Типы главных двигателей на судах. Двигатели внутреннего сгорания. Основные характеристики и принципы работы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА»

Кафедра «Кораблестроение и авиационная техника»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Морская энциклопедия»

ТИПЫ ГЛАВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА СУДАХ.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ»

Выполнил:

Моисеев Степан Романович

Проверила:

Калинина Надежда Викторовна

Нижний Новгород - 2013

Содержание

1. Типы главных двигателей на судах

2. Двигатели внутреннего сгорания

2.1 Создание ДВС

2.2 Типы ДВС

2.3 Классификация по октановому числу

2.4 Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня

2.5 Дизельные двигатели, с воспламенением от сжатия

3. Основные характеристики двигателей

4. Принцип работы.

Приложения

1. Типы главных двигателей на судах

Судовой двигатель - это механическое устройство, преобразующее энергию топлива в механическую энергию, которая приводит в движение судно, или питает электрогенераторы, насосы и другие устройства судна.

Судовой двигатель входит в состав судовой энергетической установки. Существует два типа судовых двигателей. Главные - обеспечивают движение судна и вспомогательные - служащие для привода электрогенераторов, насосов, вентиляторов и т. п. В качестве судовых двигателей используют двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины и газовые турбины. Особенностями с.д. являются: большой ресурс (долговечность), возможность реверсирования, умеренная трудоёмкость технического обслуживания, проводимого в судовых условиях (не трудно обслуживать), использование топлива в основном тяжёлых сортов, отсутствие жёстких ограничений по массе и размерам двигателя.

Паровые турбины используются в качестве главных двигателей на крупных Танкерах, Контейнеровозах, Газовозах и других судах, а также на судах с ядерной энергетической установкой. Применяются также как вспомогательные двигатели. Мощность паротурбинных установок достигает 80МВт, удельный эффективный расход топлива 260--300г/(кВтч), частота вращения турбины 3000--4000об/мин.

Газовые турбины в составе судовых двигателей применяются в основном в качестве главных двигателей на военных кораблях, транспортных судах на подводных крыльях и на судах на воздушной подушке. Транспортные водоизмещающие суда с газотурбинными двигателями имеются в СССР, США, Австралии. На судах используют газовые турбины индустриального типа, приспособленные для сжигания топлива тяжёлых сортов и техобслуживания на борту судна, а также авиационные газовые турбины с редуктором. Мощность газотурбинных установок транспортных судов 0,07-- 14,5МВт,удельный эффективный расход топлива 285--330г/(кВтч),частота вращения турбины 5000--8000об/мин. Перспективно применение газовых турбин мощностью 6--37МВтв качестве главных двигателей крупных судов с горизонтальным способом погрузки, паромов, судов ледового плавания и т. п., а также как вспомогательных двигателей.

двигатель корабельный дизельный

2. Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания - тепловой двигатель, преобразующий теплоту сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с паромашинной установкой ДВС:

а) Принципиально проще. Отсутствует паровой котёл.

б) Компактнее

в) Легче

г) Экономичнее

д) Потребляет газообразное и жидкое топливо строго определённого качества.

2.1 Создание ДВС

Первый практически пригодный двухтактный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьеном Ленуаром(1822--1900) в 1860 году. Мощность составляла 8,8кВт (12 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65%. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.

Познакомившись с двигателем Ленуара, выдающийся немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто (1832--1891) создал в 1863 двухтактный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель имел вертикальное расположение цилиндра, зажигание открытым пламенем и КПД до 15%. Вытеснил двигатель Ленуара.

В 1876 г. Николаус Аугуст Отто построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

В 1908 году главный инженер Коломенского завода Р.А. Корейво строит и патентует во Франции двухтактный дизель с противоположно-движущимися поршнями и двумя коленвалами. Дизели Корейво стали широко использоваться на теплоходах Коломенского завода. Выпускались они и на заводах Нобелей.

На первом в мире теплоходе -- нефтеналивной барже «Вандал», построенной в 1903 году в России на Сормовском заводе для «Товарищества Братьев Нобель», были установлены три четырехтактных двигателя Дизеля мощностью по 120 л. с. каждый. В 1904 году был построен теплоход «Сармат».

