Циклы 4-х тактных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

МАРІУПОЛЬСЬКИЙ МОРСЬКИЙ ЛІЦЕЙ

Реферат

Циклы 4-х тактных двигателей

по предмету: Судовая энергетическая установка

Выполнил:

Доденко Николай Иванович

Мариуполь, 2015 год

Я, как будущий моряк, хочу больше узнать о таком профильном предмете как СЭУ и о работе двигателя в частности поэтому я и выбрал эту тему и этот предмет для своей работы. Я также хотел бы лучше изучить и рассмотреть данный вопрос, а точнее циклы 4-х тактных двигателей.

Начать рассмотрение общей истории 4-х тактных двигателей, необходимо с истории создания двигателя Отто.

Четырёхтактный двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше в 1861 году. До этого около 1854-1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян. Первым человеком, построившим первый практически используемый четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Поэтому четырёхтактный цикл известен как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, называется двигателем Отто.

Необходимо отметить, что первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на тяжелом нефтяном топливе, был построен американцем Байтоном в 1874 г. Однако создание двигателя, “работающего на тяжелом нефтяном топливе”, неразрывно связано с именем Рудольфа Дизеля. Свой первый патент Рудольф Дизель получил в 1892 г. в Берлине. Затем он построил свой первый двигатель, работающий на угольной пыли, которая подавалась струей воздуха. Однако этот двигатель его не удовлетворил.

Идеальный цикл Отто состоит из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме.

В практическом четырёхтактном цикле Отто имеются также изобарическое сжатие (выхлоп) и изобарическое расширение (впуск), которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли ни в сообщении рабочему газу теплоты, ни в совершении газом работы. Современный дизель представляет собой сложную тепловую машину, состоящую из определенных групп деталей, механизмов, систем и устройств. Современный двигатель состоит из неподвижных деталей двигателя, которые называются остовом дизеля, КШМ - служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательные движения коленвала, КШМ состоит из следующих деталей: поршень с пальцем, шатун, коленвал, кольца. Механизм газораспределения - служит для организации обмена процесса газообмена в дизелях.

Механизм наддува служит для принудительной подачи воздуха в цилиндр двигателя. Топливные системы дизелей служат для подачи топлива в цилиндры двигателя. Смазочные системы двигателей служат для подачи масла к трущимся деталям для уменьшения силы трения при работе двигателя и отвода тепла.

Системы охлаждения - служат для отвода тепла при работе двигателя. Системы реверса и механизмы реверса - служат для изменения направления вращения коленвала дизеля или для изменения направления вращения гребных винтов. Газоотводные системы дизеля служат для отвода выхлопных газов дизеля в атмосферу. Системы контроля параметров за работой дизеля - служат для измерения основных параметров дизеля при его работе. Системы управления дизелем служат для выпуска, регулирования частоты вращения, реверсирования и остановки дизеля. Системы ДУ и ДАУ - служат для дистанционного, автоматизированного управления дизелем.

Остов представляет собой совокупность неподвижных деталей, соединненых между собой и образующих корпус двигателя, на котором располагаются все устройства и механизмы дизеля.

Остов двигателя состоит из следующих деталей: фундаментальная рама - служит для размещения коленвала двигателя, для образования ванны для масла, для закрепления дизеля на судовом фундаменте. Фундаментальная рама является основанием всего двигателя.

Станина - служит для образования картерного пространства двигателя, в котором вращается коленвал. Станина ставится на фундаментную раму и скрепляется с ней с помощью болтов. Сверху станины устанавливается блок цилиндров и скрепляется с помощью анкерных связей. Блок цилиндров служит для размещения цилиндровых втулок, для размещения поршней и для образования пространства.

Крышки цилиндров - служат для образования камер сгорания и для размещения клапанов двигателя, если крышка цилиндров является общей на все цилиндры или общей на 2 цилиндра, то такие крышки называются головками. Детали остова судовых ДВС соединяются между собой болтами, шпильками и с помощью анкерных связей.

Анкерная связь - это длинный болт с резьбой на обоих концах, предназначенный для скрепления фундаментальной рамы и блок-картера. Анкерные связи применяются не на всех дизелях, и их применение связано с обеспечением общей жесткости остова двигателя.

Цикл 4-х тактного двигателя.

Цикл Отто (индикаторная диаграмма).

В 4-х тактных ДВс полный рабочий цикл совершается за два оборота и за 4 хода поршня. При работе ДВС в цилиндре происходит ряд последовательных процессов, которые обеспечивают работу двигателя.

Рабочий цикл складывается из 4-х последовательных тактов: 1-впуск, 2 - сжатии е, 3 - рабочий ход, 4 - выхлоп. Совокупность строго определенных и последовательных тактов, происходящих в цилиндре двигателя называется рабочим циклом.

