Что такое давление сгорания судового двигателя

Что такое давление сгорания судового двигателя

Основной тенденцией развития современного двигателестроения является форсирование двигателей внутреннего сгорания по среднему эффективному давлению и давлению наддува. Это приводит к повышению тепловых и механических нагрузок на основные детали двигателя, росту виброактивности дизелей, что обусловливает необходимость совершенствования систем, обеспечивающих надежную работу двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов, прежде всего — систем смазки и охлаждения. Одним из факторов, отрицательно влияющих на надежность двигателей с жидкостными системами охлаждения, являются эрозионно-коррозионные разрушения элементов систем, прежде всего, наружных поверхностей цилиндровых втулок, омываемых охлаждающей жидкостью. Статья посвящена актуальной проблеме выбора параметров охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания с высоким уровнем форсированности и перспективных двигателей. Методика выбора параметров охлаждения включает выявление наиболее значимых из них и обоснованное определение предпочтительных значений данных параметров с учетом требований экономичности и надежности судовых дизелей. Для решения поставленной задачи предложен алгоритм, учитывающий конструктивные характеристики двигателя, параметры рабочего процесса и режимы охлаждения. В статье приводятся расчетные формулы, позволяющие реализовывать предложенный алгоритм. В качестве основных параметров охлаждения, влияющих на интенсивность эрозионно-коррозионных разрушений и экономичность дизеля, установлены температура и давление в системе охлаждения и водородный показатель охлаждающей жидкости. Результаты проведенных расчетов позволяют оценить влияние указанных факторов на интенсивность эрозионно-коррозионных разрушений и удельный расход топлива, а также рекомендовать наиболее предпочтительные параметры охлаждения. Выводы, сделанные на основании проведенных расчетов, подтверждаются результатами моторных испытаний. В статье предложены технические решения, позволяющие осуществлять автоматическое управление параметрами охлаждения судовых дизелей.

Ключевые слова

судовые двигатели внутреннего сгорания, жидкостные системы охлаждения, эрозионно-коррозионные разрушения, параметры охлаждения, алгоритм выбора параметров охлаждения, свойства охлаждающей жидкости

Читать полный текст статьи: PDF

Список литературы

Ципленкин Г. Е. Уровень форсировки поршневых ДВС нового поколения / Г. Е. Ципленкин, В. И. Иовлев // Двигателестроение. — 2016. — № 1. — С. 25-30.
Безюков О. К. Состояние и перспективы судового двигателестроения в России / О. К. Безюков, В. А. Жуков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2017. — № 2. — С. 40-53. DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-40-53.
Дорохов А. Ф. Моделирование теплопередачи через стенку рабочего цилиндра поршневого ДВС и управление его напряженно-деформированным состоянием. / А. Ф. Дорохов, Н. В. Пахомов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2015. — № 1 (45). — С. 68-74.
Гулиев Н. Р. Анализ условий работы деталей цилиндропоршневой группы современных двигателей внутреннего сгорания / Н. Р. Гулиев, В. А. Рыжов, Е. В. Коробов, Д. А. Никитин // Аграрные конференции. — 2017. — № 5 (5). — С. 19-29.
Безюков О. К. Охлаждающие жидкости транспортных ДВС / О. К. Безюков, В. А. Жуков. — СПб.: Изд-во СПГУВК, 2009. — 263 с.
Полипанов И. С. Повышение надежности систем охлаждения / И. С. Полипанов, О. К. Безюков, Е. К. Забелина // Речной транспорт (XXI век). — 1988. — № 3. — С. 30-32.
Безюков О. К. Охлаждение транспортных двигателей внутреннего сгорания / О. К. Безюков, В. А. Жуков, В. Н. Тимофеев. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2015. — 272 с.
Большаков В.Ф. Эксплуатация судовых среднеоборотных дизелей / В. Ф. Большаков, Ю. Я. Фомин, В. И. Павленко. — М.: Транспорт, 1983. — 160 с.
Кригер А. М. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей / А. М. Кригер, М. Е. Дискин, А. Л. Новенников, В. И. Пикус. — М.: Машиностроение, 1985. — 176 с.
Камкин С. В. Эксплуатация судовых дизелей / С. В. Камкин, И. В. Возницкий, В. П. Шмелев. — М.: Транспорт, 1990. — 344 с.
Громогласов А. А. Водоподготовка, процессы и аппараты / А. А. Громогласов, А. С. Копылов, А. П. Пильщиков. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 270 с.
Тузов Л. В. Защита элементов жидкостных систем охлаждения ДВС от кавитационно-коррозионных разрушений / Л. В. Тузов, О. К. Безюков, В. А. Жуков // Двигатель-97. Материалы междунар. науч.-техн. конф. — М.: МГТУ, 1997. — С. 67-68.
Тузов Л. В. Вибрация судовых двигателей внутреннего сгорания / Л. В. Тузов, О. К. Безюков, О. В. Афанасьева. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 348 с.
Лебедев О. Н. Двигатели внутреннего сгорания речных судов / О. Н. Лебедев, В. А. Сомов, С. А. Калашников. — М.: Транспорт, 1990. — 328 с.
Churchill R. A. Low-heat rejection engines — a concept review / R. A. Churchill, J. E. Smith, N. N. Clarc, R. A. Turton. — SAE Technical Paper Series, 1989. — № 890153. — Pp. 25-36.
Koch F. W. Cooling System Development and Optimization for DI Engines / F. W. Koch, F. G. Haubner. — SAE Technical Paper Series, 2000. — № 2000-01-0283. — 16 p. DOI: 10.4271/2000-01-0283.
Пат. 2459093 Российская Федерация, МПК F01P 5/10. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания / О. К. Безюков, В. А. Жуков; заяв. и патентообл. О. К. Безюков, В.А. Жуков. — № 2011113342/06; Заявлено 06.04.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. — 7 с.
Пат. 2453714 Российская Федерация, МПК F01P 5/10. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания / В. А. Жуков; заяв. и патентообл. В. А. Жуков. — № 2011113338/06; Заявлено 06.04.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17. — 7 с.

