Тепловой расчет дизеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание основных систем дизеля - образца

1.1 Топливная система

Общее устройство и работа топливной системы. Топливная система ТЭМ2 включают в себя: топливный насос высокого давления, форсунки, топливные фильтры, вспомогательный топливоподкачивающий насос, топливоподогреватель, топливный бак и трубопроводы с арматурой. Взаимное расположение этих узлов и взаимосвязь между ними схематически изображено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема топливной системы: 1 -- пробка; 2 -- вентиль; 3 -- топливоподогреватель; 4 -- вспомогательный топливоподкачивающий насос; 5--фильтр грубой очистки; 6--пробный край; 7--разгрузочный клапан на 5,3 кг/см²; 8--фильтр тонкой очистки; 9 -- место подсоединения датчика для замера давления топлива; 10 -- форсунка; 11--дренажные трубки; 12 -- обратный шариковый клапан; 13 -- регулирующий клапан на 2,5 кг/см²; 14--топливный бак.

Топливо из топливного бака 14 по трубопроводу заборного устройства засасывается вспомогательным топливоподкачивающим насосом 4. На пути от бака до этого насоса топливо проходит через фильтры грубой очистки 5, где предварительно очищается от механических частиц. На тепловозе ТЭМ2 в отличие от других тепловозов установлено по два фильтра грубой очистки, что положительно сказывается на качестве очистки топлива.

Под напором, создаваемым вспомогательным насосом, топливо через фильтры тонкой очистки 8 нагнетается в коллектор насоса высокого давления. В войлочном фильтре тонкой очистки оно очищается от мельчайших частиц, не задержанных фильтрами грубой очистки. На трубопроводе перед фильтром тонкой очистки установлен разгрузочный клапан 7, отрегулированный на давление 5,3 кг/см², который предохраняет топливоподкачивающий насос от перегрузки. Если давление топлива до фильтра превысит указанную величину, клапан открывается, и топливо через отводящую трубу сливается в бак.

Из коллектора топливо порциями забирается плунжерными парами топливного насоса и по трубопроводу высокого давления подводится к форсункам 10 дизеля. Часть топлива, просочившегося через притирочные поверхности иглы и корпуса распылителя форсунки, по дренажным трубкам стекает в капельницы, затем в сливную коробку, откуда, вместе с топливом, просочившимся через плунжерные пары насоса, по сливной трубе возвращается в топливный бак.

Топливоподкачивающий насос подает в коллектор в несколько раз больше топлива, чем это необходимо для дизеля при работе на полной нагрузке. Избыток топлива из коллектора по трубопроводу через регулирующий клапан 13 отводится через подогреватель топлива 3 в топливный бак. топливный дизель цилиндр сгорание

Циркуляция топлива в коллекторе под давлением обеспечивает надежное заполнение насоса высокого давления и исключает подсос воздуха в систему.

Топливо подогревается горячей водой дизеля и сливается в нижнюю часть бака, где, смешиваясь с холодным, разогревает всю массу топлива, находящуюся в баке.

Тепловозы, начиная с ТЭМ1-1532, оборудованы аварийной системой питания дизеля топливом. Эта система предназначена для обеспечения работы дизеля тепловоза при выходе из строя топливоподкачивающего насоса и невозможности устранить возникшую неисправность силами локомотивной бригады. Топливо по специальному трубопроводу из бака через предварительно открытый кран 15, обратный шариковый клапан 12 и сетчатый фильтр грубой очистки топлива, расположенный в корпусе клапана, засасывается плунжерными парами насоса высокого давления.

Топливные фильтры. Находящиеся в топливе мельчайшие частицы, попадая вместе с топливом между трущимися деталями -- плунжером и гильзой насоса дизеля, иглой и корпусом распылителя форсунки, вызывают повышенный износ, задиры и даже прекращение работы топливной аппаратуры дизеля, а также заклинивание топливоподкачивающего насоса.

Фильтр тонкой очистки топлива (рис. 1.2) установлен на дизеле непосредственно перед насосом высокого давления. Он состоит из корпуса 2, отлитого из чугуна, в котором расположены две фильтрующие секции 6. Секции закрыты колпаками 8, прикрепленными к корпусу стяжными болтами 7. Для предотвращения утечки топлива между торцовыми поверхностями корпуса и колпаков установлены паронитовые прокладки 5.

Фильтрующая секция состоит из пакета войлочных пластин, набранных на сетчатый каркас. На каркас предварительно надевается шелковый чехол, который предотвращает попадание в топливный трубопровод вместе с топливом ворсинок, отделяющихся от войлочных пластин.

Топливо под давлением, создаваемым подкачивающим насосом, через штуцер 1, отверстие в пробковом кране 10 и по каналу, а в корпусе поступает в фильтр с наружной стороны войлочных пластин. Проходя через эти пластины, топливо очищается от механических примесей и по каналам б, отверстию в пробке и по трубопроводу поступает в коллектор насоса высокого давления. Пробка 12 предназначена для выпуска воздуха из фильтра, а пробка 9 -- для слива отстоя, а также для слива топлива перед снятием колпаков. Пробковый кран 10 позволяет во время замены фильтрующих секций или очистки их отключать одну из секций фильтра.

Рис.1.2. Фильтр тонкой очистки топлива: 1--штуцер; 2 -- корпус фильтра; 3 -- пружина; 4 -- стержень; 5--прокладка; 6--секция; 7---болт стяжной; 8--колпак; 9 -- пробка; 10 -- пробковый кран; 11--рукоятка; 12 -- пробка для выпуска воздуха.

Фильтры грубой очистки топлива. В качестве фильтрующих элементов в этих фильтрах применены две проволочно-щелевые секции. Состоит из тех же элементов, что и ФТО.

Топливоподкачивающий насос служит для подачи топлива к топливному насосу высокого давления дизеля. Производительность подкачивающего насоса 27 л в минуту при напоре на нагнетании 3 кг/см² и разрежении на всасывании не менее 100 мм рт. ст.

