2-с відбувається по политропического процесу. Тиск стиснення рс в
сучасних дизелях досягає значення 6 МПа, а температура Тс - 900 К.
Горіння палива з-у-г-4 відбувається в два етапи: спочатку при умовно-постійній
обсязі (лінія з-у), а потім при умовно-постійний тиск (лінія у-г). У точці 2
тиск в циліндрі рг досягає 8-11 МПа, температура кінця згоряння ТГ = 18004-2100 К.
Відношення максимального тиску згоряння рг до тиску кінця стиснення рс визначає
ступінь підвищення тиску Я.
Розширення газів г-5 відбувається також по политропического процесу. Паливо, що не
встигло згоріти в період з-у-г, продовжує догоряти на ділянці процесу розширення г-4.
Відношення обсягу газу Уг в кінці процесу горіння до обсягу камери стиснення Ус називається
ступенем попереднього розширення р. Ставлення повного обсягу циліндра Уа до обсягу
циліндра в кінці горіння Уг називається ступенем подальшого розширення 6.
Випуск відпрацьованих газів 5 /. У чотиритактному дизелі на всьому протязі процесу
виштовхування відпрацьованих газів їх тиск в циліндрі залишається майже незмінним: вище
атмосферного, але нижче тиску повітря при впуску (див. рис. 4.6, а, лінія пана 6-а).
У двотактному дизелі після відкриття випускних вікон (точка 5, див. Рис. 4.6, б) тиск в
циліндрі падає. Подача повітря через продувні вікна (точка 6) не підвищує тиску в
циліндрі і після того, як поршень пройде н.м.т. і почнеться такт наступного циклу.
Тиск наростає лише після закриття випускних вікон (точка /).
6
Робочі цикли дизелів
Мал.
розгорнута індикаторна
діаграма процесу горіння
палива - тиск в
циліндрі в залежності від
кута (р повороту колінчастого
вала від в. м. т.
7
Процес згоряння відбувається на невеликій ділянці ходу поршня у в.м.т.,
коли поршень має невелику швидкість руху. Тому процес
згоряння наочніше можна зобразити на розгорнутій діаграмі, побудованій
по куту повороту колінчастого вала ср (рис.). Така діаграма дозволяє судити
про час протікання горіння, так як колінчастий вал обертається рівномірно.
Умовно процес горіння можна розділити на чотири фази.
Фаза / - період затримки запалення (ділянка Ь-с) становить всього
0,001-0,005 с і відповідає 10-16 ° п.к.в. Чим більше період затримки
займання, тим більше палива надійде в циліндр до появи перших
вогнищ займання.
Фаза // - період займання і згоряння палива, уприснуло за / і
частково // фази (ділянка з-у). На початку горіння в камері стиснення багато
вільного кисню, через що полум'я швидко поширюється по всьому об'єму
камери стиснення, відбувається інтенсивне виділення теплоти і тиск газів
різко підвищується при майже постійному обсязі. відношення приросту
тиску від початку згоряння (точка с) до в.м.т. до кута повороту колінчастого вала
за цей час називається жорсткістю роботи двигуна. жорсткість підвищується
при збільшенні періоду затримки запалення палива. Вона не повинна бути
більше 0,2-0,3 МПа на Г п.к.в.
Фаза /// - продовження горіння (ділянка у-2). Згорає паливо, подане
у // фазі і частково в /// фазі. Краплі палива знаходяться в середовищі, насиченою
продуктами згоряння, тому інтенсивність згоряння трохи зменшується.
Фаза IV- Догорание палива на лінії розширення (ділянка пана а "). Період
догорання спостерігається у багатьох двигунів, причому у швидкохідних він
довше, ніж у тихохідних. При зменшенні навантаження двигуна період
догорання зменшується. Догорание палива викликає підвищення температури
відпрацьованих газів.
Робочі цикли дизелів
Мал.
визначення характеристик
циклу по індикаторної
діаграмі
8
За один цикл в циліндрі відбувається корисна
робота,
відповідна
на
індикаторної
діаграмі (рис.) площі, обмеженої лініями
стиснення, згоряння і розширення. Площа ж,
обмежена лініями впуску та випуску, зазвичай за її малої величини не враховується. Площа
індикаторної
діаграми
можна, можливо
замінити
рівновеликих по площі прямокутником 1-2-
3-4 з тим же підставою. Тоді висота цього
прямокутника буде умовним, постійним в
Протягом ходу тиском. Його так і називають середнім
індикаторним тиском.