Об авторах

Безюков Олег Константинович — доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Жуков Владимир Анатольевич — доктор технических наук, доцент

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Пуляев Андрей Араратович — аспирант

Влияние процесса топливоподачи на рабочий процесс дизеля

Основными параметрами топливоподачи, которые оказывают наибольшее существенное влияние на рабочий процесс дизеля, являются: качество распыливания топлива, характеристика впрыскивания, способ смесеобразования и т. д. Однако для организации рабочего процесса крайне важными являются не только количественные и качественные показатели процесса топливоподачи, но и привязка процесса топливоподачи к положению поршня в рабочем цилиндре двигателя на такте сжатия.

Существенное влияние на весь процесс сгорания топлива в рабочем цилиндре оказывает начальный этап поступления топлива в камеру сгорания до его воспламенения и сгорания. Этот период получил название периода задержки самовоспламенения топлива τ.

На развернутой индикаторной диаграмме рабочего процесса дизеля (рис. 5.20) продолжительность этого периода определяется как угловой промежуток от момента поступления первых порций топлива в рабочий цилиндр (точка 1) и до момента отрыва линии сгорания от линии сжатия (точка 2). Под линией сжатия подразумевается кривая изменения давления в рабочем цилиндре при отсутствии подачи топлива, под линией сгорания кривая изменения давления при сгорании топлива.

На протяжении периода задержки самовоспламенения протекает ряд последовательно-параллельных физико-химических процессов, получивших название предпламенных.

При попадании в рабочий цилиндр первых порций топлива часть теплоты заряда расходуется на их прогрев и испарение. В результате температура и давление в цилиндре несколько снижаются, кривая сгорания идет ниже кривой сжатия (позиция А на рис. 5.22).

По мере испарения топлива начинаются химические реакции образования первичных комплексов, получивших название предпламенных реакций. Эти реакции могут носить как экзо-, так и эндотермический характер. Только после накопления в камере сгорания продуктов первичных реакций начинается их взаимодействие с кислородом воздуха, носящее, как правило, цепной характер и сопровождающиеся выделением большого количества тепла. Повышение температуры заряда приводит к повышению давления, в результате чего кривая сгорания пересекает кривую сжатия, что и соответствует моменту окончания периода задержки самовоспламенения.

Продолжительность периода задержки самовоспламенения в основном определяется температурой заряда на момент впрыска топлива, свойствами самого топлива, качеством его распыливания. Последнее в значительной степени зависит от показателей работы топливной аппаратуры.

