Принцип действия, классификация и основные характеристики судовых двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания –это машина, которая преобразует тепловую энергию, полученную в результате сжигания топлива внутри цилиндров двигателя, в механическую энергию вращения.

К ДВС относятся карбюраторные двигатели, в которых карбюратором служит аппарат для образования рабочей смеси воздуха и распыленного топлива с подачей ее в цилиндры, где происходит ее воспламенение от свечей зажигания.

Дизелями называются двигатели, в которых топливо в цилиндре воспламеняется в результате сжатия воздуха до высокой температуры.

Устройство дизеля схематически изображено на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 Принципиальная схема устройства дизеля.

Цилиндр 7, закрытый сверху крышкой 4, установлен на станине 9, закрепленной на фундаментной раме 15. В цилиндре движется поршень 5, который с помощью поршневого пальца 6 соединен с шатуном 8. Нижняя часть шатуна соединена с мотылевой шейкой 10 коленчатого вала, который состоит из колена (мотыля и кривошипа) и рамовых шеек 12. Колено, образованное двумя щеками 11 и шатунной шейкой 10. Рамовыми шейками колончатый вал уложен в рамовые подшипники 13 фундаментной рамы 15.

Механизм, образованный шатуном и коленчатым валом, называется кривошипно-шатунным. Он служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала.

Принцип действия дизеля состоит в следующем. При движении поршня 5 вниз в цилиндре 7 создается разряжение, открывается впускной клапан 1 и полость цилиндра над поршнем заполняется воздухом. При движении поршня вверх воздух в цилиндре сжимается до давления »3…4 мПа, в результате чего температура воздуха повышается в среднем до 600°С. Когда поршень находится около крайнего верхнего положения (за 10…30°С) поворота коленчатого, в полость цилиндра через форсунку 2 впрыскивается топливо. Топливо попадает в разогретый до высокой температуры воздух, перемешивается с ним, воспламеняется и сгорает. В результате в цилиндре образуются продукты сгорания (газы) с температурой 1800°С и давлением 5…8 мПа. Газы, расширяясь, давят на поршень (при этом оба клапана в крышке цилиндра закрыты) и перемещают его вниз. Поршень через шатун действует на коленчатый вал и приводит его во вращение.

Одновременно с движением поршня вниз объем цилиндра над поршнем увеличивается, а находившееся над ним газы расширяются, а давление, температура и тепловая энергия газов уменьшаются.

После расширения в цилиндре при последующем движении поршня вверх газы выталкиваются через открывшийся выпускной клапан 3. Затем процессы выпуска воздуха, сжатия, подачи топлива, горения, расширения и выпуска газов повторяются.

Таким образом, во время работы дизеля химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания с последующим ее преобразованием в механическую энергию движения поршня и вращения коленчатого вала.

На рисунке 5.1 представлена схема устройства одноцилиндрового дизеля. Обычно применяют многоцилиндровые дизели, состоящие из ряда одинаковых цилиндров и общего коленчатого вала.

Для нормальной работы дизеля обеспечивается определенная последовательность процессов в каждом из цилиндров: наполнение воздухом (всасывание), сжатие, подача топлива и горение, расширение продуктов сгорания и удаление отрабатывающих газов. Этот ряд последовательно протекающих в цилиндре процессов, обеспечивающих непрерывную работу двигателя, называется рабочим циклом. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 4 хода поршня (за два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными. Их рабочий цикл представлен на Рис. 5.2.

Рис. 5.2 Принцип действия четырехтактного дизеля.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня (за один оборот коленчатого вала), называются двухтактными (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Принцип действия двухтактного дизеля.

Классификация ДВС.

По назначению ДВС делятся на главные и вспомогательные. Главные обеспечивают ход судна. Вспомогательные обеспечивают работу электрогенераторов.

По осуществлению рабочего цикла ДВС бывают четырехтактными и двухтактными.

По способу образования рабочей смеси ДВС могут быть с внутренним и с внешним смесеобразованием. Ко второй относятся карбюраторные, а к первой дизельные ДВС.

По способу наполнения цилиндров свежим воздухом – двигатели баз наддува и двигатели с наддувом. В последних воздух в рабочие цилиндры нагнетается под давлением специальным нагнетателем (компрессором или газотурбинным компрессором), в результате чего достигается увеличение воздушного заряда и повышение мощности двигателя.

По способу воспламенения горючей смеси различают:

- двигатели, в которых распыленное топливо воспламеняется при смешивании со сжатым воздухом и поэтому разогретым воздухом (дизели);

- двигатели с воспламенением от электрической искры (карбюраторные двигатели).

По конструктивному исполнению двигатели бывают тронковые,у которых поршень посредством пальца шарнирно соединяется с шатуном (рисунок 5.1) и крейцкопфные (рисунок 5.4), у которых поршень 1 через шток 2 жестко соединен с ползуном 3 (крейцкопфом), а последний шарнирно связан с шатуном 5.

В тронковых двигателях боковые усилия, возникающие при работе кривошипношатунного механизма, воспринимаются поршнем и передаются на цилиндр. У крейцкопфных боковые усилия передаются через ползуны крейцкопфа 3 направляющим параллелям 4, которые являются частью остова двигателя.

Рисунок 5.4 Схема крейцкопфного дизеля.

В зависимости от расположения цилиндров ДВС могут быть: однорядными, V – образными, X – образными и звездообразными.

Двухтактные ДВС иногда выполняются с противоположным движением поршней (рисунок 5.4). В каждом цилиндре такого двигателя находятся по два поршня, при сближении которых газы сжимаются, а при расхождении расширяются. Выпуск газов и подача воздуха или горючей смеси производится через окна, расположенные в цилиндре на определенных уровнях.

По направлению вращения коленчатого вала различают двигатели правого (вращение по часовой стрелке, если смотреть со стороны потребителя энергии) и двигатели левого (против часовой стрелки) вращения.

По способу изменения направления вращения вала двигатели делят на реверсивные и нереверсивные. Реверсивные – такие двигатели, у которых можно изменять направление вращения коленчатого вала. Как правило это мощные двигатели. Нереверсивными выполняют двигатели меньшей мощности (до 220 кВт). Задний ход судна в этом случае выполняется при помощи реверсивной передачи, установленной между двигателем и гребным валом.

По частоте вращения коленчатого вала различают двигатели малооборотные (n=100…200об/мин), среднеоборотные (n=200…750 об/мин) и высокооборотные (n>750 об/мин).

Рисунок 5.5 – Схема 2-тактного дизеля с противоположно движущимися поршнями.