Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два такта (за один оборот коленчатого вала). Процессы выпуска и наполнения цилиндра воздухом происходят только на части хода поршня (130-150° поворота коленчатого вала), а потому они значительно отличаются от таких же процессов в четырехтактных двигателях.
Процессы очистки цилиндра (выпуска) и продувки (наполнения) весьма сложны и зависят и от типа двигателя, и от самого устройства органов продувки и выпуска. В судовых двухтактных дизелях нашли применение различные устройства органов продувки и выпуска, т. е. различные системы продувок.
На рис. 8 изображена схема устройства двухтактного дизеля тронкового типа с прямоточно-клапанной продувкой.
В нижней части боковой поверхности рабочего цилиндра расположены продувочные окна, а в крышке цилиндра - выпускные клапаны. Продувочный воздух нагнетается в цилиндр продувочным насосом (в рассматриваемой схеме - продувочный насос роторного типа, или объемный насос). Он расположен сбоку и приводится в действие от распределительного вала. Выпускные клапаны приводятся в действие от распределительного вала, число оборотов которого равно числу оборотов коленчатого вала.
Индикаторная диаграмма данного двигателя показана на рис. 9.
Первый такт - сжатие воздуха в цилиндре начинается с момента перекрытия поршнем продувочных окон (точка 7, рис. 8 и 9). Выпускные клапаны закрыты. Давление воздуха в конце сжатия (точка 2) достигает 35- 50 кГ/см 2 и температура 700-750° С.
Второй такт включает горение топлива, расширение продуктов сгорания, выпуск и продувку. Процесс подачи топлива в цилиндр и его сгорание заканчиваются так же, как и в четырехтактном дизеле, и осуществляются в период расширения (точка 3). Начало подачи топлива - точка 2" (рис. 9), а точка 2 - конец сжатия.
Максимальное давление цикла достигает 55-80 кГ/см 2 , а температура 1700-1800° С.
При дальнейшем движении поршня от ВМТ к НМТ происходит расширение продуктов сгорания и в момент открытия выпускных клапанов (точка 4), которые открываются раньше открытия кромкой поршня продувочных окон, начинается выпуск.
Открытие выпускных клапанов раньше открытия продувочных окон необходимо для снижения давления в цилиндре до давления продувочного воздуха к моменту открытия продувочных окон.
Следовательно, с момента начала открытия поршнем продувочных окон (точка 5) до полного их открытия (точка 6) и вновь до момента закрытия окон (точка 1, при обратном движении поршня от НМТ к ВМТ) происходит процесс продувки цилиндра.
Продувочный воздух, заполняя цилиндр, поднимается вверх, вытесняя отработавшие газы из цилиндра через клапаны в выпускной тракт.
Таким образом происходит одновременная очистка цилиндра от отработавших газов и наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха.
Закрытие выпускных клапанов (конец выпуска) производится несколько позже закрытия поршнем продувочных окон (точка 6), что способствует лучшей очистке верхней части цилиндра от отработавших газов.
После закрытия выпускных клапанов рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
На рис. 10 приведена развернутая индикаторная диаграмма рассматриваемого двухтактного дизеля, а на рис. 11-его круговая диаграмма распределения. Обозначения фаз распределения такие же, как и на рис. 9.
Как видно на индикаторной диаграмме, давление в цилиндре всегда выше атмосферного. Величина минимального давления в цилиндре зависит от величины давления продувочного воздуха. Давление продувочного воздуха составляет 1,2-1,5 ата и при работе двигателя с наддувом повышается до 2,5 ата.
На круговой диаграмме (см. рис. 11) углы обозначают следующие фазы распределения.
Индикаторная диаграмма ДВС (рис.1) строится с использованием данных расчета процессов рабочего цикла двигателя. При построении диаграммы необходимо выбрать масштаб с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2... 1,7 ее основания.