Середнє індикаторне тиск р - це таке
умовне постійний тиск, яке, діючи на
протягом одного ходу поршня, здійснює роботу,
рівну індикаторної роботі за весь цикл.
Робочі цикли дизелів
У двотактному двигуні в порівнянні з чотиритактним при однакових розмірах
циліндрів і дорівнює швидкості обертання за одне і те ж час відбувається вдвічі більше
робочих циклів і теоретично може бути отримана вдвічі більша потужність. В
Насправді ж через недовикористання частини ходу поршня, зайнятої вікнами, витрат
потужності на продувку і недосконалість очистки циліндра від газів потужність двотактного
циклу при однакових параметрах процесу перевищує потужність чотиритактного не в 2, а
приблизно в 1,5-1,7 рази.
Поряд з підвищеною потужністю двотактні двигуни мають велику рівномірність
обертання колінчастого вала і простіший газорозподільний механізм. завдяки
зазначеним перевагам на тепловозах широко застосовують двотактні двигуни. Однак
форсування потужності при обмежених габаритах легше здійснити в чотиритактному
циклі через можливість використовувати просту схему турбонаддува і меншою
теплонапряженности дизеля. У чотиритактних дизелів з наддувом вдалося отримати кращі
параметри теплового процесу і більший к.к.д. а значить, і меншу витрату палива, ніж у
двотактних.
З цих причин на сучасних і перспективних потужних тепловозах
передбачається використання чотиритактних дизелів.
Індикаторний, механічний і ефективний к.к.д. Відношення кількості теплоти,
перетвореного в роботу газів в циліндрі двигуна, до кількості теплоти, введеному в
двигун з паливом, називається індикаторним ККД двигуна.
9
Технічні вимоги, основні характеристики та показники потужності ряди дизелів
Тепловозні дизелі повинні володіти контроле- і ремонтопридатністю. Разом з
надійністю ці дві якості визначають витрати на технічне обслуговування і ремонт
дизелів в експлуатації. Контролепрігодность дизеля - властивість, що полягає в його
пристосованості до контролю працездатності, до пошуку несправностей і
прогнозування технічного стану. Ремонтопридатність дизеля - властивість,
що полягає в його пристосованості до швидкої і зручної розбирання та збирання всіх
відповідальних вузлів і деталей, а також до ремонту цих вузлів і деталей.
Спеціальні вимоги до тепловозних дизелів визначаються специфікою конструкції
тепловозів, огранічейной габаритами рухомого складу, навантаженнями на вісь і особливостями умов їх
роботи. До них відносяться невеликі габаритні розміри і маса як самого дизеля, так і
допоміжного обладнання, встановленого поза дизеля, необхідного для його роботи.
Для тепловозів потужністю понад 2500 кВт прийнятні габаритні розміри і питомі
маси на рівні 5 8 кг / кВт досягаються при У-образ-ної конструкції дизеля з діаметром
циліндра приблизно 250
300 мм. Одне з важливих експлуатаційних вимог до дизелю - безвідмовний пуск як
гарячого, так і холодного двигуна при найменшій витраті енергії від стороннього
джерела (акумуляторна батарея, стиснене повітря) при температурі води, масла і палива не
більше 8 ° С. Як виняток, допускається забезпечення пуску при температурі вище 8 ° С, але
не більше 15 ° С.
11
Робочий цикл чотиритактного дизеля
Діаграма робочого циклу
дизеля 2А-5Д49:
1 - початок подачі палива;
2 - початок відкриття впускних
клапанів;
3 - закриття впускних
клапанів;
4 - початок відкриття випускних
клапанів;
5 - закриття випускних
клапанів; а-б - стиснення; в -р розширення
12
Робочий цикл чотиритактного дизеля
Впускні клапани починають відкриватися за 57 ° до ст. м. т. а закриваються через 28 ° після н. м. т. т.
е. вони відкриті протягом 265 °. У цей період відбувається наповнення циліндра свіжим повітряним
зарядом. Випускні клапани відкриваються за 59,5 ° до н. м. т. і закриваються через 40,5 ° після в.