Для получения заданного характера изменения давления в рабочем цилиндре нужно учитывать время, необходимое на предпламенные процессы. Для этого момент начала подачи топлива устанавливают раньше теоретически определенного момента начала тепловыделения на величину задержки самовоспламенения. На практике влияние периода задержки самовоспламенения на рабочий процесс учитывается путем установки угла опережения подачи φ_оп.

С увеличением φ_оп топливо в цилиндр впрыскивается раньше (точка 1` на рис. 5.22), что приводит к его более раннему воспламенению. В результате большее количество теплоты выделяется еще до прихода поршня в ВМТ, что приводит к более резкому возрастанию давления и росту его максимального значения. Рабочий процесс становится более динамичным и более жестким. С дальнейшим увеличением угла опережения такая тенденция будет ослабевать, так как топливо будет впрыскиваться в среду с более низкой температурой и давлением, а это приведет к увеличению периода задержки самовоспламенения.

С увеличением φ_оп экономичность дизеля сначала возрастает, так как некоторое увеличение работы сжатия до ВМТ с избытком компенсируется повышением термического КПД цикла вследствие подвода теплоты к рабочему телу при более высокой температуре. При больших значениях угла φ_оп работа сжатия существенно возрастает и становится больше, чем выигрыш в термическом КПД, поэтому экономичность дизеля падает.

С уменьшением угла φ_оп, особенно до значений, соответствующих началу сгорания топлива после ВМТ (точка 1` на рис. 5.22), происходит снижение механической напряженности двигателя, но одновременно снижается и его экономичность. Сгорание основной порции топлива смещается на линию расширения, что повышает температуру отработавших газов и теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы.

Очевидно, что угол опережения впрыска должен увеличиваться с повышением оборотов двигателя, чтобы обеспечить необходимый временной промежуток на протекание предпламенных процессов. Кроме того, изменение нагрузки на двигатель, давление наддува, внешних условий, сорта топлива могут потребовать корректировки угла опережения подачи топлива.

Угол опережения является важным параметром воздействия на показатели рабочего процесса, экономичность двигателя, его экологические показатели. В этой связи основная масса топливных систем современных судовых дизелей оборудуются устройствами для автоматического изменения данного параметра в зависимости от режима работы двигателя. Устройство таких систем нами было рассмотрено в предыдущих разделах. Следует отметить, что наиболее полно реализовать принцип выбора оптимального угла опережения удается только в системах с электронным управлением топливоподачей.

В ряде современных высоко- и среднеоборотных дизелей предусмотрено изменение характера протекания рабочего процесса в зависимости от нагрузочно-скоростного режима. В частности, переход с классического цикла со смешанным подводом теплоты на режимах малых и средних нагрузок на цикл Миллера на режимах нагрузок, близких к максимальным.

Такой переход сопровождается одновременным изменением фаз газораспределения и топливоподачи. На рисунке 5.23 представлен вариант технического решения, позволяющего осуществлять такой переход, который разработан фирмой MaK и реализован в двигателях серий M 20–M 43.

Принцип работы устройства основан на изменении положения ролика рычажного толкателя относительно кулачковой шайбы распределительного вала. Для этого ось рычага закреплена эксцентрично на валу, который имеет возможность проворачиваться на угол, близкий к 180°. В результате толкатель совершает поступательное движение, изменяя угол опережения подачи топлива и углы начала открытия и закрытия впускного клапана.

Привод эксцентричных валов роликовых толкателей осуществляется от пневматического серводвигателя через систему шестерен. Предусмотрен также и ручной перевод двигателя с одного режима на другой.

Изменение угла опережения в данной конструкции позволяет не только обеспечить оптимальный закон тепловыделения на режиме максимальной мощности, но и улучшить условия распыливания топлива при снижении нагрузки за счет смещения начала впрыска на более скоростной участок подъема плунжера.

На рисунке 5.24 показано устройство для изменения угла опережения подачи, используемое фирмой MAN в своих среднеоборотных двигателях. В данном устройстве вал привода насосов соединяется с шестерней привода через наклонное шлицевое соединение. Ступица шестерни при осевом перемещении скользит вдоль шлицов и проворачивает распределительный вал относительно коленчатого на некоторый угол, величина которого определяется углом наклона шлицов к оси вала и величиной осевого перемещения. Для осевого перемещения шестерни вместе со ступицей используется гидравлический сервопривод, располагаемый в торце вала на остове двигателя.