Такт - это есть процесс, происходящий в цилиндре двигателя за 1 ход поршня. Для того, чтобы лучше уяснить процессы, происходящие в цилиндре двигателя, строят индикаторную диаграмму. Она строится в координатах оси РV, где Р - ось давления, V - ось объема. Индикаторная диаграмма 4-х тактного дизеля показывает, как изменяется давление газа в цилиндре в зависимости от хода поршня. Ро - атмосферное давление:

1 такт. Впуск. При движении поршня от В.М.Т. до Н.М.Т. при открытом всасывающем клапане свежий воздух поступает в цилиндр двигателя и происходит процесс наполнения - впуск свежего заряда воздуха;

2 такт. Сжатие. При сжатии поршень перемещается от Н.М.Т. до В.М.Т. и сжимает свежий заряд воздуха, в результате чего его давление и температура повышаются;

3 такт. Рабочий ход. После того, как сгорело 60% впрыснутого топлива и давление цилиндра резко повысилось, поршень двигается от В.М.Т. до Н.М.Т. и происходит рабочий ход;

4 такт. Выхлоп. С приходом поршня в Н.М.Т. открывается выхлопной клапан и происходит процесс выхлопа.

Идеализированный цикл Отто, показанный в координатах давление (Р) и объём (V): такт впуска (A), представляющий собой изоборическое расширение, за ним следует такт сжатия (B), представляющий собой адиабатический процесс. Далее следуют сжигание топлива, которое является изохорическим процессом, и адиабатическое расширение, характеризующие такт рабочего хода (C). Цикл завершается изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующими такт выпуска (D). TDC- верхняя мёртвая точка, BDC- нижняя мёртвая точка.

Первый такт начинается с наполнение цилиндра воздухом. Поршень движется от ВМТ к НМТ. Через впускной клапан 1 компрессор (К), приводимый газовой турбиной (ГТН), подает воздух в цилиндр под давлением 0,14-0,30 Мпа.

В двигателе без наддува воздух поступает из атмосферы за счет всасывающего действия поршня. Для улучшения наполнения цилиндра воздухом впускной клапан открывается с опережением до прихода поршня в ВМТ, а закрывается - после НМТ.

Угол опережения открытия клапана 50-80° п. к. в. (поворота коленчатого вала) до ВМТ обеспечивает достаточное проходное сечение под клапаном к моменту начала движения поршня вниз и последующую продувку камеры сжатия по окончании выхлопа. Угол запаздывания закрытия клапана 30-60° п. к. в. за НМТ обеспечивает дозарядку цилиндра воздухом за счет инерции его потока, движущегося во впускном трубопроводе с большой скоростью (до 70 м\с). Параметры воздуха в цилиндре в конце наполнения 0,13-0,29 Мпа и 38-52°С.

Второй такт это сжатие воздуха, подача и самовоспламенение топлива. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана и заканчивается в ВМТ. Параметры сжатия 4-2 Мпа Температура 530-900°С.

В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под давлением 20-200 Мпа начинает подаваться топливо. Угол опережения подачи топлива 2-30° (в зависимости от частоты вращения двигателя) необходим для осуществления физико-химических процессов подготовки топлива к самовоспламенению в среде сжатого, нагретого воздуха и начала его сгорания при положении поршня в районе ВМТ.

Третий такт это догорание топлива и расширение продуктов сгорания (рабочий ход). В начале такта происходит интенсивное сгорания топлива с выделением большого количества тепла, давление и температура смеси продуктов сгорания и воздуха, несмотря на увеличение объема цилиндра в связи с начавшимся движением поршня вниз резко растут. В определённой точке давление достигает максимума и составляет 9-16 МПа а, температура 1600-2000°С. Подача топлива заканчивается по прошествии, но сгорание еще продолжается и в зависимости от скорости процесса сгорания, зависящего от качества распыливания топлива, смесеобразования и наличия избытка воздуха, завершается через 40 и более градусов п. к. в. В некоторых случаях не исключено догорание в самом конце расширения газов вплоть до открытия выпускного клапана. Параметры в конце расширения. 0,3-0,9 МПа и температура 630-950°С.

Четвертый такт - выпуск газов начинается до НМТ. Угол опережения открытия выпускного клапана 40-60° п. к. в. до НМТ обеспечивает увеличение энергии газов, отбираемых на привод газотурбонагнетателя и совершенствование очистки цилиндра от продуктов сгорания. Но, в тоже время, раннее открытие выпускного клапана уменьшает полезную работу газов в цилиндре. Процесс выпуска газов продолжается в течение всего хода поршня вверх и заканчивается после перехода им ВМТ через40-60° пкв (поворота коленчатого вала). Угол поворота вала, в течение которого открыты одновременно впускной и выпускной клапаны, называется углом перекрытия клапанов. Перекрытие обеспечивает хорошую продувку камеры сжатия и охлаждение ее стенок свежим воздухом.