2.2 Типы ДВС

Поршневые двигатели -- камера сгорания содержится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

ДВС классифицируют

а) По назначению -- делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива -- легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси -- внешнее (карбюратор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют: рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, «двойной веер», ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

2.3 Классификация по октановому числу

Энергия передается на коленчатый вал двигателя от расширяющихся газов во время рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до объёма камеры сгорания повышает эффективность работы двигателя и увеличивает его КПД, но увеличение степени сжатия также увеличивает вызываемое сжатием нагревание рабочей смеси согласно закону Шарля.

Если топливо легко воспламеняемое, вспышка происходит до достижения поршнем ВМТ. Это, в свою очередь, заставит поршень провернуть коленвал в обратном направлении - такое явление называют обратной вспышкой.

Октановое число является мерой процентного содержания изооктана в гептан-октановой смеси и отражает способность топлива противостоять самовоспламенению под воздействием температуры. Топлива с более высокими октановыми числами позволяют двигателю с высокой степенью сжатия работать без склонности к самовоспламенению и детонации, и, стало быть, иметь более высокую степень сжатия и более высокий КПД.

Работа дизельных двигателей обеспечивается самовоспламенением от сжатия в цилиндре чистого воздуха или бедной газовоздушной смеси, неспособной к самостоятельному горению (газодизель) и отсутствия в заряде топлива до последнего момента.

2.4 Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня

Одним из основополагающих параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, тем больше диаметра цилиндра, чем больше двигатель. Самым оптимальным с точки зрения газодинамики и охлаждения поршня является соотношение 1:1. Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Наоборот, чем больше диаметр цилиндра, тем выше рабочие обороты двигателя и тем ниже его крутящий момент. При большем диаметре цилиндра/поршня сложнее обеспечить должный теплоотвод от донышка поршня ввиду его больших линейных размеров.

2.5 Дизельные двигатели, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела. Так как дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26). Это, в сочетании с длительным горением, обеспечивающим постоянное давление рабочего процесса, благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла -- более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

3. Основные характеристики двигателей

Основные характеристики двигателя внутреннего сгорания можно разделить на конструктивные характеристики и характеристики производительности.

К конструктивным характеристикам относятся рабочий объем, ход поршня и степень сжатия. К характеристикам производительности - мощность и крутящий момент.

Рабочий объём цилиндра двигателя - объём, расположенный между верхней и нижней мёртвой точкой поршня. Полный объём двигателя - совокупный объём всех его цилиндров.

Ход поршня - расстояние между верхней и нижней мёртвой точкой. Ход поршня подразделяется на короткий, длинный, равнозначный.

Короткий ход поршня - когда значение длинны хода поршня (мм) не превышает значение его диаметра (мм). Длинный ход поршня - когда значение длинны хода поршня (мм) превышает значение его диаметра (мм).

Равнозначный ход поршня - когда значение длинны хода поршня (мм) равно значению длины его диаметра (мм).

Степень сжатия - отношение рабочего объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Объём камеры сгорания - объём между днищем поршня и головкой блока, когда поршень находится в верхней мёртвой точке. Не путать степень сжатия с компрессией в цилиндрах двигателя.

Мощность - главный параметр оценки производительности двигателя. Мощность двигателя рассчитывается при проектировании двигателя и окончательно определяется при проведении практического испытания. Мощность двигателя это отношение работы ко времени, за которое эта работа была совершена.

Мощность = работа / время:

N = A / T,

где: N - мощность; A - работа; T - время.

Единицами измерения мощности являются:

а) Лошадиная сила - л.с.; б) Киловатт - кВт. Идею исчислять мощность автомобильных двигателей в лошадиных силах предложил Английский изобретатель парового двигателя Джеймс Ватт. Мощность, равная 1 лошадиной силе (ЛС) - это сила, необходимая для поднятия груза, массой 75 кг. на высоту в 1 м. за время в 1 сек. Измерение мощности автомобильного двигателя в лошадиных силах используется в основном в России и Германии. Современная мировая тенденция предполагает измерение мощности двигателя в кВт. В международной системе измерения СИ существует единица измерения мощности - Вт (ватт). Соотношение лошадиной силы (ЛС) и ватт (Вт). 1(ЛС) = 735.4Вт, следовательно, 100(ЛС) = 73.5кВт, или 100кВт = 136ЛС. Мощность двигателя зависит от времени его функционирования и возрастает пропорционально увеличению количества оборотов коленчатого вала. Величина оборотов коленчатого вала характеризует работу двигателя, совершённую за определённое время. Другими словами, чем выше скорость коленчатого вала - тем большую работу совершает двигатель, тем большей он обладает мощностью. Как правило, максимальную работу двигатель совершает при максимально допустимых оборотах коленчатого вала (приблизительно 6000 об/мин.) Работа вычисляется по формуле:

А = NT,

где: А - работа, N - мощность, Т - время.