На высокооборотных двигателях, которые работают на разных скоростных режимах, находят применение автоматические муфты опережения впрыска центробежного типа. Они предназначены для автоматического изменения угла опережения впрыска топлива при изменении числа оборотов коленчатого вала двигателя. Схематически работа такой муфты показана на рисунке 5.25. В корпусе муфты, через который осуществляется ее привод, смонтирована полумуфта, через которую приводится вал ТНВД блочного типа. Полумуфта имеет выступы, которые с одной стороны нагружены пружинам, а с другой упираются в эксцентрики, выполненные на неуравновешенных грузах. Таким образом, полумуфта занимает определенное положение относительно корпуса. При увеличении частоты вращения на неуравновешенную часть грузов начинает действовать центробежная сила. Под действием этой силы грузы, преодолевая усилие пружин, раздвигаются и через эксцентрики, проворачивая полумуфту на угол γ против направления вращения корпуса, изменяют тем самым угол опережения подачи.

Продолжительность впрыскивания (угол φ_ппф) также оказывает большое влияние на рабочий процесс. Для повышения экономичности и снижения температуры отработавших газов необходимо обеспечить сравнительно небольшое значение угла φ_ппф на номинальном режиме. Этот угол можно уменьшить путем увеличения максимального давления впрыска или увеличения эффективного проходного сечения распылителя. В первом случае возрастут механические нагрузки на детали топливной аппаратуры, а во втором — на режимах малых нагрузок будет низкое давление впрыскивания, что приведет к ухудшению распыливания топлива.

Что такое давление сгорания судового двигателя

Правила технической эксплуатации дизелей

• Общие положения
• Подготовка и ввод дизеля в действие
• Техническое использование дизеля во время работы и обслуживание при бездействии
• Техническое использование дизеля на режимах и в
  условиях, отличающихся от нормальных

• Приложение 5
• Приложение 6
• Приложение 7
• Приложение 8
• Приложение 9
• Приложение 10
• Приложение 11
• Приложение 12
• Приложение 13
• Приложение 14
• Приложение 15
• Приложение 16
• Приложение 17
• Приложение 18
• Приложение 19
• Приложение 20

Контроль за работой и регулировка дизелей

5. Контроль за работой и регулировка дизелей

5.1. Во время работы дизелей мощностью 220 кВт и выше необходимо контролировать следующие основные параметры:

1. среднее индикаторное давление при наличии на дизеле индикаторного привода;
2. давление в конце сжатия p ; c
3. максимальное давление сгорания p ; z
4. среднее давление по времени p ; t
5. давление продувочного (наддувочного) воздуха p ; k
6. температуру выпускных газов t ; r
7. удельный расход топлива g ; e
8. удельный расход масла g (для дизелей с раздельной системой m смазки — удельный расход на смазку втулок рабочих цилиндров и циркуляционную смазку). Кроме указанных, следует также контролировать параметры в соответствии с утвержденной формой машинных журналов и журналов индицирования.

5.2. Периодичность индицирования дизеля и определения основных параметров устанавливается механико — судовой службой (МСС), либо инженерно — технической службой (ИТС) или специалистом судовладельца в соответствии с требованиями заводской инструкции и в зависимости от типа дизеля, его технического состояния, условий эксплуатации, но не реже чем через каждые 400 ч работы.

5.3. Индицирование дизелей, кроме сроков, установленных службой судовладельца (МСС, ИТС), должно проводиться в следующих случаях:

1. при обнаружении ненормальной работы одного или нескольких цилиндров;
2. после регулировки топливоподачи, замены форсунки или топливного насоса, после ремонта или замены деталей движения и замены цилиндровой крышки или втулки;
3. после перехода на новый сорт топлива.

5.4. Результаты индицирования дизелей, оборудованных индикаторными приводами, должны быть занесены в журнал индицирования главного двигателя. Результаты теплотехнического контроля дизелей мощностью 220 кВт и выше, не имеющих индикаторных приводов, заносятся в журнал теплотехнического контроля двигателей. Рабочий процесс дизелей мощностью менее 220 кВт необходимо контролировать по параметрам, определяющим их тепловую нагрузку.