Топливоподкачивающий насос (рис. 1.3) представляет собой агрегат, состоящий из шестеренного насоса 4 и электродвигателя, установленных на общей фасонной плите 5, отлитой из чугуна, и соединенных между собой пальцевой муфтой 2. Корпус насоса и электродвигателя крепятся к плите болтами. Центровка валов насоса и электродвигателя производится за счет прокладок, подкладываемых под лапы электродвигателя. Их взаимное расположение после центровки фиксируется штифтами.

Рис. 1.3. Топливоподкачивающий насос: 1 -- электродвигатель, 2 -- муфта пальцевая; 3 -- ограждение, 4--насос шестеренный; 5--плита; 6--сильфон, 7 -- пружина; 8 -- втулка направляющая; 9 -- корпус; 10 -- звездочка; 11 -- втулка ведущая; 12--крышка с серповидным выступом; 13--палец; 14, 16 -- втулки; 15 -- накидная гайка; 17 -- вставка.

Топливный подогреватель. Подогреватель предназначен для прогрева топлива горячей водой дизеля в зимний период времени с целью поддержания требуемой вязкости топлива, так как с повышением вязкости увеличивается гидравлическое сопротивление при проходе топлива по трубопроводам и через фильтры, снижается качество распыливания и ухудшается процесс сгорания.

Подогреватель топлива имеет одинаковую конструкцию на тепловозах ТЭМ1 и ТЭМ2 и рассчитан на поддержание температуры топлива в топливном баке не ниже --20° С, а в месте забора топлива в дизель не ниже --10° С при температуре наружного воздуха -- 50° С.

Топливоподогреватель представляет собой трубчатый теплообменник. Состоит из цилиндрического сварного корпуса, в котором размещен нагревательный трубный элемент из 88 гладких стальных трубок и двух крышек. Концы трубок пропущены через отверстия в верхней и нижней трубных досках и приварены к ним с наружной стороны. По длине трубного элемента установлено восемь сегментных перегородок.

1.2 Система смазки

Общее устройство и работа системы смазки. Смазка необходима для уменьшения потерь на трение и износа трущихся деталей дизеля, отвода тепла от деталей, удаления продуктов износа и частиц нагара, попадающих между поверхностями трения. Система смазки дизеля включает в себя: шестеренный масляный насос дизеля, маслопрокачивающий насос, пластинчато-щелевые фильтры грубой очистки, сетчато-набивные фильтры тонкой очистки, центробежный фильтр очистки масла, охлаждающие масляные секции, перепускные, обратные и регулирующие клапаны и трубопроводы с арматурой.

Около 400 кг масла находится в маслосборнике рамы дизеля и системе. На тепловозе ТЭМ2 система заполняется через заправочную горловину центробежного фильтра очистки мазла.

Смазка дизеля -- принудительная, осуществляется при помощи масляного шестеренного насоса, установленного на дизеле. Масло по каналу (отлитому в раме дизеля) черев стальную сетку забирается насосом из маслосборника рамы двигателя и под давлением подается по трубопроводу через обратный клапан в секции холодильника. Охлажденное масло через пластинчато-щелевые фильтры грубой очистки поступает в масляную магистраль дизеля. После смазки деталей и узлов дизеля масло сливается в маслосборник рамы дизеля.

Между трубопроводом, подводящим масло к охлаждающим секциям и отводящим от них, установлен перепускной клапан. На тепловозе ТЭМ2 клапан отрегулирован на давление 1,65 кГ/см². Клапан служит для перепуска масла на смазку дизеля, минуя охлаждающие секции холодильника, если разница в давлениях масла до секций и после них превысит величину настройки клапана. Перепуск масла обычно происходит при загрязненных секциях холодильника или холодном масле, имеющем повышенную вязкость.

На трубопроводах после холодильника и до него установлены два вентиля, которые служат для отключения холодильника во время его ремонта, а также для кратковременного отключения его при необходимости запуска дизеля на холодном масле, с тем, чтобы ускорить прогрев масла в системе. На входе в дизель, перед щелевыми фильтрами, регулирующим клапаном поддерживается избыточное давление масла, равное 3 кг/см². При повышении давления выше указанного избыток масла через регулирующий клапан и подсоединенный к нему трубопровод сливается в маслосборник.

Часть масла из системы перепускается через обратный клапан к сетчато-набивным фильтрам тонкой очистки. Обратный клапан настроен на давление несколько ниже давления, поддерживаемого регулирующим клапаном. Благодаря этому обеспечивается практически постоянное прохождение части масла -- 15-- 20% -- через фильтры тонкой очистки. Масло, прошедшее через фильтры, по трубопроводу сливается в маслосборник.

Чтобы уменьшить износ трущихся частей дизеля при пуске, в системе установлен маслопрокачивающий насос (одинаковой конструкции с топливоподкачивающим), который перед пуском дизеля в течение 30 сек обеспечивает смазку трущихся поверхностей до начала подачи масла насосом дизеля. После указанного времени маслопрокачивающий насос автоматически отключается. Для предотвращения слива масла через зазоры масляного насоса дизеля в маслосборник рамы во время работы маслопрокачивающего насоса на трубопроводе установлен обратный клапан.

На тепловозе ТЭМ2 смазка редуктора вентилятора осуществляется специальным масляным насосом, встроенным в редуктор.

На трубопроводах предусмотрены бонки для установки датчика электротермометра, контролирующего температуру масла, а также датчика термореле, служащего для регулирования температуры масла в системе. Датчик злектроманометра устанавливается на 7-й опоре распределительного вала дизеля через демпфер.

Смазка дизеля. Смазка трущихся поверхностей узлов и деталей дизеля осуществляется под давлением, за исключением стенок втулок цилиндров, поршней и шестерен передач, которые смазываются разбрызгиванием.

Полость и маслопровод рамы, расположенные за щелевым фильтром, служат главной масляной магистралью дизеля, от которой по двадцати двум трубкам масло подводится ко всем узлам дизеля. Из полости масло по трубке подводится к реле давления масла. Смазка зубьев шестерен привода масляного насоса осуществляется за счет разбрызгивания масла, вытекающего из зазоров подшипников.

