Принцип работы двухтактного дизеля

Двухтактный дизельный двигатель: принцип работы и особенности

Двухтактный дизельный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Топливо-воздушная смесь сгорает за 2 движения поршня. Цикл завершается всего за 1 оборот коленвала. Такие показатели кажутся впечатляющими, однако существует несколько особенностей работы агрегата, о которых стоит узнать подробнее.

Главным достоинством такого мотора можно считать меньший расход топлива в сравнении с бензиновыми агрегатами. Это происходит за счет одной из особенностей дизельного топлива. Оно плотнее бензина, поэтому при сгорании дает на 15% энергии больше. Это обеспечивается более длинной цепочкой углеродов. Кроме того, технические характеристики таких двигателей стоят наравне с показателями аналогичных двигателей.

Строение

В состав двухтактного дизеля входит картер, совмещенный с коленчатым валом поршень, форсунки, впускные и выпускные окна цилиндра, топливный и водяной насосы. Последний снабжается плунжерным переключателем и датчиком температуры, а также емкостями, которые наполняются водой. Агрегат обеспечивает повышение КПД и за счет улучшенного сгорания топливо-воздушной смеси. Токсичность отходов при этом снижается.

В двухтактном моторе расположена газовая турбина и нагнетатель. Последний отвечает за повышение давления в цилиндрах — это обеспечивает экономию топлива и повышение мощности. Газовая турбина запускает преобразователь энергии тепла в энергию движения.

Продувочный воздух поступает в двухтактный дизельный двигатель несколькими способами — с помощью:

Продувка может осуществляться по одной из схем — контурной или клапанно-щелевой.

Стоит отметить, что использование контурной схемы снижает как экономические, так и технические показатели агрегата. Это объясняется тем, что в цилиндрах имеются не продуваемые области.

Цилиндры монтированы вдоль. Каждый из них оснащается выпускными и вентиляционными отверстиями. Газ поступает к турбине через коллектор. Когда поршни двигаются, рабочая камера периодически открывается и закрывается. Коленчатые валы взаимодействуют друг с другом. Это обеспечивается механизмом основной передачи.Топливо при этом сгорает при достаточно высокой температуре.

Для смазки трущихся деталей и подшипников применяется смесь масла и топлива. Она подается в цилиндр и кривошипную камеру. Смазки эти узлы не имеют, поскольку она смылась бы топливом. Именно поэтому к горючему его доливают в определенном соотношении.

При этом для двухтактного дизельного двигателя используется определенное масло. Оно выдерживает продолжительное воздействие высоких температур, способно практически не оставлять после сгорания зольных отложений.

Как работает?

Принцип работы двухтактного дизеля основан на выполнении 2 тактов: сжатие и рабочий ход. Конструкция агрегата позволяет выполнять весь цикл вдвое быстрее, чем в четырехтактных моторах.

Для двухтактных дизельных двигателей принцип работы следующий:

1. Поршень из НМТ начинает двигаться вверх. В цилиндре имеется воздух. Приходе поршня вверх он сжимается, а когда поршень подходит к ВМТ, впрыскивается порция свежего топлива. При этом горючее самовоспламеняется и осуществляется рабочий ход.
2. Продукты сгорания толкают поршень, вследствие чего тот движется вниз. Когда поршень доходит до НМТ, осуществляется продувка —воздух замещает продукты сгорания. Это является завершением цикла.

Внизу цилиндра имеются продувочные окна. Они необходимы для процесса продувки. Когда поршень снизу, они открыты. Во время подъема поршня они закрываются. Значительное увеличение показателя мощности двухтактных моторов происходит за счет повышения числа рабочих ходов. Двухтактный дизельный двигатель, принцип работы которого достаточно прост, обладает массой преимуществ.

Мифы о двухтактных дизельных моторах

Существует несколько распространенных мифов касательно двухтактных двигателей:

1. Слишком медленная работа. В действительности современные моторы с турбонаддувом гораздо эффективнее предыдущих моделей.
2. Такие моторы слишком громкие. Чтобы этого избежать, необходима правильная настройка двигателя. При правильном выполнении всех настроек работа мотора происходит немногим громче бензинового аналога. Высокий уровень шума свидетельствует о неправильной настройке мотора или его неисправности. Для старых моделей высокий уровень шума — характерная черта, создание появление аккумуляторных систем с высоким давлением существенно снизило уровень шума.
3. Покупать дизель выгоднее бензина. Это так, но лишь отчасти. Несколько лет назад дизельное топливо стоило намного дешевле бензина, однако сегодня разница составляет всего 10-20%. Основная экономичность заключается в способности теплотворной способности горючего.
4. Такие моторы плохо заводятся зимой. Раньше проблемы с ними действительно возникали. Однако современные автомобили с дизельными двигателями оснащены быстрым запуском, что снижает время на ежедневные подготовки к поездкам.

Срок службы дизеля превышает бензиновые агрегаты. Он может достигать 400-600 тыс. км.