5.5. Для проверки распределения нагрузки по цилиндрам и качества регулировки контролируют следующие параметры работы дизелей (по цилиндрам):

1. температуру выпускных газов по штатным термометрам;
2. разность частоты вращения при последовательном отключении цилиндров в случае отсутствия индикаторных кранов;
3. среднее давление по времени p, замеряемое с помощью t пиметра, или максимальное давление сгорания p, замеряемое z максиметром или индикатором, при наличии индикаторных кранов;
4. среднее индикаторное давление p при наличии индикаторного i привода.

5.6. Контроль за параметрами работы дизеля должен производиться на установившемся номинальном режиме или близком к нему, но не менее 85% номинального.

5.7. Температура выпускных газов по цилиндрам и в выпускном коллекторе в процессе регулировки должна измерятьсятермоэлектрическими комплектами или ртутными термометрами, предварительно протарированными по заведомо исправным.

5.8. Давление в конце сжатия p в цилиндре следует измерять c согласно инструкции по эксплуатации завода — изготовителя. При отсутствии указаний в инструкции измерение нужно производить при выключенном топливном насосе и мощности дизеля, не превышающей 75% номинальной. На дизелях, где передача крутящего момента производится через упругие муфты, для предупреждения разрушения резиновых элементов муфт от неравномерной работы дизеля необходимо определять давление в конце сжатия p по развернутой индикаторной диаграмме. c

5.9. Максимальное давление сгорания p определяется с помощью z индикатора (снятие гребенок) или максиметра.

5.10 . Индикаторы давления следует применять для дизелей, номинальная частота вращения которых не превышает допустимую, оговоренную в инструкции по эксплуатации индикатора. В случае отсутствия таких указаний для дизелей с частотой вращения до 500 об./мин. допускается применять индикаторы со спиральной пружиной, свыше 500 об./мин. — максиметры. С целью автоматического диагностирования и контроля работы дизелей (исходя из целесообразности) следует устанавливать и применять судовые комплексы типов: «NK-5», «Ритм — Дизель», «Дизель — Интеллект» и др.

5.11. Расход циркуляционного масла на дизель контролируется по уровню масла в картере (для дизелей с мокрым картером) или в сточной масляной цистерне (для дизелей с сухим картером). Расход цилиндрового масла на дизель контролируется по уровню масла в бачке лубрикатора (для дизелей с лубрикаторной смазкой). Определение расхода производится путем долива заранее измеренного количества масла до первоначального уровня в картере, или в сточной цистерне, или в бачке лубрикатора после продолжительной работы (24 — 48 ч) на установившемся режиме. Доливку масла в картер или в сточную цистерну следует производить не ранее чем через час после остановки дизеля. Удельный расход масла (в г/кВт.ч) подсчитывается по формуле: 3 t g = 10 Vро / N t, m 4 e где: V — объемный расход масла (по замеру) на двигатель, л; t ро — плотность масла при температуре замера, г/куб. см; 4 t — продолжительность замера, ч; N — эффективная мощность, развиваемая двигателем в момент e определения расхода масла, кВт.

5.12 . Расход топлива на дизель определяется с помощью специальных тарированных мерных баков, расходомеров или расходных цистерн, оборудованных шкалой тарировки. При нормальном техническом состоянии дизеля расход топлива должен соответствовать значениям, гарантируемым заводом — изготовителем. Методика определения расхода топлива приводится в Приложении 6.

5.13 . При определении мощности дизелей следует руководствоваться методикой, приведенной в Приложении 7.

5.14 . На номинальном режиме работы значения параметров каждого цилиндра не должны превышать (в %):

• среднее индикаторное давление p +/- 2,5 i
• максимальное давление сгорания p +/- 3,5
• температура выпускных газов t +/- 5 r
• давление в конце сжатия p +/- 2,5 c
• среднее давление по времени p +/- 3. t

Отклонение значений указывает на неравномерность распределения нагрузки.