Из маслопровода масло по семи трубкам подводится к коренным подшипникам коленчатого вала, откуда по отверстиям в кривошипах поступает сначала к шатунным подшипникам, а затем по каналам в шатунах на смазку поршневых пальцев. Вытекающее из зазоров коренных и шатунных подшипников масло разбрызгивается коленчатым валом и смазывает стенки цилиндров и поршни. Отработавшее масло снимается со стенок цилиндров маслосъемными кольцами поршней и через сквозные радиальные отверстия в них сбрасывается в маслосборник рамы.

По семи трубкам масло подводится к опорам распределительного вала и по шести трубкам -- к каналам осей рычагов толкателей. Установленная в задней части маслопровода трубка подводит масло к оси паразитной шестерни, которая вращаясь, разбрызгивает масло, вытекающее из ее радиальных отверстий, на зубья шестерен привода механизма газораспределения, топливного и водяного насосов.

От седьмой опоры распределительного вала по трубке масло поступает к тройнику, где оно разветвляется на два потока.

По радиальному каналу средней опоры и через продольный канал картера топливного насоса масло подводится к гнездам толкателей, откуда через горизонтальную смазочную канавку на наружной поверхности корпуса толкателя и горизонтальный канал поступает в радиальные сверления пальца, а затем на смазку опорной поверхности ролика.

Подвод масла к приводу регулятора осуществляется через каналы кулачкового вала, которые сообщаются с масляной полостью большой цилиндрической шестерни. Брызги масла от вращающихся цилиндрических шестерен смазывают конические шестерни привода регулятора. Центрифуга (рис. 1.4) представляет собой центробежный фильтр тонкой очистки масла, работающий по принципу реактивного колеса. Производительность центрифуги составляет 2,2--3 м³ за 1 ч работы.

Рис.1.4. Центрифуга: 1--заливная горловина; 2 -- корпус центрифуги; 3-- крышка; 4--кожух; 5 --внутренний корпус ротора; 6 -- наружный корпус ротора; 7 -- упорный шарикоподшипник; 8-- бронзовая втулка; 9--полая ось; 10--сопло; 11--редукционный клапан.

Основной частью центрифуги является ротор, который состоит из внутреннего 5 и наружного 6 корпусов. Опорами ротора служат упорный шарикоподшипник 7, установленный в корпусе 2, и две бронзовые втулки 8, запрессованные в корпусах 5 и 6. Ось ротора крепится к корпусу 2 и жестко фиксируется в кожухе 4. Масло из нижней полости рамы всасывается насосом центрифуги и под давлением 4,5--6кГ/см² поступает в корпус 2 и по каналу и двум радиальным отверстиям оси 9 заполняет полость корпуса 6. Заполнив корпус 6, масло проходит к соплам 10 и, вырываясь из них и создавая реактивный момент, вращает ротор со скоростью 4 000--5 000 об/мин. При этом находящиеся в масле частицы грязи под действием центробежной силы осаждаются на внутренних стенках ротора. Очищенное масло, выходящее из сопла 10, стекает по каналам корпуса 2 в раму дизеля.

На случай засорения сопел 16 в нижней части корпуса центрифуги установлен редукционный клапан 11, который при давлении масла на входе 6,5--8 кГ/см² перепускает неочищенное масло в раму дизеля. Очистка корпусов 5 и 6 от шлама производится при снятом кожухе 4 и роторе.

Насос центрифуги шестеренного типа служит для подачи масла из нижней части рамы в центрифугу. Ведущая шестерня 9 насажена на шпонке на вал 11, опирающийся на две бронзовые втулки 2 и 12, одна из которых запрессована в корпусе 1, а другая -- крышке. Вал имеет на конце коническую шестерню 4, которая входит в зацепление с ведущей шестерней привода масляного насоса дизеля. Ведомая шестерня 16 с бронзовой втулкой 15 свободно насажена на ось 14, запрессованную в корпусе 1.

Для смазки трущихся деталей насоса во втулках ведущего вала предусмотрены смазочные канавки, а во втулке ведомой шестерни -- отверстия. Принцип действия насоса центрифуги аналогичен принципу действия масляного насоса дизеля.

Масляный насос дизеля. Масляный насос шестеренчатого типа производительностью 24м³/ч предназначен для подачи смазки ко всем трущимся поверхностям дизеля. Рабочими элементами насоса являются две стальные косозубые шестерни -- ведомая и ведущая, размещенные в корпусе, отлитом из антифрикционного чугуна. Каждая из шестерен имеет 11 зубьев и опирается на два подшипника (бронзовые втулки), запрессованные в чугунные крышки.

Для передачи вращения от коленчатого вала шестерням насоса один хвостовик ведущей шестерни удлинен и имеет шлицы, посредством которых, а также втулки 10 соединяется с валом привода.

Масляные фильтры. При работе дизеля с течением времени происходит изменение состава смазочного масла. В масле постепенно накапливаются мелкие металлические частицы, являющиеся результатом износа и истирания поверхностей трения деталей и узлов дизеля. Кроме того, циркулирующее в системе дизеля масло смывает и уносит с собой частицы, остающиеся на деталях при недостаточной их очистке после изготовления или ремонта. Значительное количество посторонних частиц может попадать в масло при разборке и сборке отдельных агрегатов дизеля. В масле накапливаются также твердые частицы вследствие собственного окисления, а также частицы нагара, проникающие в картер дизеля из камеры сгорания в зазоры между цилиндровыми гильзами и поршневыми кольцами.

Очистка масла в системах смазки производится в фильтрах грубой и тонкой очистки путем непрерывной многоступенчатой фильтрации. Для этой же цели на тепловозе ТЭМ2 служит центробежный маслоочиститель.

Фильтр грубой очистки (рис. 1.5) щелевого типа. К корпусу 7 фильтра с помощью трех стоек 14, ввернутых на резьбе в его торец, шайбами 10 и 11 и гайками 12 прикреплен фильтрующий элемент, набранный из пластин 18 толщиной 0,3 мм, между которыми помещены звездообразные прокладки 17 толщиной 0,15 мм. Прокладки имеют меньший наружный диаметр по сравнению с наружным диаметром рабочей пластины, вследствие этого по периметру между рабочими пластинами образованы щели, по величине равные толщине прокладки.