Круговая диаграмма.

Рассматриваемая круговая диаграмма показывает теоретический (расчетный) цикл, где приняты допущения, т. е., такты начинаются и заканчиваются в мертвых точках, поршень находится в ВМТ, камера сгорания заполнена остатками отработавших газов.

Рассматриваемая круговая диаграмма показывает теоретический (расчетный) цикл, где приняты допущения, т. е., такты начинаются и заканчиваются в мертвых точках, поршень находится в ВМТ, камера сгорания заполнена остатками отработавших газов. В реальных двигателях моменты открытия и закрытия клапанов начинаются и заканчиваются не в мёртвых точках положения поршня, а с определённым смещением, что наглядно видно на круговой диаграмме газораспределения. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала (п. к. в.) называют фазами газораспределения. Оптимальные углы открытия и закрытия клапанов, а также начала подачи топлива определяются экспериментальным путём при испытании опытного образца на стенде завода-изготовителя. Все углы (фазы) указываются в формуляре двигателя.К моменту поступления заряда воздуха в цилиндр двигателя открывается всасывающий клапан. Точка 1 соответствует положению кривошипа в момент открытия клапана. Для лучшего наполнения цилиндра воздухом всасывающий клапан открывается до ВМТ и закрывается после перехода поршнем НМТ на угол равный 20-40° п. к. в., который обозначается как угол опережения и запаздывания впускного клапана. Обычно угол п. к. в. соответствует процессу впуска равного 220-240°. Когда клапан закрывается наполнение цилиндра заканчивается и кривошип занимает положение, соответствующее точке (2). После процесса сжатия для самовоспламенения топлива требуется время на его нагревание и испарение. Такой промежуток времени называется периодом задержки самовоспламенения. Поэтому впрыск топлива производится с некоторым опережением до момента прихода поршня в ВМТ на угол 10-35° п. к. в.

Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя внутреннего сгорания отображает моменты открытия и закрытия впускных, выпускных клапанов и момент начала подачи топлива, а круговая диаграмма фаз газораспределения двухтактного двигателя отображает как моменты открытия, так и моменты закрытия выпускных и продувочных окон в цилиндрах двухтактного двигателя.

двигатель реверс дизель

Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя внутреннего сгорания отображает моменты открытия и закрытия впускных, выпускных клапанов и момент начала подачи топлива;а круговая диаграмма фаз газораспределения двухтактного двигателя отображает как моменты открытия, так и моменты закрытия выпускных и продувочных окон в цилиндрах двухтактного двигателя.

Угол между направлением кривошипа и осью цилиндра в момент начала впрыска топлива называют углом опережения подачи топлива. УОПТ отсчитывается от начала подачи до ВМТ и зависит от системы подачи, сорта топлива и частоты вращения вала двигателя. УОПТ у дизелей бывает от 15 до 32° и имеет большое значение на работу ДВС.

Очень важно определить оптимальный угол опережения подачи, который должен соответствовать значению завода-изготовителя, указанному в паспорте двигателя. Оптимальный УОПТ имеет большое значение для нормальной работы двигателя и его экономичности. При правильном регулировании горение топлива должно начинаться до прихода поршня в ВМТ на 3-6° п. к. в. Наибольшее давление Pz, равное расчётному, достигается когда поршень перейдёт ВМТ на угол 2-3° п. к. в. (см."Фазы горения"). При увеличении УОПТ период задержки самовоспламенения (I-я фаза) увеличивается и основная масса топлива сгорает в момент перехода поршнем ВМТ. Это приводит к жёсткой работе дизеля, а также к повышенному износу деталей ЦПГ и КШМ. Уменьшение УОПТ ведёт к тому, что основная часть топлива поступает в цилиндр при переходе поршнем ВМТ и горит в большем объёме камеры сгорания. Тем самым уменьшается цилиндровая мощность двигателя. После процесса расширения для уменьшения затрат на выталкивание отработавших газов поршнем производится открытие выпускного клапана с опережением до прихода поршнем в НМТ на угол равный 18-45° п. к. в., который называют углом опережения открытия выпускного клапана. Точка. Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания выпускной клапан закрывается после перехода поршнем ВМТ на угол запаздывания равный 12-20° п. к. в., соответствующей точке на круговой диаграмме. Однако, из диаграммы видно, что всасывающий и выпускной клапана некоторое время находятся одновременно в открытом положении. Такое открытие клапанов называют углом перекрытия фаз клапанов, который составляет в сумме 25-55° п. к. в.

Выводы

Четырёх тактный двигатель в настоящем времени широко используется на судах морского флота. Четырёх тактные двигатели широко используют в качестве главных и второстепенных.

В качестве главных главных они используются на судах с малым размером МО. Это суда типа: костеры, РО-РО и другие. А также в качестве судовых вспомогательных двигателей (генераторов).

Размещено на Allbest.ru