Каждый двухтактный дизельный двигатель имеет одну отличительную особенность — через окна цилиндров впускается воздух и устраняются отработавшие газы. Когда они выходят через клапан в цилиндре, а воздух поступает через окна, система такой очистки называется клапанно-щелевой.

Подобные системы очистки имеют одну особенность — в цилиндре остается только часть воздуха. Поднимаясь вверх, он частично выходит за пределы мотора. Такую очистку еще называют прямоточной. Она обеспечивает максимальную эффективность очистки двигателя от продуктов сгорания.

Помимо прямоточной продувки существует и петлевая, однако она отличается меньшим качеством очистки. Именно поэтому для современных автомобилей она используется нечасто. Рабочие ходы такого агрегата выполняются в два раза чаще, однако на мощности это сказывается незначительно (она увеличивается в 1,5-1,7 раза). Это объясняется наличием продувки, а также тем, что внутри цилиндра происходит более короткий ход.

Преимущества

Двухтактные дизельные двигатели стали производиться относительно недавно. Такие моторы на сегодняшний день имеют множество модификаций. К примеру, зажигание бывает 2 типов: контактным и бесконтактным.Также отличаются и схемы таких моторов. Применяется двухтактная система на танках, в самолетах, в тяжелой промышленной технике.

1. Небольшой размер. Для установки агрегата требуется совсем немного места. Такие моторы легко умещаются под капотом транспортных средств.
2. Небольшая масса. Стандартный турбодизель весит почти в 2 раза больше, чем двухтактный дизельный двигатель.
3. Значительная экономия топлива. Расход горючего снижен практически в 2 раза по сравнению с обычным дизельным агрегатом.
4. Простая конструкция. При обслуживании таких двигателей нет необходимости применять специальные технологии.

Такие преимущества выгодно выделяют двухтактные дизельные двигатели на фоне бензиновых собратьев. Имеются у таких моторов и серьезные недостатки.

Недостатки

Небольшое распространение агрегатов объясняется рядом причин. К примеру, детали на такие моторы найти получится с трудом. Именно поэтому выполнить ремонт двухтактного дизельного двигателя становится проблематично. Кроме того, специалистов по обслуживанию таких агрегатов достаточно мало.

• высокая цена дизельных двигателей и малый выбор моделей;
• увеличенный расход масла;
• необходимость установки воздушных фильтров.

Явным недостатком дизелей является использование мощного стартера. На морозе дизельное топливо мутнеет и застывает. Ремонт топливной аппаратуры затрудняется тем, что насосы высокого давления изготавливаются с высокой точностью.

Существенным минусом двухтактных дизелей является невозможность их применения в высокотемпературных режимах. Масло при таких условиях закоксовывается, возникает залегание поршневых колец. Кроме того, из-за недостаточной продувки топливо сгорает не полностью, что сказывается на значении КПД и уровне токсичности.

Итоги

Дизельные двигатели, имеющие два такта, изобретались с одной целью — снизить токсичность отработавших газов, а также увеличить экономичность двигателя, повысить КПД.

Стоит упомянуть о зажигании. Чтобы топливо воспламенилось, необходимо время, поэтому разряд на свече возникает заранее, перед тем, как поршень достигнет ВМТ. Чем быстрее происходит движение поршня, тем раньше должна зажигаться свеча. Существуют специальные устройства, позволяющие менять угол зажигания в зависимости от частоты вращения коленвала.

Двухтактный дизель — будущее лёгкой авиации

!Двухтактный дизель — будущее лёгкой авиации // Дмитрий Алемасов (Dmitry_A)

В авиации к двигателям подход особый. Самая, пожалуй, важная характеристика — это удельная мощность (или удельная тяга), то есть количество киловатт или лошадиных сил (или ньютонов) на единицу массы. Оно и понятно. Если мы установим на автомобиль тяжёлый двигатель, автомобиль всё равно поедет. А вот самолёт с тяжёлым двигателем может просто не взлететь. Из коммерчески выпускаемых ныне авиационных двигателей самыми лучшими по этому показателю являются турбореактивные (ТРД). Однако они выдают желаемые показатели при весьма высоких оборотах, поэтому требуют очень высокой культуры производства и, следовательно, дороги. Газотурбинные (ГТД), или турбовальные (ТВД), двигатели несколько тяжелее, так как в них турбина вращает не только компрессор, но и понижающий редуктор — дополнительный механизм, обладающий немалой массой. Они тоже очень дороги, но имеют свои преимущества. Например, они экономичны в диапазоне скоростей до 600 км/ч, и ещё могут устанавливаться на вертолёты.

Тем не менее, в классе мощностей до 200-250 л.с. ГТД фактически отсутствуют, по причине дороговизны. Это по-прежнему царство поршневых двигателей.