Рабочие пластины и прокладки набраны на валик 16 и могут поворачиваться только вместе с ним. В щели между пластинами входят концы ножей 15 толщиной 0,1 мм, набранных на неподвижный стержень 9, закрепленный между корпусом и нижней шайбой. При вращении валика рукояткой б вместе с ним поворачиваются рабочие пластины с звездообразными прокладками. При этом неподвижные ножи счищают грязь, застрявшую в щелях между пластинами фильтра.

Рис. 1.5. Щелевой фильтр грубой очистки масла: 1 - шпилька крепления фильтров; 2 - маслоотводящая полость; 3 -- масляная магистраль дизеля; 4--корпус привода масляного насоса; 5 -- полость подвода масла к фильтрам; 6--рукоятка; 7--корпус; 8 - окна в корпусе фильтра; 9 -- стержень; 10 -- шайба; 11 -- нижняя шайба; 12 -- гайка; 13 -- каналы для прохода масла; 14 -- стойка; 15--неподвижные ножи; 16---валик; 17 -- прокладка; 18 -- пластина; 19 -- направляющая планка; 20 -- средняя шайба; 21 -- малая шайба.

Масло из охлаждающих секций тепловоза проходит в щели между рабочими пластинами фильтра и по каналам 13, образованным вырезами пластин, поступает во внутреннюю полость корпуса фильтра, а оттуда через окна 8 -- в полость очищенного масла и далее по трубопроводу в масляную магистраль дизеля 3.

Фильтр тонкой очистки масла состоит из цилиндрического сварного корпуса с днищем и фланцем, к которому на четырех откидных болтах крепится крышка. Внутри корпуса размещен фильтрующий элемент, состоящий из двух цилиндрических сеток, снизу закрытых днищем, а сверху крышкой. Внутрь сетки через днище и крышку проходит полая втулка с двумя отверстиями на боковой поверхности.

Верхний конец втулки закрыт шариковым клапаном, удерживаемым в верхнем положении пружиной. Нижний конец пружины опирается на опорное кольцо на верхнем конце втулки. Пространство между сетками заполнено однониточной хлопчатобумажной набивкой. С целью устранения перемещения фильтрующего элемента внутри корпуса он прижимается к нижнему днищу корпуса пружиной, установленной между крышкой корпуса и верхом фильтрующего элемента.

Масло из магистрали дизеля снизу по патрубку подводится под давлением в полость между корпусом фильтра и сеткой. Пройдя через наружную сетку, хлопчатобумажную набивку и внутреннюю сетку, отфильтрованное масло через два отверстия проходит во втулку, а затем по трубопроводу сливается в маслосборник.

Если фильтрующий материал засорился и создает большое гидравлическое сопротивление проходу масла, открывается шариковый клапан, и масло, минуя фильтрующий элемент, поступает внутрь втулки, а оттуда в маслосборник.

1.3 Система охлаждения дизеля

На тепловозе ТЭМ2 дизель имеют водяное охлаждение с принудительной циркуляцией воды, создаваемой водяным насосом центробежного типа.

При работе дизеля водяной насос по внешнему трубопроводу и каналу, отлитому внутри блока с правой стороны, забирает воду из секций холодильника, а в зимнее время также из калорифера, батареи обогрева ног машиниста, топливоподогревателя и нагнетает ее в вертикальный канал, отлитый в блоке возле шестого цилиндра. Одновременно по отдельному трубопроводу вода нагнетается в водяные полости охлаждения турбокомпрессора дизеля.

Из вертикального канала вода поступает в нижнюю часть водяного пространства блока, куда также отводится и нагретая вода из турбокомпрессора, где она смешивается с общим потоком воды, охлаждающей дизель. Охлаждая в первую очередь менее нагретые нижние части цилиндровых гильз, вода поднимается вверх и омывает более нагретые части, нагреваясь при этом сама. Из блока цилиндров через 48 водоперепускных отверстий (по восьми отверстиям вокруг каждого цилиндра) вода поступает для охлаждения крышек цилиндров, а затем по патрубкам, прикрепленным к каждой крышке со стороны выпускных коллекторов, отводится в водяной коллектор дизеля. Из коллектора основной поток воды по присоединенному к нему трубопроводу идет на охлаждение в водяные секции 38 и 40 холодильной камеры. Часть воды из верхней точки трубопровода через кран отводится в расширительный бак для удаления находящегося в воде воздуха.

Расширительный бак (емкостью 200 л) расположен выше уровня воды в системе и соединен переливной трубой с атмосферой, а трубой -- с трубопроводом, отводящим воду из секций холодильника к водяному насосу для постоянной подпитки системы водой. Подпитка системы компенсирует потери воды на испарение и утечки через сальник водяного насоса. Кроме того, расширительный бак также компенсирует изменение объема воды при изменении ее температуры.

Водяной контур охлаждения наддувочного воздуха состоит из водяного центробежного насоса, отдельных охлаждающих водяных секций, водовоздушного охладителя дизеля, расширительного бака емкостью 50 л и трубопроводов с арматурой.

Расширительный бак системы охлаждения наддувочного воздуха конструктивно объединен с расширительным баком системы охлаждения дизеля в один общий бак, разделенный на два отсека двойной перегородкой. Оба бака в нижней части соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем, а в верхней -- трубкой, которой бак наддувочного контура соединяется с атмосферой.

При работе дизеля водяной насос забирает воду из секции холодильника и прокачивает ее под давлением через водовоздушный охладитель, охлаждая наддувочный воздух. Нагретая вода по трубопроводу, присоединенному к верхней крышке воздухоохладителя, отводится на охлаждение в секции холодильной камеры. Часть воды из верхней точки трубопровода через кран отводится в расширительный бак для удаления вместе с водой находящегося в ней воздуха.

Контроль за температурой воды на входе в воздухоохладитель осуществляется по электротермометру. На тепловозах, начиная с ТЭМ2-500, предусмотрен подогрев воды для рукомойника. Подогрев производится в специальном бачке с помощью змеевика, через который при открытом кране пропускается часть горячей воды из системы охлаждения дизеля.