5.15. Регулировка дизеля должна производиться периодически в зависимости от состояния установки, типа дизеля и в соответствии с указаниями инструкции по эксплуатации и МСС (ИТС) судовладельца. Запрещается производить регулировку главных дизелей на неустановившихся режимах работы (например, при волнении моря свыше 3 баллов, при изменении курса судна). Результаты регулировки заносятся в журналы теплотехнического контроля или индицирования, а в машинном журнале делается соответствующая запись о проделанной работе.

5.16. Перед регулировкой дизеля необходимо:

1. убедиться в исправности контрольно — измерительных и регистрирующих приборов, проверить и отрегулировать зазоры в приводах топливных насосов и в механизме газораспределения;
2. проверить положение нулевой подачи топлива насосами, спрессовать форсунки, проверив давление и качество распыла.

5.17. Регулировка дизеля производится при обнаружении:

1. неравномерности распределения нагрузки по цилиндрам — изменением количества топлива, подаваемого насосами;
2. отклонений максимального давления сгорания от рекомендуемых инструкцией по эксплуатации значений — изменением момента начала подачи топлива по цилиндрам.

5.18 . Последовательность регулировки и устранение отклонений параметров должны выполняться согласно инструкции по эксплуатации. При отсутствии указаний в инструкции регулировка производится: при низком p и высоких t — увеличением угла опережения z r подачи топлива; при высоком p и низких t — уменьшением угла опережения z r подачи топлива; при высоком p и высоких t — уменьшением угла опережения и z r цикловой подачи топлива; при низком p и низких t — увеличением угла опережения и z r цикловой подачи топлива.

5.19. Предварительная регулировка дизеля производится при нагрузке, равной 25% номинальной. На данном режиме проверяют только наличие вспышек во всех цилиндрах. Затем на установившемся тепловом режиме и нагрузке, равной 50% номинальной, определяют максимальное давление сгорания p. Если значения p в отдельных z z цилиндрах будут в пределах, указанных в инструкции завода — изготовителя для этого режима, то переходят на режим 75% номинальной нагрузки. На этом режиме определяют пять основных параметров каждого цилиндра дизеля p, p, t, p, p. Если все z c r i t параметры будут в пределах, указанных в инструкции по эксплуатации для этого режима, то производят окончательную регулировку дизеля на режиме номинальной нагрузки и частоты вращения.

Классификация и принцип действия судовых двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) относятся к классу тепловых двигателей, в которых процесс сгорания топлива и превращения полученной при этом теплоты в механическую работу происходит в рабочем цилиндре самого двигателя. Рабочим телом здесь являются продукты сгорания топлива, чем и обусловлено название «двигатели внутреннего сгорания». Газообразные продукты сгорания топлива характеризуются высоким давлением и температурой. Силы давления продуктов сгорания действуют на расположенный в цилиндре поршень, вызывая его перемещение вдоль оси цилиндра. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя при помощи кривошипно-шатунного механизма и передается валу приводного механизма или валопроводу. Рабочим циклом двигателя называется комплекс процессов по превращению энергии топлива в механическую работу.

Рассмотрим принципы классификации двигателей.

По назначению судовые двигатели разделяются на главные и вспомогательные. Первые обеспечивают движение судна, а вторые приводят в движение вспомогательные механизмы энергетической установки (насосы, компрессоры, генераторы судовой электростанции и т. д.).

По способу осуществления рабочего цикла различают двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня, соответствующих одному обороту коленчатого вала, и четырехтактные двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала. Таким образом, тактом называется часть рабочего цикла двигателя, соответствующая одному ходу поршня. Ходом поршня называется расстояние между мертвыми точками поршня; мертвыми точками поршня называются его крайние положения при движении в цилиндре.

По способу действия различают двигатели простого и двойного действия. У первых рабочий цикл совершается только в одной полости рабочего цилиндра — над поршнем, а у вторых — в обеих полостях рабочего цилиндра.

По способу наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом различают двигатели без наддува, у которых всасывание рабочей смеси или воздуха производится поршнем (у четырехтактных ДВС) или за счет незначительного избыточного давления, создаваемого продувочным насосом (у двухтактных ДВС), и двигатели с наддувом, у которых рабочая смесь или воздух подается в цилиндр под повышенным давлением при помощи специального нагнетателя.