Рис.1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя
Рис. 1 Индикаторная диаграмма дизельного двигателя
В начале построения на оси абсцисс (основание диаграммы) в масштабе откладывается отрезок S а = S с + S,
где S – рабочий ход поршня (от ВМТ до НМТ).
Отрезок S с, соответствующий объему камеры сжатия (V с), определяется по выражению S с = S / - 1.
Отрезок S соответствует рабочему объему V h цилиндра, а по величине равен ходу поршня. Отметить точки, соответствующие положению поршня в ВМТ, точки А, В, НМТ.
По оси ординат (высота диаграммы) откладывается давление в масштабе 0,1 МПа в миллиметре.
На линии ВМТ наносятся точки давлений р г, р с, р z .
На линии НМТ наносятся точки давлений р а, р в.
Для дизельного двигателя необходимо еще нанести координаты точки, соответствующей концу расчетного процесса сгорания. Ордината этой точки будет равна р z , а абсцисса определяется по выражению
S z = S с , мм. (2.28)
Построение линии сжатия и расширения газов можно проводить в такой последовательности. Произвольно между ВМТ и НМТ выбирается не менее 3 объемов или отрезков хода поршня V х1 , V х2 , V х3 (или S х1 , S х2 , S х3).
И подсчитывается давление газов
На линии сжатия
На линии расширения
Все построенные точки плавно соединяются между собой.
Затем производится скругление переходов (при каждом изменении давления на стыках расчетных тактов), учитываемое при расчетах коэффициентом полноты диаграммы.
Для карбюраторных двигателей скругление в конце сгорания (точка Z) проводится по ординате р z = 0,85 Р z mах.
2.7 Определение среднего индикаторного давления по индикаторной диаграмме
Среднее теоретическое индикаторное давление р" i представляет собой высоту прямоугольника, равного площади индикаторной диаграммы в масштабе давления
МПа
(2.31)
где F i - площадь теоретической индикаторной диаграммы, мм 2 , ограниченная линиями ВМТ, НМТ, сжатия и расширения, может быть определена с помощью планиметра, методом интегрирования, либо другим способом; S - длина индикаторной диаграммы (ход поршня), мм (расстояние между линиями ВМТ, НМТ);
p - масштаб давления, выбранный при построении индикаторной диаграммы, МПа / мм.
Действительное индикаторное давление
р i = р i ΄ ∙ φ п, МПа, (2.32)
где п - коэффициент неполноты площади индикаторной диаграммы; учитывает отклонение действительного процесса от теоретического (скругление при резком изменении давлений, для карбюраторных двигателей п =0,94.. .0,97; для дизелей п = 0,92.. .0,95);
р = р r - р а - среднее давление насосных потерь в процессе впуска и выпуска для двигателей без наддува.
После определения р i по индикаторной диаграмме сравнивают его с ранее подсчитанным (формула 1.4) и определяют расхождение в процентах.
Среднее эффективное давление р е равно
р е = р i – р мп,
где р мп определено по формуле 1.6.
Тогда
подсчитайте мощность по зависимости
и сравните с заданной. Расхождение
должно быть не более 10…15%, если больше
следует пересчитать процессы.
Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:
r 0 – a 0 – такт впуска;
a 0 – c – такт сжатия;
c – z – b 0 – такт рабочего хода (расширения);
b 0 – r 0 – такт выпуска.
На диаграмме отмечены следующие характерные точки:
b , r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;
u , a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;
Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного
двигателя внутреннего сгорания
Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.
Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L , может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = L вп + L сж + L рх + L вып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n /2) и на число цилиндров двигателя i :
Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.
Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:
u – r 0 – r – a 0 – a – впуск;
a – θ – c" – сжатие;
θ – c" – c – z – f – смесеобразование и сгорание;
z – f – b – расширение;
b – b 0 – u – r 0 – r – выпуск.
Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.
На диаграмме обозначены:
V c – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);
V a – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);
V n – рабочий объем цилиндра, V n = V a – V c .
Степень сжатия.
Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [p ∙ ∆V ] = (Н/м 2) ∙ м 3 = Н ∙ м = Дж.
Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление p i , совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L , то
L = p i ∙ V h ()
где V h – рабочий объем цилиндра.
Это условное давление p i принято называть средним индикаторным давлением.
Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра V h площадью, равной площади, соответствующей работе L .
Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению p i , совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление p i , тем больше работа L , и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.
Зная среднее индикаторное давление p i , рабочий объем цилиндра V h , число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя N i
Произведение i ∙ V h представляет собой рабочий объем двигателя.
Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь N м.
В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью N е. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.
N е = N i – N м. ()
Мощность N м, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя N е определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.
Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:
η м = N е /N i . ()
Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n /2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N . Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления р i , рассчитываемого следующим образом:
Эффективная мощность N e есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на трение и привод агрегатов.
Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента М кр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя
Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:
где i р – передаточное число редуктора.
Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле
где N e – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;
t изм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;
B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,
∆р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.
Эффективный удельный расход топлива g е определяется по формуле:
где G T и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.
Среднее эффективное Ре давление это давление которое зависит от количества топлива впрыскиваемого в цилиндр.
Эффективная мощность Ре - мощность, снимаемая с соединительного фланца вала двигателя, т. е. отдаваемая валопроводу, генератору или любому потребителю энергии на данном режиме работы
Индикаторная мощность Рz - мощность развиваемая газами внутри рабочих цилиндров двигателя, называют индикаторной.
3. Основные электрические величины – электрический ток, напряжение, мощность
электрического тока, единицы измерения.
ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ТОК - УПОРЯДОЧЕННОЕ НЕКОМПЕНСИРОВАННОЕ ДВИЖЕНИЕ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
НАПРЯЖЕНИЕ – КОЛЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ЗАТРАЧИВАЕМОЕ НА ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ИЗ ОДНОЙ ТОЧКИ В ДРУГУЮ.
МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА – СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА РАВНА РАБОТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ПРОИЗВОДИМОЙ В ТЕЧЕНИЕ ОДНОЙ СЕКУНДЫ.
4. Общие требования к техническому обслуживанию стс и к.
ПОД СУДОВЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ ПОНИМАЮТСЯ УСТАНОВКИ, АГРЕГАТЫ, МЕХАНИЗМЫ И ДРУГОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СУДНА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЕГО РАБОТОСПОБНОСТЬ В СООТВЕТСТВИИ С НАЗНАЧЕНИЕМ.
1. Общие положения 1.1. Техническая эксплуатация судовых технических средств и конструкций (СТС и К) должна производиться в соответствии с инструкциями заводов-изготовителей и требованиями настоящих Правил.
1.2. Все операции связанные с вводом в действие, изменением режимов работы, выводом из действия, проворачиванием и разборкой технических средств, должны производиться с разрешения, по указанию или с извещением должностных лиц (капитана, вахтенного помощника капитана, старшего механика, вахтенного механика, ответственного по заведованию), если это предусмотрено соответствующими пунктами Правил или другими документами, регламентирующими действия судового экипажа. 1.3. Бездействия, связанные с техническим использованием, обслуживанием и ремонтом СТСиК должны регистрироваться вахтенным механиком в машинном журнале. 1.4. На судне должен быть организован учет технического состояния СТСиК а также учет наличия и движения сменно-запасных частей и предметов, материально-технического снабжения по заведованиям.
1.5. При в воде в действие оборудования, убедиться что оборудование исправно, КИП исправны и так далее.
БИЛЕТ 2.
1. Посадка и остойчивость судна, теоретические основы. Остойчивость, метацентрическая высота. Информация об остойчивости.
ОСТО́ЙЧИВОСТЬ - способность плавучего средства противостоять внешним силам, вызывающим его крен или дифферент и возвращаться в состояние равновесия.