Водяной насос. Водяной насос центробежного типа имеет производительность 90 м³/ч при напоре 2--2,1 кг/см² и 1 780 об/мин (что соответствует 740-- 750 об/мин вала дизеля).

Чугунный корпус 5 насоса и станина 15 соединены между собой болтами. В корпусе вращается крыльчатка 5, насаженная на шпонке на конец вала 17 и закрепленная гайкой-обтекателем 3. Вал установлен в станине на двух шарикоподшипниках 10 и 11 и приводится во вращение от шестерни 14, насаженной на вал со стороны, противоположной крыльчатке. Шестерня 14 входит в зацепление с шестерней привода вала топливного насоса. Передаточное отношение от коленчатого вала к валу водяного насоса равно 2,4. Водяная полость насоса уплотнена набивным сальником 9. Сальник поджимается двумя гайками через нажимную сальниковую втулку 18. Для предотвращения попадания воды через подшипники в масляную полость насоса служит лабиринтное уплотнение а.

Рис. 1.6. Водяной насос дизеля

Со стороны крыльчатки к корпусу насоса присоединен всасывающий патрубок 1, который фланцем крепится к всасывающему каналу, отлитому в блоке дизеля. К блоку дизеля насос присоединен также нагнетательным каналом и нижним фланцем.

При работе дизеля вода из системы через всасывающий патрубок насоса поступает на лопатки крыльчатки и центробежной силой выталкивается в нагнетательную полость б, откуда идет на охлаждение нагретых частей двигателя и турбокомпрессора.

Для разгрузки крыльчатки от осевого усилия в диске крыльчатки выполнены два отверстия, через которые вода заполняет полость в между крыльчаткой и корпусом насоса, создавая одинаковое давление с обеих сторон диска крыльчатки. Из этой же полости вода поступает на смазку сальникового уплотнения Канал г выходит из нижней части нагнетательной полости на привалочную поверхность нижнего фланца, который совпадает с каналом в блоке цилиндров. Смазка шарикоподшипников насоса осуществляется за счет разбрызгивания смазочного масла приводной шестерней. В верхней части станины насоса имеется отверстие, закрываемое пробкой, через которое заливается масло во внутреннюю полость станины для смазки подшипников после длительной стоянки двигателя.



2. Тепловой расчет дизеля

Расчет параметров рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания (ДВС) выполняется по методу Гриневецкого - Мазинга, который учитывает основные факторы окружающей среды, влияющие на рабочий цикл дизеля.

Целью теплового расчета является определение термодинамических параметров (давление Р, температура Т, объем V) в характерных точках рабочего цикла: точка а - конец наполнения, начало сжатия; точка с - конец сжатия, начало изохорического сгорания; точка z - конец изохорического сгорания, начало изобарического сгорания; точка z `- конец изобарического сгорания, начало расширения; точка b - конец процесса расширения, начало выпуска; точка r - конец процесса выпуска, начало процесса наполнения.

2.1 Расчет процесса наполнения

Давление воздуха за ФНД, МПа,

, (2.1)

где =0,1013 - атмосферное давление, МПа;

=0,0025 - потеря давления воздуха в ФНД, мм. вод. ст.

МПа.

Температура воздуха за ФНД, К,

, (2.2)

где = 293 - температура окружающей среды, К;

= 3 - снижение температуры воздуха в ФНД, К.

К.

Рис. 2.1. Система воздухоснабжения дизеля

Предполагая, что сжатие воздуха в агрегатах наддува (ТК, ПК) производится по политропе со средним показателем , давление и температура воздуха после первой ступени рассчитываются:

, (2.3)

, (2.4)

где - адиабатный коэффициент полезного действия компрессора турбокомпрессора.

Адиабатный КПД тепловозных центробежных компрессоров для номинального режима работы определяется по выражению:

, (2.5)

где =300 - диаметр колеса компрессора, мм.

,

МПа,

К.

Давление и температура воздуха после ОХНВ определяются по формуле:

; (2.6)

, (2.7)

где =(0,02 - 0,04) - потеря давления в воздухоохладителе, МПа;

=(20 - 60) - понижение температуры воздуха в воздухоохладителе.

МПа,

К.

Давление в выпускном коллекторе, МПа,

. (2.8)

МПа.

Давление в начале сжатия определяется по формуле, МПа:

. (2.9)



МПа.

Температура свежего заряда в начале сжатия, К,

, (2.10)

где = 13 - подогрев заряда от стенок цилиндра;

= 0,02 - коэффициент остаточных газов;

= 750 - температура остаточных газов, К.

К.

Коэффициент наполнения четырёхтактных двигателей, отнесённый к полному ходу поршня,

, (2.11)

где е =11,5 - степень сжатия.

.

Коэффициент избытка продувочного воздуха,

, (2.12)

где =1,15 - коэффициент продувки.

.

Суммарный коэффициент избытка воздуха,



, (2.13)

где =2,09 - коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива.

2.2 Расчет процесса сжатия

Теплоемкость рабочего тела в цилиндре двигателя зависит от состава и температуры смеси. В расчетах используются средние мольные теплоемкости - изохорные () и изобарные (). Разность между ними (-) есть величина постоянная и равная 8,315 кДж/(кмольК). Если действительный характер изменения средней теплоемкости задать приближенной зависимостью вида , то расчеты можно значительно упростить.

Тогда средние мольные теплоемкости сухого воздуха в интервале температур от 0 до Т определяются по формулам, кДж/(кмольК):

; (2.14)

. (2.15)

Таким образом, средняя мольная изохорная теплоемкость смеси и продуктов сгорания в рассматриваемый период для принятого топлива согласно правилу смешивания для газов определится по формуле, кДж/(кмольК),

. (2.16)



Для процесса сжатия (=0, точка с):

, (2.17)

Где

(2.18)

(2.19)

В конце видимого процесса сгорания (точка z):

(2.20)

Где

(2.21)

(2.22)

В конце процесса сгорания ( точка b):

(2.23)

где

(2.24)

(2.25)

Средний показатель политропы сжатия:

. (2.26)

Решение уравнения (2.26) относительно проводим с использованием графического метода.

В результате решения получаем.