По способу воспламенения рабочей смеси можно выделить двигатели с принудительным воспламенением, у которых воспламенение рабочей смеси происходит от электрической искры, и двигатели с самовоспламенением рабочей смеси от сжатия (дизели), в цилиндре которых воздух сжимается и нагревается настолько, что впрыскиваемое в него жидкое топливо самовоспламеняется.

По способу образования рабочей смеси различаются двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые), у которых рабочая смесь приготовляется вне цилиндра, а зажигание ее в цилиндре осуществляется от электрической искры, и двигатели с внутренним смесеобразованием (компрессорные и бескомпрессорные дизели), у которых рабочая смесь приготовляется внутри цилиндра и самовоспламеняется от сжатия воздуха. В настоящее время наибольшее распространение на морских судах получили бескомпрессорные двигатели, как наиболее экономичные. Карбюраторные и газовые двигатели встречаются на легких речных и озерных катерах, а компрессорные дизели сняты с производства. Бескомпрессорным называется такой дизель, у которого распыливание топлива в цилиндре через форсунку осуществляется под высоким давлением подачи самого топлива. Иногда такие дизели еще называют дизелями с механическим распыливанием топлива. У компрессорных дизелей распыливание топлива производилось через форсунку при помощи сжатого воздуха, а для этого требовалось иметь постоянно действующий компрессор.

Быстроходность дизеля оценивается частотой вращения его коленчатого вала или средней скоростью поршня

где s — ход поршня, м, а n — частота вращения вала, об/мин. В соответствии с ГОСТ 4393—74 у тихоходных дизелей 4,5 10 м/с. Малооборотными считают дизели, у которых 100 750 об/мин.

Схема работы четырехтактного бескомпрессорного дизеля показана на рис. 52. Открытие впускного 1 и выпускного 3 клапанов осуществляется кулачковыми шайбами распределительного вала двигателя.

Первый такт — всасывание (зарядка цилиндра). При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) в рабочий цилиндр двигателя засасывается воздух из окружающей среды через впускной клапан 1 (выпускной клапан 3 закрыт). Для максимального наполнения рабочего цилиндра свежим воздухом клапан 1 открывается при нахождении кривошипа в точке 5 (до прихода поршня в ВМТ) и закрывается при нахождении его в точке 4, после того как кривошип перейдет НМТ. При всасывании давление в цилиндре несколько меньше атмосферного.

Второй такт — сжатие. При обратном движении поршня снизу вверх впускной и выпускной клапаны закрыты; происходит сжатие воздуха, в результате чего давление его повышается до 2800—4500 Н/м 2 (28—45 кгс/см 2 ), а температура до 600—700°С (873—973 К).

Третий такт — рабочий ход (горение и расширение). Выпускной и впускной клапаны продолжают оставаться закрытыми. Форсункой 2 топливо впрыскивается в цилиндр (камеру сжатия) в распыленном виде в момент, когда кривошип, находясь в точке 6, еще не дошел на несколько градусов до ВМТ, т. е. с некоторым предварением впрыска, которое необходимо для подготовки топлива к самовоспламенению. Под действием высокой температуры топливо воспламеняется и образуется большое количество газа. При этом за короткое время, измеряемое долями секунды, давление в цилиндре возрастает до 5000—12 500 кН/м 2 (50—125 кгс/см 2 ), а температура газа до 1600—2200°С (1873—2473 К). Под действием расширяющихся газов поршень перемещается вниз от ВМТ к НМТ.

Четвертый такт — выпуск. Когда кривошип, находясь в точке 8, еще не доходит до НМТ, открывается выпускной клапан, а поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет из рабочего цилиндра отработавшие газы. В это время выпускной клапан полностью открыт, а впускной закрыт. Давление в цилиндре снижается до 105—110 кН/м 2 (1—1,1 кгс/см 2 ), а температура газов до 350—400°С (623—673 К). Конец выпуска, т. е. закрытие выпускного клапана, происходит после того, как кривошип пройдет ВМТ (в точке 7). Это способствует лучшей очистке цилиндра от продуктов сгорания топлива.