Крутящий момент двигателя - это сила смещения поршня, вниз, умноженная на расстояние между осью шатунной шейки и осью коренной шейки коленчатого вала, Величина крутящего момента двигателя определяется усилием, с которым поршень давит на шатун, т.е. давлением газов, выделившихся при сгорании рабочей смеси. Представленный график показывает изменение характеристики крутящего момента в зависимости от количества оборотов коленчатого вала двигателя. Как можно заметить, крутящий момент достигает максимального значения при средних оборотах коленчатого вала, а при дальнейшем их увеличении - снижается.

4. Принцип работы

Такт всасывания (поступления топливовоздушной смеси в цилиндр).

Под воздействием внешнего усилия (стартёра двигателя, заводной ручки или инерции маховика), передаваемого поршню шатуном, поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Поскольку соединение между поршнем и цилиндром полностью герметично, в пространстве над поршнем образуется пониженное давление (разрежение). Под воздействием атмосферного давления воздух через впускной канал, и открытый впускной клапан, начинает поступать в цилиндр двигателя. В это время топливная форсунка распыляет в поступающем воздухе необходимое количество топлива, в результате чего в цилиндр поступает горючая топливовоздушная смесь. При достижении поршнем НМТ впускной клапан закрывается.

Такт сжатия.

Под воздействием внешнего усилия поршень перемещается из НМТ к ВМТ. При этом в цилиндре происходит сжатие топливовоздушной смеси. По окончании такта сжатия, когда поршень встаёт в положении ВМТ, вся топливовоздушная смесь находится в сжатом состоянии в камере сгорания. В это время свеча зажигания при помощи электрической искры воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. В дизельном двигателе в камеру сгорания при помощи топливной форсунки впрыскивается мелко распылённое топливо. В результате чего в обоих случаях происходит воспламенение смеси.

Рабочий такт.

При сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре резко поднимается температура и, главное, давление. Это давление равномерно давит во все стороны, но стенки камеры сгорания и цилиндра рассчитаны на это давления. А вод давление, оказываемое расширяющимися газами на поршень, днище которого является нижней частью камеры сгорания, заставляет поршень перемещаться вниз от ВМТ к НМТ. Это усилие через шатун передаётся на кривошип коленчатого вала, который преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение. При достижении поршнем НМТ открывается выпускной клапан.

Такт выпуска.

Под воздействием внешнего усилия, передаваемого на поршень через шатун, поршень перемещается из положения НМТ в положение ВМТ. Во время этого перемещения поршень вытесняет из цилиндра отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал и далее в атмосферу. И так, мы рассмотрели полный цикл двигателя, состоящий из четырех тактов. Далее этот цикл повторяется бесконечно, пока двигатель не будет выключен или не закончится бензин в баке автомобиля.

Наверное, Вы обратили внимание, что из четырёх тактов полезным является только один - рабочий такт. Именно во время этого такта вырабатывается необходимая энергия. Все другие такты являются вспомогательными. Возможно, такая конструкция может показаться не эффективной, но лучшего, по всем показателям, пока ничего не изобретено. Да, существуют двухтактные двигатели, в которых полный цикл осуществляется за один поворот коленчатого вала. Существует роторно-поршневой двигатель Ванкеля, в котором вообще нет деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, но этим конструкциям, при некоторых преимуществах, присущи свои недостатки, поэтому двигатели, работающие по четырёхтактному циклу Отто, в настоящее время имеют практически монопольное распространение в мире. И какой-либо замены им, в обозримом будущем, реально не предвидится.

Приложения

Приложение 1 - Двигатель Kawasaki

Приложение 2 - Wartsila Sulzer RTA96-C

Размещено на Allbest.ru