Давление в конце процесса сжатия, МПа,

, (2.27)

МПа.

Температура в конце процесса сжатия, К,

, (2.28)

К.

Подставляя значения в формулу (2.17), получаем:

кДж/(кмоль·К).

2.3 Расчет процесса сгорания

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле Менделеева с учетом принятого элементарного состава, кДж/кг,

(2.29)

где C=0,845; H=0,136; O=0,012; S=0,006,

кДж/кг.

Количество воздуха для сгорания, кмоль/кг:

теоретически необходимое -

(2.30)

кмоль/кг.

действительное -

, (2.31)

кмоль/кг.

Коэффициент молекулярного изменения:

химический -

(2.32)

действительный -

(2.33)

.

Доля топлива, сгоревшего в точке z,

(2.34)

где - коэффициент использования теплоты в точке z;

- коэффициент использования теплоты к концу сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения в точке z,

(2.35)

Средняя мольная изобарная теплоемкость смеси в точке z, кДж/(кмольК),

, (2.36)

Подставляя значения в формулы (2.21) и (2.22), получаем:

;

;

Температура рабочего тела в конце видимого сгорания (точка z) определяется в результате решения термодинамического уравнения сгорания:

(2.37)

где л = 1,51 - степень повышения давления в цилиндре двигателя при изохорическом сгорании топлива.

(2.38)

(2.39)

Решая уравнение (2.37), находим T_z:

0,00311T²_z + 29,419T_z - 55948,63= 0 (2.40)



Решая данное уравнение относительно T_z как квадратное уравнение, получаем:

T_z =1623,301 К.

Подставляя значения в формулу (2.38),(2.36) и (2.40), получаем:

кДж/(кмоль·К).

кДж/(кмоль·К).

кДж/(кмоль·К).

При расчетах рабочего цикла обычно задаются степенью повышения давления л, определяющей максимальное давление сгорания, МПа,

(2.41)

МПа.

2.4 Расчет процесса расширения

Степень предварительного расширения,

, (2.42)

Степень последующего расширения,



, (2.43)

Средний показатель политропы расширения определяется по уравнению:

(2.44)

Решение уравнения (2.46) относительно проводим с использованием графического метода.

Подставляя значения в формулы (2.21) и (2.22), получаем:

В результате решения получаем .

Температура в конце процесса расширения, К,

(2.45)

К.

Давление газов в конце процесса расширения, МПа,

, (2.46)

МПа.

Среднее индикаторное давление теоретического цикла, отнесенное к полезному ходу поршня, МПа,

(2.47)

Среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа,

(2.48)

где о₀=0,93 - коэффициент полноты индикаторной диаграммы

МПа.

Индикаторный КПД,

(2.49)

Индикаторный расход топлива, кг/(кВт ч),

(2.50)

кг/(кВт ч).

2.5 Расчет эффективных показателей двигателя

Эффективный КПД двигателя,

(2.51)

где =0,9 - механический КПД собственно двигателя.

Эффективный расход топлива, кг/(кВт ч),

(2.52)

кг/(кВт ч).

Среднее эффективное давление, МПа,

(2.53)

МПа.



2.6 Определение основных размеров цилиндра двигателя

Рабочий объем цилиндра двигателя, м³,

(2.54)

где N_e = 800 - эффективная мощность дизеля, кВт;

ф = 4 -тактность;

z = 8 - число цилиндров;

n = 750 -частота вращения.

м³.

Диаметр цилиндра, м,

, (2.55)

где ,0377 - отношение хода поршня к диаметру цилиндра.

(м).

Объем камеры сжатия, м³,

(2.56)

м³.

Объем, соответствующий точке z, м³,

(2.57)

м³.

Полный объем цилиндра, м³,

, (2.58)

(м³)

Таблица 2.1 Параметры рабочего тела в характерных точках индикаторной диаграммы

Процесс рабочего цикла	Термодинамическая характеристика процесса	Конечная (характерная) точка процесса	Параметры рабочего тела в характерных точках
Наполнение	Изобара	а
Сжатие	Политропа со средним показателем	с
Изохорическое сгорание	Изохора
Изобарическое сгорание	Изобара
Расширение	Политропа со средним показателем
Выпуск	Изобара



3. Построение индикаторной диаграммы

3.1 Расчет и построение индикаторной диаграммы

Значения параметров рабочего тела на участках сжатия и расширения рассчитываются по текущей степени сжатия:

(3.1)

где полный и текущий объем цилиндра, ,

, (3.2)

где - площадь поршня, ;

- ход поршня, соответствующий текущему значению угла поворота коленчатого вала двигателя, м.

Площадь поршня, ,

(3.3)

где D - диаметр цилиндра, м.

.

Текущее значение хода поршня, м,

(3.4)

где S = 0,33 - полный ход поршня, м;

ц - текущее значение угла поворота коленчатого вала, °п.к.в.;

= 0,224 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Текущее давление для политропы сжатия, МПа,

, (3.5)

где - давление в начале сжатия, МПа;

n1 - средний показатель политропы сжатия.

Текущее давление для политропы расширения, МПа,

, (3.6)

где - давление в конце процесса расширения, МПа;

n2 - средний показатель политропы расширения.

Таблица 3.1 Расчет политроп сжатия и расширения индикаторной диаграммы

Угол поворота КВ ц°, ПКВ	Ход поршня X,м	Объём цилиндра Vx, м3	Степень сжатия, еx	Политропа
				сжатия	расширения
				еxn1	Px, МПа	еxn2	Px, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8
0	0,000	0,002	11,504	27,449	2,890	20,676	7,177
10	0,003	0,003	10,462	24,133	2,541	18,380	6,380
20	0,012	0,003	8,255	17,501	1,843	13,700	4,755
30	0,027	0,004	6,157	11,761	1,238	9,525	3,306
40	0,046	0,006	4,598	7,915	0,833	6,631	2,302
50	0,070	0,008	3,522	5,515	0,581	4,765	1,654
60	0,097	0,010	2,787	4,014	0,423	3,564	1,237
70	0,125	0,012	2,277	3,052	0,321	2,774	0,963
80	0,155	0,014	1,916	2,416	0,254	2,240	0,778
90	0,184	0,017	1,656	1,982	0,209	1,869	0,649
100	0,212	0,019	1,465	1,678	0,177	1,605	0,557
110	0,238	0,021	1,323	1,461	0,154	1,414	0,491
120	0,262	0,023	1,216	1,304	0,137	1,275	0,443
130	0,282	0,024	1,137	1,190	0,125	1,173	0,407
140	0,299	0,025	1,078	1,108	0,117	1,098	0,381
150	0,313	0,026	1,036	1,050	0,111	1,045	0,363
160	0,322	0,027	1,008	1,011	0,106	1,010	0,351
170	0,328	0,028	0,992	0,989	0,104	0,990	0,344
180	0,330	0,028	0,986	0,982	0,103	0,983	0,341

