5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнительная оценка габаритных и удельных мощностных показателей судовых малооборотных двигателей с различными приводными механизмами

Н.А. Иващенко, Ю.А. Пахомов, С.А. Киселёв

Аннотация

Оценены габаритные показатели судовых малооборотных двигателей, где в качестве преобразующего используется бескривошипно-шатунный механизм, в сравнении с судовыми двигателями обычных схем. Выведены формулы для определения удельной мощности, отнесенной к единице полезной площади и полезного объема, для двух вариантов двигателей.

судовой двигатель мощность габаритный

Одним из основных требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), является получение максимальной мощности при минимальных габаритах. Это обусловлено тем, что такие двигатели получили наибольшее распространение в качестве источников энергии транспортных агрегатов. Особенно актуальным этот вопрос является для главных судовых двигателей, поскольку при уменьшении массогабаритных показателей двигателя (при прочих равных условиях) появляется возможность перевозки большего объема полезного груза или увеличения дальности хода за счет увеличения запаса топлива.

В качестве главных судовых двигателей в настоящее время наиболее часто используются малооборотные двигатели с отношением хода поршня S к диаметру цилиндра D больше 3. В качестве преобразующего механизма в них применяется крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Недостатки такой схемы очевидны и связаны с тем, что давление газов на поршень нерационально передается КШМ на кривошип коленчатого вала вследствие разложения сил. В итоге только тангенциальная сила, действующая на кривошип, создает крутящий момент, а его величина зависит от давления газов в цилиндре двигателя и угла поворота кривошипа коленчатого вала.

В настоящее время идет интенсивный поиск новых конструктивных схем преобразующих механизмов ДВС, которые могли бы исключить недостатки, присущие КШМ. Интерес представляет схема бескривошипно-шатунного механизма (БКШМ) ДВС, в котором крутящий момент на валу зависит только от давления газов в цилиндре, в результате чего энергия давления газов используется с более высоким коэффициентом полезного действия [1].

Принцип работы и основные преимущества БКШМ описаны в [2]. Применение этого механизма приводит к увеличению крутящего момента на 25 - 35 %, а следовательно, увеличению мощности и улучшению топливной экономичности двигателя [3,4]. Кроме того, особенности конструкции позволяют ожидать уменьшения габаритных размеров двигателя с БКШМ.

Оценим габаритные показатели двигателя с БКШМ в сравнении с шестицилиндровым двухтактным крейцкопфным дизельным двигателем. Для этого введем понятие полезных габаритных размеров двигателя. Под полезными габаритными размерами будем понимать длину L_п, ширину B_п и высоту Н_п, ограничивающие полезный объем двигателя V_п, в котором размещаются детали движения приводного механизма двигателя внутреннего сгорания, за исключением верхней части поршневой группы.

При сравнительной оценке принимаем, что диаметр цилиндра D и ход поршня S для двух двигателей одинаковы. Параметры для двигателя с БКШМ обозначаем аналогично параметрам двигателя с КШМ, но с индексом 1.

Полезная длина L_п для двигателя с КШМ определяется суммой межцентровых расстояний L (рис. 1).

,

где - расстояние между осями соседних цилиндров [5]; i - число цилиндров.

Учитывая оппозитное расположение цилиндров двигателя с БКШМ при сохранении межцентрового расстояния, необходимого для обеспечения охлаждения и прочности (рис. 2), получим

,

где - число секций двигателя с БКШМ.

Таким образом,

Рис. 1. Схема для определения полезных габаритов крейцкопфного КШМ малооборотного двигателя

.

Следовательно, полезная длина двигателя с БКШМ в 2 раза меньше полезной длины двигателя с КШМ.

Полезная ширина двигателя с КШМ (рис. 1)

,

где S - ход поршня;

R - радиус кривошипа.

Рис. 2. Схема для определения полезных габаритов малооборотного двигателя с БКШМ

Для малооборотного двигателя с БКШМ полезная ширина определяется суммой диаметров зубчатых секторов и диаметра цилиндра D (рис. 2).

,

где - радиус зубчатого зацепления [2].

После преобразований получим

.

Следовательно, полезная ширина двигателя с БКШМ больше полезной ширины двигателя с КШМ примерно в раз.

Полезная высота двигателя с КШМ (рис. 1) складывается из хода поршня S, длины шатуна и длины штока поршня:

,

где - длина шатуна;

- постоянная механизма.

Для обеспечения работоспособности конструкции длина штока поршня не должна быть меньше хода поршня. Принимая с запасом , получим

.

В связи с отсутствием шатуна и штока поршня, жестким закреплением поршней и их оппозитным расположением полезная высота двигателя с БКШМ (рис. 2)

.

Из отношения полезных высот получим

.

Из приведенного уравнения видно, что полезная высота двигателя с БКШМ будет меньше полезной высоты двигателя с КШМ примерно в раз.

В расчет полезной высоты не входит размер верхней части поршня, поскольку для каждого типоразмера двигателя с БКШМ он будет определяться в зависимости от параметров рабочего процесса, тепловой и механической напряженности при проектировании отдельных деталей и в настоящий момент прогнозировать эту величину затруднительно.

Тем не менее можно сделать вывод, что полезные длина и высота двигателя при замене КШМ на БКШМ уменьшаются. Причем наибольшее изменение размера наблюдается по длине двигателя.