Судно плавает на поверхности воды под действием двух основных сил: силы тяжести и Архимедовой силы. Сила тяжести -“тянет судно вниз”, равна его весу и приложена к центру тяжести судна ЦТ. Сила плавучести или Архимедова сила –“выталкивает судно из воды”, равна его водоизмещению и приложена в центре подводного объема ЦВ судна.
В “прямом” положении судна эти силы уравновешивают друг друга и лежат на одной вертикальной линии. При крене форма подводной части корпуса изменится, ЦВ сместится в сторону накрененного борта, и возникнет так называемыйвосстанавливающий момент, который противодействует крену. При наклонении судна ЦВ как бы поворачивается вокруг точки, называемой метацентром m.
Расстояние от метацентра m до центра тяжести ЦТ (метацентрическая высота) является характеристикой остойчивости судна. Чем меньше судно, тем больше должна быть метацентрическая высота. Чем ниже расположен центр тяжести, тем судно остойчивее. Существует простое правило: КАЖДЫЙ КИЛОГРАММ ПОД ВАТЕРЛИНИЕЙ ПОВЫШАЕТ ОСТОЙЧИВОСТЬ, А КАЖДЫЙ КИЛОГРАММ НАД ВАТЕРЛИНИЕЙ УХУДШАЕТ ЕЕ.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС
Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических
Наибольший КПД можно теоретически получить только в результате использования термодинамического цикла, варианты которого были рассмотрены в предыдущей главе.
Важнейшие условия протекания термодинамических циклов:
· неизменность рабочего тела;
· отсутствие всяких тепловых и газодинамических потерь, кроме обязательного отвода теплоты холодильником.
В реальных поршневых ДВС механическая работа получается в результате протекания действительных циклов.
Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:
Действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;
Вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания, который протекает с конечными скоростями;
Изменяется химический состав рабочего тела;
Теплоемкость рабочего тела, представляющего собой реальные газы изменяющегося химического состава, в действительных циклах постоянно меняется;
Идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.
Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.
Индикаторная диаграмма
Если термодинамические циклы изображают зависимость изменения абсолютного давления (р ) от изменения удельного объема (υ ), то действительные циклы изображаются как зависимости изменения давления (р ) от изменения объема (V ) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давления от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развернутой индикаторной диаграммой.
На рис. 1 и 2 показаны свернутая и развернутая индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей.
Развернутая индикаторная диаграмма может быть получена экспериментально с помощью специального прибора - индикатора давления. Индикаторные диаграммы можно получить и расчетным путем на основе теплового расчета двигателя, но менее точные.
Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением
Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля
Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует полезной или индикаторной работе L i действительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:
,
(3.1)
где Q 1 - количество подведенной в действительном цикле теплоты;
Q 2 - тепловые потери действительного цикла.
В действительном цикле Q 1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.
Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД η i , который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу L i , к теплоте подведенного в двигатель топлива Q 1 :
,
(3.2)
С учетом формулы (1) формулу (2) индикаторного КПД можно записать так:
, (3.3)
Следовательно, теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55 –70 %.
Основные составляющие тепловых потерь Q 2 :
Потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;
Потери теплоты через стенки цилиндра;
Неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;
Утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;
Преждевременный выпуск отработавших газов.
Для сравнения степени использования теплоты в действительных и термодинамических циклах используют относительный КПД
.
В автомобильных двигателях η o от 0,65 до 0,8.
Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:
Газообмена - впуск свежего заряда (см. рис. 1, кривая frak ) и выпуск отработавших газов (кривая b"b"rd );
Сжатия (кривая аkс"с" );
Сгорания (кривая c"c"zz" );
Расширения (кривая z z"b"b" ).
При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.
Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f ), конец впуска - его закрытием (точка k ). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b" и d .
Не заштрихованная зона b"bb" на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска).
Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k-с" ). До закрытия впускного клапана (кривая а-k ) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (p 0 ).
В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с" ) и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z ).
Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.
Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи.
В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха.
Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.