Положение точки b (начало открытия выпускных клапанов) на линии расширения определяется с использованием круговой диаграммы Брикса. Для этого на базе отрезка строится полуокружность с центром в точке О, от которого в сторону наружной мертвой точки откладывается поправка Брикса:

, (3.7)

(мм).

Из построенной таким образом центра О' под углом опережения открытия выпускных клапанов проводится прямая до пересечения с окружностью (прямая О'К'). Точка пересечения прямой О'К' с окружностью проектируется на кривую расширения, где и находится точка b" (точка, соответствующая началу открытия выпускных клапанов). Индикаторная диаграмма представлена на рис. 3.1.

b"=50° - угол открытия выпускных клапанов.



3.2 Определение среднего индикаторного давления графическим методом

Среднее индикаторное давление графическим методом определяется с использованием формулы Симпсона, для чего построенная теоретическая индикаторная диаграмма (Приложение А) разбивается на четное число частей (не менее 20).

Площадь фигуры определяется по выражению, :

(3.8)

где h - интервал разбиения, мм;

(3.9)

(3.10)

(3.11)

разность ординат в начальной и конечной точках процесса, мм;

разность ординат в нечетных точках деления, мм;

разность ординат в четных точках деления, мм.

Индикаторная диаграмма разбивается на 20 частей.

Интервал разбиения h= 10 (мм).

Соответствующие замеренные значения ДР_i подставляются в формулы (3.9), (3.10) и (3.11):

S₁=60+0=60 (мм²);

S₂ = 4·(200+81+65+49+39+32+25+22+19+15)= 2188 мм²;

S₃ = 2·(98+76+57+44+35+28+23+20+18) = 798 мм².

Подставляя значения в формулу (3.8), получаем:

S_асс1zba=10·(60+2188+798)/3=10153,3 мм².

Тогда среднее индикаторное давление определится по формуле, МПа:

(3.12)

где m_p= 70 - масштаб по оси давления, мм/МПа;

L_h = 200 - длина отрезка, соответствующая объему , мм.

МПа;

Полученное значение Р_i сравнивается с полученным ранее значением среднего индикаторного давления Р_i = 0,71, расхождение которых не должно превышать 0,02 МПа:

0,725 - 0,71 = 0,015 МПа.

Т.к. расхождение значений среднего индикаторного давления удовлетворяет условию Д = 0,02, значит индикаторная диаграмма построена верно.



4. Динамический расчет двигателя

Значения сил и моментов, действующих в двигателе, определяются силой давления газов в цилиндре (), силами инерции поступательно () и вращательно () движущихся масс, центробежными силами инерции (), силами сопротивления, силами трения и весом деталей кривошипно-шатунного механизма (G) (рис 4.1.).

Рис 4.1. Силы и моменты, действующие кривошипно-шатунном механизме двигателя

За полный рабочий цикл сила давления газов , силы инерции ,, эффективный момент и момент сопротивления изменяются как по значению, так и по направлению.

Центробежная сила изменяется только по направлению. Сила тяжести деталей шатунно-поршневой группы G остается постоянной по значению и направлению.

Для расчета деталей двигателя на прочность и износостойкость вычисляются удельные (приходящиеся на 1 площади поршня) максимальные, минимальные и средние значения сил и моментов для ряда последовательных положений кривошипа. Силы и моменты определяются для расчетного (номинального) режима работы двигателя.

Используя индикаторную диаграмму (Приложение А), рассчитывают зависимость избыточного давления газов от угла поворота коленвала . Построение диаграммы производится от ВМТ (начало сжатия).

Удельная сила избыточного давления газов, Н/,

, (4.1)

где удельное давление среды на поршень со стороны картера двигателя, МПа.

Диаграмма избыточного давления строится следующим образом. Под индикаторной диаграммой на базе отрезка строится полуокружность (основная) с центром О. От центра О в сторону НМТ откладывается поправка Брикса, получается центр О' полуокружности, из которого произвольным радиусом проводится дополнительная окружность. Она разбивается на равные части по 20°п.к.в.. Из центра О' через точки разбиения проводятся радиусы до пересечения с основной окружностью, где и получаются расчетные точки, соответствующие определенному углу поворота коленвала. Полученные точки проектируются на линии индикаторной диаграммы, где в соответствующем масштабе определяется сила давления газов (Р) для определенного угла поворота коленчатого вала. Затем по выражению (4.1) рассчитывается сила избыточного давления газов и строится диаграмма .

Удельная сила инерции поршня, Н/,

(4.2)

где масса поршня в сборе, кг;

R - радиус кривошипа, м ( R=0,13м);

площадь поршня, ;

щ - угловая скорость вращения вала, .

Угловая частота вращения вала, с,

(4.3)

где n = 750 - частота вращения вала двигателя, мин.

щ =78,5 с.

При вращении коленвала шатун совершает сложное движение, которое можно рассматривать как результат двух перемещений:

поступательного (с поршнем вдоль оси цилиндра);

вращательного (вокруг оси поршневого пальца).

Силу инерции шатуна обычно заменяют двумя: силой инерции части массы шатуна, совершающей поступательное движение вместе с поршнем, и силой инерции остальной части массы шатуна, сосредоточенной на цапфе кривошипа и вращающейся вмести с ней.

Удельная сила инерции шатуна, отнесенная к пальцу поршня, Н/,

(4.4)

где масса шатуна, кг.