Полезная ширина двигателя при применении БКШМ увеличивается из-за необходимости установки двух зубчатых секторов.

Окончательно все габаритные параметры определятся в ходе проектирования отдельных деталей, узлов и систем.

Полезная площадь, занимаемая двигателем:

- для КШМ

;

- для БКШМ

.

Из соотношения полезных площадей получим

.

Равенство площадей будет наблюдаться при .При отношении полезная площадь двигателя с БКШМ будет больше площади двигателя с КШМ в раз. В противном случае она будет меньше в такое же количество раз.

Агрегатная мощность N, отнесенная к полезной площади:

- для КШМ

,

где - цилиндровая мощность двигателя с КШМ, принимаемая из теплового расчета;

- для БКШМ

,

где - агрегатная мощность двигателя с БКШМ;

- мощность, вырабатываемая секцией из одного цилиндра с двумя поршнями двигателя с БКШМ;

- мощность двигателя с БКШМ, вырабатываемая в одной надпоршневой полости.

Предварительный динамический расчет показывает, что при применении бескривошипно-шатунного преобразующего механизма крутящий момент двигателя, а следовательно, и его мощность возрастают примерно на 35 % по сравнению с двигателем с КШМ при прочих равных условиях [3,4].

Из соотношения удельных мощностей получим

.

Следовательно, удельная мощность, отнесенная к единице площади двигателя с БКШМ, будет больше удельной мощности двигателя с КШМ в раз.

Полезный объем, занимаемый двигателем:

- для КШМ

;

- для БКШМ

.

Из соотношения объемов получим

.

Следовательно, изменение полезного объема двигателя с БКШМ зависит от размеров и постоянной кривошипно-шатунного механизма двигателя-прототипа. Однако с учетом значительного уменьшения длины и некоторого уменьшения высоты двигателя следует ожидать снижения полезного объема в раз.

Агрегатная мощность, отнесенная к полезному объему:

- для КШМ

;

- для БКШМ

.

Из соотношения удельных мощностей получим

.

Следовательно, соотношение объемных мощностей двигателей зависит от хода поршня, диаметра цилиндра и постоянной механизма л. Однако, учитывая значительное уменьшение длины и некоторое уменьшение высоты, а также увеличение мощности при использовании бескривошипно-шатунного преобразующего механизма, даже при увеличении ширины двигателя следует ожидать увеличения объемной мощности в раз.

В таблице приведены габаритные и удельные мощностные показатели для судовых малооборотных крейцкопфных двигателей традиционной конструкции [6] производства ЗАО УК «БМЗ», а также аналогичных им, но с применением БКШМ. Параметры двигателей с применением бескривошипно-шатунного механизма обозначены индексом 1 и являются расчетными. Параметры i, S, D, л, N_ц для двигателей с кривошипно-шатунным механизмом приняты по конструкторской документации.

Анализ табличных данных показывает, что для рассмотренных судовых малооборотных двигателей с м, м, , применение БКШМ в качестве преобразующего механизма улучшает полезные габаритные и удельные мощностные показатели следующим образом:

- длина уменьшается примерно в 2 раза в результате установки двух поршней в одном цилиндре;

- ширина увеличивается в раза из-за необходимости установки двух зубчатых секторов;

- высота уменьшается в раза в связи с отсутствием штоков поршней и шатунов;

- полезная площадь, занимаемая двигателем, уменьшается в раза в результате изменения размеров;

- полезный объем двигателя уменьшается в 2,58…2,12 раза;

- с учетом увеличения цилиндровой мощности в 1,3 раза удельная мощность, приходящаяся на единицу площади и на единицу объема увеличивается в и раза соответственно.

Таблица 1. Габаритные и удельные мощностные показатели для выполненных судовых малооборотных крейцкопфных двигателей традиционной конструкции производства ЗАО УК «БМЗ» и аналогичных им с применением БКШМ

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, применение БКШМ позволяет уменьшить полезные габариты двигателя при одновременном увеличении удельных мощностных показателей. Исходя из этих преимуществ, можно сказать, что БКШМ является перспективным преобразующим механизмом для судовых малооборотных двигателей внутреннего сгорания.

Список литературы

1. Пат. 2151894 РФ: F02B75/32.

2. Иващенко Н.А. Принцип работы и основные преимущества бескривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания/ Н.А. Иващенко, Ю.А. Пахомов, С.А. Киселев// Вестник БГТУ. - 2005. - №4. - С. 77-81.

3. Киселев С.А. Некоторые пути повышения технико-экономических параметров дизелей/ С.А. Киселев, Ю.А.Пахомов/ Тез. докл. 57-й науч. конф. профессорско-преподават. состава. - Брянск: БГТУ, 2005. - С. 193-194.

4. Иващенко Н.А. Повышение технико-экономических параметров двигателей внутреннего сгорания на этапе проектирования/ Н.А. Иващенко, Ю.А. Пахомов, С.А. Киселев/ Материалы 5-й междунар. науч.-техн. конф. «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла». - Брянск: БГТУ, 2005. - С. 7-8.

5. Вырубов Д.Н.. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей /Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко [и др.]. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 384 с.

6. Коробков Ю.П. Малооборотные дизели для судов речного и смешанного плавания/ Ю.П. Коробков, Е.С. Васюков // Двигатель. - 2000. - №4(10). - С. 14-15.

Размещено на Allbest.ru