Для осуществления тактов всасывания (зарядки), сжатия и выпуска требуется затрата некоторой механической энергии двигателя. Эта энергия накапливается в период рабочего хода в маховике и во всех движущихся частях двигателя, а затем расходуется за счет инерции их движения в течение трех указанных тактов. Поэтому двигатели снабжают маховиком, который является как бы аккумулятором кинетической энергии. У многоцилиндровых двигателей подготовительные такты в одном цилиндре осуществляются также за счет рабочих ходов в других цилиндрах, так как у таких двигателей цилиндры работают не одновременно, а через равные промежутки времени. Это же обеспечивает большую равномерность вращения вала двигателя.

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два хода поршня, или один оборот коленчатого вала. Двухтактные двигатели, в отличие от четырехтактных, либо вообще не имеют клапанов, либо имеют только выпускные клапаны. В обоих случаях продувка рабочего цилиндра свежим воздухом производится через специальные щели в его стенках — продувочные окна. В качестве продувочных насосов (нагнетателей) для двухтактных двигателей применяют поршневые, трехлопастные ротативные и центробежные насосы, приводимые в движение от коленчатого вала двигателя. Воздух от нагнетателя подается в кольцевой короб — ресивер, расположенный по окружности цилиндра, а из него через продувочные окна — в цилиндр.

На рис. 53 показана схема работы двухтактного дизеля с наиболее простой бесклапанной щелевой контурной продувкой цилиндра. Принцип работы двигателя целесообразно рассматривать с того момента, когда в результате воспламенения топлива и последующего за этим повышения давления и расширения газов поршень начинает перемещаться от ВМТ к НМТ (положение I) и совершается рабочий ход до момента открытия поршнем выпускных окон 3 (положение II). При дальнейшем перемещении поршня к НМТ, когда давление в цилиндре падает до 120—140 кН/м 2 (1,2—1,4 кгс/см 2 ), открываются продувочные окна 2 и начинается продувка цилиндров свежим воздухом, поступающим из нагнетателя в ресивер, а из него в продувочные окна (положение III) под давлением 1300—1500 кН/м 2 (1,3—1,5 кгс/см 2 ).

После этого поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ (положение III), и до момента закрытия им продувочных окон 2 процесс продувки цилиндра продолжается. Выпускные окна остаются некоторое время открытыми для обеспечения более полной очистки цилиндра от газов. При дальнейшем движении поршня к ВМТ выпускные окна закрываются, и происходит сжатие воздуха (положение IV). При подходе поршня к ВМТ через форсунку 1 впрыскивается топливо, которое вследствие высокой температуры сжатого воздуха самовоспламеняется, и цикл повторяется. Таким образом, здесь можно выделить два основных такта — сжатие и расширение (рабочий ход), а такты впуска и выпуска как отдельные самостоятельные такты отсутствуют. Процессы очистки цилиндра от газов и наполнения его воздухом происходят наряду с основными тактами, как бы накладываясь на них. Можно также сделать вывод, что работа двухтактного двигателя без (продувочного насоса невозможна.

Основным способом повышения мощности современных четырехтактных и двухтактных дизелей является наддув — принудительная подача воздух в цилиндры. Это позволяет сжечь в том же объеме камеры сгорания большее количество топлива и получить соответствующий прирост мощности. Различают механический и газотурбинный наддув. При механическом способе наддува воздушный нагнетатель приводится в действие от коленчатого вала дизеля с затратой части его мощности. Более совершенным является газотурбинный наддув, когда нагнетатель приводится в действие газовой турбиной, работающей на выпускных газах дизеля.

Конструкция четырехтактного дизеля и общая компоновка его основных узлов и деталей показаны на рис. 54. В состав неподвижных деталей, образующих остов двигателя, входят фундаментная рама 1, станина (картер) 2, блок цилиндров 3 и крышки цилиндров 4. Полость, образованная станиной 2 и фундаментной рамой 1, называется картерным пространством, а сама станина, присоединенная болтами к фундаментной раме, образует картер.

В состав подвижных деталей, образующих кривошипно-шатунный механизм, входят поршень 9, поршневые кольца 8, поршневой палец 10, шатун 11, коленчатый вал 16 (поршневые штоки у крейцкопфных двигателей), маховик и др.

Механизм газораспределения состоит из впускных и выпускных клапанов 6 с пружинами, деталей привода клапанов (штанг толкателей) 7, роликов 12 толкателей, распределительного вала 13 с ведомой шестерней 18, кулачковых шайб 14 и шестерен 15 и 17 привода распределительного вала клапанных рычагов 5.