м. т. т. е. вони відкриті протягом 280 °. Випередження відкриття і запізнювання закриття клапанів
дозволяють поліпшити очищення циліндра від відпрацьованих газів і заповнення його свіжим повітрям.
Стиснення повітря, що надійшло в циліндр, починається після закриття впускних клапанів і
триває до моменту досягнення поршнем верхнього крайнього положення (в. м. т.). кілька
раніше кінця процесу стиснення при повороті колінчастого вала за 25 ° до ст. м. т. починається
впорскування палива в циліндр, яке запалюється і горить, в цей час робочого тіла (суміші
продуктів згоряння і повітря) повідомляється теплова енергія. Тривалість впорскування і
горіння палива залежить від режиму роботи дизеля - чим більше навантаження, тим більше триває
впорскування і горіння палива. Після того як поршень пройде в. м. т. починається розширення
робочого тіла (робочий хід). Розширення триває до початку відкриття випускних клапанів. В
Наприкінці розширення після відкриття випускних клапанів починається випуск відпрацьованих газів з
циліндра, який триває потім протягом всього ходу поршня вгору до ст. м. т. і далі до
моменту закриття випускних клапанів. З циліндра по випускного трубопроводу (колектора)
відпрацьовані гази направляються до газової турбіни турбокомпресора.
З діаграми видно, що протягом приблизно 98 ° повороту колінчастого вала впускні н випускні
клапани відкриті одночасно. У цей час відбувається «продування» простору над поршнем для
кращого очищення від продуктів згоряння. Потім знову відбуваються наповнення циліндра повітрям,
стиснення його і т. д. - цикл повторюється знову
13
Поняття потужності дизеля
Розглядаючи багатоциліндрові двигуни, припускають, що робочі процеси
в циліндрах протікають приблизно однаково і тільки зміщені по фазах на кут
зсуву кривошипів колінчастого вала. Тому можна вважати, що потужність,
що розвивається в окремих циліндрах, теж однакова; тоді потужність дизеля в
цілому дорівнює сумі потужностей всіх циліндрів. Розрізняють індикаторну потужність
Ni, одержувану в циліндрах дизеля, і ефективну потужність Ne, реалізовану на
колінчастому валу дизеля. У технічній документації, яка складається на
кожен двигун заводом-виробником, вказується номінальна потужність
дизеля Neн.
Номінальна потужність - це ефективна потужність, що розвивається двигуном
при нормальних умовах, т. е. при тиску повітря 760 мм рт. ст. температурі
зовнішнього повітря + 20 ° С і відносній вологості повітря 70%. при
підвищенні температури і зменшенні тиску повітря потужність дизеля падає,
а при зниженні температури і підвищення тиску потужність зростає. З
збільшенням вологості повітря потужність дизеля знижується. зміна зовнішніх
умов (температури і тиску повітря) може викликати зміну потужності
дизеля приблизно до 8-10%. Тому потужність Ne і питома витрата палива ge,
отримані при даних атмосферних умовах, перераховують і призводять до
нормальних умов.
14
ККД дизеля
Механічний ККД дизеля, який визначається як відношення ефективної
потужності до індикаторної, характеризує механічні та гідравлічні втрати в
труться частинах двигуна, а також витрату потужності на привід допоміжних
механізмів дизеля (паливні, водяні, масляні насоси, механізм
газорозподілу і ін.); він залежить від конструкції і якості збірки машини і
при номінальній потужності приймає значення від 0,78 до 0,9.
Якщо двигун приводить в обертання електричний генератор постійного струму,
то ефективну потужність можна підрахувати за показаннями електричних
приладів, підключених до висновків генератора.
Ступінь досконалості використання тепла в циліндрах двигуна
характеризується індикаторним коефіцієнтом корисної дії. індикаторний
к.к.д. визначається як відношення механічної енергії, виробленої в
циліндрах дизеля, до тепла, внесеного в дизель з паливом за певний час
(Наприклад, за 1 год).
Найбільш повно економічність теплового двигуна визначається ефективним
коефіцієнтом корисної дії. Ефективним к.к.д. дизеля називається
відношення виробленої їм і підведеної до колінчастого валу механічної
енергії до кількості тепла, введеному в дизель з паливом за той же час.
15
Дякуємо за увагу
16