Удельная сила инерции части массы шатуна, отнесенная к цапфе главного вала,

(4.5)

При равномерном вращении коленчатого вала двигателя колено будет давать лишь одну центробежную силу, удельная величина которой определится по формуле, Н/:

(4.6)

где - масса колена (двух щек и цапфы), кг;

- расстояние центра тяжести колена от оси вала, м.

При проведении расчетов истинную массу колена заменяют массой, приведенной к радиусу кривошипа, кг:

(4.7)



тогда

(4.8)

Для определения расстояния от центра тяжести колена до оси вала используем следующую расчетную схему.

Рис. 4.2. Схема определения расстояния от центра тяжести колена до оси вала

Составив уравнение равновесия моментов сил относительно оси О-О, получим:

(4.9)



где вес щеки и шатунной шейки, Н;

расстояние от оси вращения вала до центра тяжести щеки и шатунной шейки соответственно, м.

С учётом плотности материала вала (чугун, с=78000 Н/м³) определяется вес коренной, шатунной шеек и щеки вала соответственно:

(4.11)

где d_к = 0,24 м - наружный диаметр коренной шейки;

d_к.в. = 0 м - внутренний диаметр коренной шейки;

l_{к. ш.} = 0,17 м - длина коренной шейки.

= Н.

(4.12)

где d_ш = 0,21 м - наружный диаметр шатунной шейки;

d_{ш. в.}= 0,09 м - внутренний диаметр шатунной шейки;

l_ш.ш.=0,138 м. - длина шатунной шейки, м.

Р_ш..ш= (Н).

(4.13)

где b = 0,305 м - ширина щеки;

n = 0,083 м - толщина щеки;

R = 0,165 м - радиус кривошипа.

Р_щ = 0,305·0,083·(0,165+0,5·0,21+0,5·0,24) ·78000 = 740б5 Н.

Подставляя значения в формулу (4.9), получаем:

м.

Истинная масса колена, кг,

(4.14)

М_к= кг.

Масса поршня в сборе, кг,

М_{п =}М_{п.обр ·} D/D_обр, (4.15)

где - масса поршня двигателя - образца, кг;

диаметр цилиндра двигателя - образца, м.

М_п = кг.

Масса шатуна, кг.

(4.16)

где масса шатуна двигателя - образца, кг;

длина шатуна двигателя - образца, м.

М_ш = кг.

Подставив найденное по уравнению (4.16) значение в (4.6) и определив , найдем силу инерции колена по формуле (4.8):

кг,

P_ik = Н.

На основании выполненных расчетов определяются:

суммарная сила инерции поступательно движущихся масс кривошипно - шатунного механизма, Н/,

(4.17)

суммарная сила инерции вращающихся масс, Н/,

(4.18)

суммарная сила инерции кривошипно - шатунного механизма, Н/,

(4.19)

Вдоль оси цилиндра действуют: сила инерции поступательно движущихся масс и сила избыточного давления газов . Сила, действующая по оси цилиндра, Н/, равна алгебраической сумме этих сил:

, (4.20)

Так как ось шатуна в общем случае наклонена к оси цилиндра, то суммарная сила ,передаваясь на шатун, раскладывается на силу , действующую нормально к стенке цилиндра, и силу К, действующую по оси шатуна, Н/,

(4.21)

(4.22)

где в - угол между осью цилиндра и осью шатуна, град.

Сила К, передающаяся на шатунную шейку вала, в свою очередь раскладывается на две составляющие, одна из которых направлена касательно к окружности, описываемой радиусом кривошипа (касательная сила Т), а другая (радиальная сила Z) - по направлению радиуса колена.

Сила Т является единственной, обуславливающей крутящий момент на валу дизеля, так как направление действия радиальной силы Z всегда проходит через ось вращения вала.

Силы Т и Z определяются по формулам, Н/:

(4.23)

(4.24)

Зависимость угла в от угла поворота радиуса кривошипа ц оценивается выражением:

(4.25)

Помимо радиальных сил вдоль радиуса кривошипа действует растягивающая центробежная сила , определяемая по выражению (4.18), которая всегда постоянна и направлена по радиусу кривошипа, поэтому суммарная радиальная сила, Н/,

(4.26)

Значения рассчитанных сил представлены в таблице 4.1, а их диаграммы на рис. 4.3, рис.4.4, рис. 4.5, рис 4.6, рис. 4.7, рис. 4.8.

Для многоцилиндрового двигателя интервал между соседними вспышками определится по выражению, °п.к.в.:

(4.27)

.

Построение удельной диаграммы суммарных касательных сил для двигателя, имеющего Z цилиндров, осуществляется путем суммирования диаграммы касательных сил, построенной для одного цилиндра Z раз со сдвигом относительно друг друга на угол Дц, рассчитанный по выражению (4.27). Удельная средняя тангенциальная сила представляет собой отношение площади фигуры, заключенной между осью абсцисс и диаграммой суммарных касательных сил для всего двигателя, к ее длине.

Результаты расчета касательных сил для каждого цилиндра приведены в таблице 4.2. Диаграммы касательных сил и суммарных касательных сил представлены на рис.4.9, рис.4.10.

Отношение максимального значения тангенциальной силы к среднему значению называется степенью неравномерности крутящего момента:

(4.28)

где T_max = 1,96 МН/м²;

T_ср = 0,945МН/м².

.

Степень неравномерности крутящего момента характеризует не только неравномерность работы двигателя, но также и максимальный крутящий момент для заданной мощности. Значение силы определяется по формуле Симпсона.

Проверка расчетной индикаторной мощности, кВт:

(4.29)

N_i = 82,163·0,313²·0,945·0,33/2·750 = 912,34 кВт.

Значение индикаторной мощности, полученной в результате теплового расчета:

(4.30)

где з_м = 0,9 - механический КПД.

кВт

Погрешность:

(< 5 - 7 %).

При сравнении значений индикаторной мощности, полученной в результате теплового расчета, и в результате расчета по формуле (4.29) , отклонение не превышает 5 - 7 %, следовательно, расчёт выполнен верно.

Размещено на Allbest.ru

...