На Seamen.es мы публикуем материалы, ориентированные на моряков крупных судов и специалистов морской техники. В данной статье представлена схема и принцип действия четырехтактного дизельного двигателя, используемого на судах. Если вы ищете качественную информацию о судовых агрегатах и хотите совместить работу с отдыхом, рекомендуем обратить внимание на аренду катеров в Торревьехе на Freewind.es.
Введение
В четырехтактных дизелях рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня (такта). Цилиндр такого двигателя закрыт крышкой, в которой размещены клапаны для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания. Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами, а также давлением газа в цилиндре. Открытие клапанов в нужные моменты производится с помощью газораспределительного механизма, состоящего из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки, размещенные на распределительном валу. Этот вал приводится в движение от коленчатого вала и вращается с частотой, вдвое меньшей, чем у последнего. Каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя
Каждый цикл работы четырехтактного двигателя состоит из следующих последовательных процессов (см. Рис. 2):
- Такт I — Наполнение рабочего цилиндра воздухом
При нисходящем движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) через открытый впускной клапан из впускного коллектора поступает воздух. В этот момент выпускной клапан остается закрытым. Из-за аэродинамического сопротивления давление воздуха в цилиндре снижается примерно на 5–10 кПа по сравнению с давлением во впускном коллекторе, а температура воздуха повышается вследствие нагрева от стенок цилиндра.
Для максимального наполнения цилиндра впускной клапан открывается немного ранее ВМТ (точка 1) с углом опережения впуска ф₁ = 20°–30° и закрывается после прохождения поршнем НМТ (точка 2) с углом запаздывания закрытия ф₂ = 20°–40°. Общий угол поворота коленчатого вала, соответствующий процессу впуска (ф₁₂), составляет примерно 220°–240° (см. Рис. 3).
При этом в цилиндре остается до 4–5 % продуктов сгорания от предыдущего цикла, что приводит к формированию смеси воздуха с остаточными газами. Изменение давления в зависимости от объема, описываемого поршнем, представлено на Рис. 4 (линия «га»). - Такт II — Сжатие заряда
Сжатие происходит при восходящем движении поршня, начиная с момента закрытия впускного клапана и до достижения поршнем ВМТ, при этом все клапаны остаются закрытыми. Максимальное давление (рₛ) и температура (Тₛ) в конце сжатия зависят от начальных параметров рабочего тела, степени сжатия (е) и интенсивности теплообмена с цилиндрическими стенками. Для дизелей, чтобы обеспечить самовоспламенение топлива (при Тₛ = 750–800 К), степень сжатия должна быть не ниже 12–13, а давление – в диапазоне 2,8–3,5 МПа. С учетом запаздывания закрытия впускного клапана общий угол поворота коленчатого вала, отведенный на сжатие, составляет ф₂₃ = 140–160°. - Такт III — Горение топлива и расширение продуктов сгорания
В конце сжатия и в начале расширения происходит впрыск, воспламенение и горение топлива. Примерно за 10–30° до ВМТ топливный насос, управляемый кулачковой шайбой на распределительном вале, подает топливо к форсунке, которая распыляет его в цилиндре (капли имеют средний диаметр 10–30 мкм, давление нагнетания — 15–150 МПа).
Топливо не воспламеняется мгновенно – оно подогревается, частично испаряется, распадается на более простые углеводородные соединения. Этот период называется задержкой воспламенения. После самовоспламенения (около ВМТ) давление в цилиндре возрастает до р_z = 5–8 МПа, а температура достигает Т_z = 1700–1900 К. Горение топлива завершается за ВМТ (точка 4), после чего начинается расширение продуктов сгорания. Общий угол, отведенный на процессы горения и расширения, равен ф₃₅ = 160–180°. Расширение осуществляется при закрытых клапанах, когда поршень движется от ВМТ к НМТ, выполняя рабочий ход, преодолевая сопротивление механических нагрузок (например, гребного винта). - Такт IV — Выпуск отработавших газов
Очистка цилиндра начинается вблизи НМТ. Выпускной клапан открывается примерно за ф₅ = 20–40° до НМТ (см. Рис. 3), соединяя рабочий цилиндр с выпускным коллектором, где давление составляет 0,1–0,12 МПа.
Под действием разности давлений начинается свободный выпуск газов из цилиндра в коллектор. По мере выпуска давление в цилиндре снижается, а в конце свободного выпуска уравнивается с давлением в коллекторе. Далее открытый выпускной клапан обеспечивает принудительный выпуск оставшихся газов, что называется принужденным выпуском. При этом давление в цилиндре может временно повышаться из-за сопротивления газового тракта.
На Рис. 4 показаны изменения давления: линия «5b» соответствует свободному выпуску, а линия «bkr» – принужденному выпуску. После прохождения поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается с запаздыванием на угол ф₆ = 10–20°, что улучшает процесс удаления газов.
Остаточные продукты сгорания, остающиеся в объеме камеры сжатия, смешиваются с воздухом, поступающим в цилиндр при новом цикле.
Энергетический баланс и особенности цикла
В результате работы цикла производится работа, пропорциональная разности площадей заштрихованных частей диаграммы (см. Рис. 4). Обычно площадь, соответствующая процессу сжатия, значительно меньше площади рабочего хода, что позволяет пренебречь ее вкладом в общий баланс.
Цикл четырехтактного дизеля осуществляется за два оборота коленчатого вала (720°). Из четырех тактов только такт III является рабочим, а остальные такты двигатель функционирует как поршневой компрессор, засасывая, сжимая воздух и выталкивая продукты сгорания. В одноцилиндровых двигателях энергия для насосных тактов компенсируется за счет маховика, а в многоцилиндровых — за счет рабочих ходов других цилиндров.
При анализе работы дизеля установлено, что фазы газораспределения не совпадают точно с ВМТ и НМТ. Моменты открытия и закрытия клапанов, а также углы, соответствующие отдельным фазам распределения, показаны на круговой диаграмме (см. Рис. 3). Правильная настройка газораспределения существенно влияет на мощность и экономичность двигателя. Окончательная корректировка фаз производится при доводке двигателя на стенде завода с использованием индикаторных диаграмм (см. Рис. 4).
Заключение
Четырехтактный дизельный двигатель осуществляет свой рабочий цикл за два оборота коленчатого вала (720°). Из четырех тактов только один является рабочим, в то время как остальные такты выполняют функции компрессии и выпуска. Точная настройка фаз газораспределения, а также контроль за параметрами сжатия, впрыска и горения топлива, являются ключевыми для достижения высокой мощности и топливной эффективности.
Для получения дополнительной информации о судовых агрегатах и морской технике посетите Seamen.es. А если вы мечтаете о перерыве на воде, рекомендуем воспользоваться предложениями по аренде катеров в Торревьехе на Freewind.es.