В лёгкой авиации самым массовым типом ДВС является 4-тактный карбюраторный оппозитный воздушного охлаждения. Конструкция таких двигателей отработана десятилетиями — например, оппозитный Лайкоминг был разработан ещё до Второй мировой войны. Однако в последнее время обнаружилась угроза дальнейшему существованию этих двигателей. Дело в том, что они рассчитаны на применение специального авиационного бензина. А нынешний мировой авиапарк в основном потребляет реактивные топлива, базирующиеся на керосине, производство авиационного бензина сократилось, и он перешёл в разряд дефицита. Энтузиасты лёгкой авиации пробуют разные пути выхода из бензинового тупика. Кто-то пытается конвертировать имеющиеся конструкции под доступный автомобильный бензин, а кто-то предлагает новую (то есть хорошо забытую старую) альтернативу — 2-тактный авиационный дизель.

Маленькая квази-теоретическая лекция

Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-тактном — за один.

Что касается 4-тактного рабочего цикла, то между схемами Дизеля и Отто различий немного. Присутствуют те же 4 такта: впуск — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием создающегося разрежения в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой или в сжатый воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется, поршень под действием этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель совершает полезную работу именно в течение такта расширения. Потом поршень идёт вверх, открывается выпускной клапан, через который продукты сгорания топлива выходят в атмосферу — это такт выпуска.

Главное, что в дизеле сжимается не рабочая смесь, а чистый воздух, и топливо впрыскивается в камеру сгорания в момент наивысшего сжатия, отчего и воспламеняется.

В автопроме поэтому некоторые легковые дизели конструировались на основе существующих бензиновых моторов. Чугунный блок и поддон оставались практически без изменений; заново разрабатывалась головка блока цилиндров; поршни, шатуны и коленвал заменялись на усиленные. Ну и ставилась дизельная топливная аппаратура.

В случае с двухтактным процессом всё уже не так просто. Такты условно называются сжатие и расширение. Как видно, места отдельным тактам впуска и выпуска здесь не нашлось. Это не случайно. Хотя в двухтактном двигателе процессы впуска и выпуска присутствуют, для их осуществления необходимо, чтобы давление на входе в цилиндр было выше атмосферного. То есть нужен принудительный наддув. Те, кто знаком с двухтактными мотоциклетными бензиновыми двигателями, могут возразить: на мотоциклах нет никаких турбо- или механических компрессоров. Отдельного компрессора в мотоциклетном двухтактнике действительно нет. Функция компрессора возложена на картер двигателя.

В простых мотоциклетных моторах нет клапанов в головке цилиндра, вместо них существуют впускные и выпускные окна в стенках цилиндра, перекрываемые телом поршня. Впускные окна связаны с карбюратором не напрямую, а через перепускные каналы, выходящие в картер. В течение хода поршня вверх нижний край открывает окно, на котором находится карбюратор, рабочая смесь под действием разрежения, создаваемого идущим вверх поршнем, устремляется в картер. Когда поршень идёт вниз, он перекрывает это окно, рабочая смесь начинает сжиматься. Поршень идёт далее вниз, открывая перепускные окна, рабочая смесь под давлением подаётся в цилиндр, где вытесняет отработанные газы в выпускное окно. Поршень идёт снова вверх, и процессы под его днищем повторяются, а в это время в цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Затем сжатая смесь воспламеняется свечой, и поршень идёт вниз, совершая такт расширения, или рабочий ход.

Описанный двухтактный процесс имеет неустранимые недостатки. Так как детали кривошипно-шатунного механизма омываются рабочей смесью, необходимо добавлять моторное масло непосредственно в топливо, что делает его в буквальном смысле горюче-смазочным материалом. То есть расход масла значительно выше, чем в 4-тактных двигателях. К тому же из-за совмещённости по времени процессов впуска и выпуска довольно много рабочей смеси выбрасывается в атмосферу вместе с выхлопом. (Смесь может выбрасываться также из картера обратно во впускной тракт — это преодолевается установкой клапана, обычно лепесткового, между карбюратором и фланцем впускного канала.) Всё это отрицательно сказывается на экономичности и экологичности. В принципе, для устранения этого возможно применить схему газораспределения, подобную 4-тактным двигателям (с клапанами и распредвалом), но в таком случае обязателен отдельный нагнетатель, то есть двигатель станет заведомо сложнее атмосферного (безнаддувного) 4-тактника.

Дизель, подобный мотоциклетному мотору, не сделаешь. В цилиндр надо подавать чистый воздух, которому в картере делать нечего — он там будет выдавливать имеющуюся смазку из трущихся узлов. Поэтому двухтактные дизельные двигатели (танковые и судовые) больше похожи на четырёхтактные. У них также есть масло в картере и клапана в головке блока цилиндров. Однако кроме клапанов, у них ещё есть окна в стенках цилиндров. Обычно через боковые окна нагнетается воздух, а выпуск производится через клапаны.

Цикл происходит так: поршень идёт вниз и открывает впускное окно, через которое внешним нагнетателем подаётся воздух; затем поршень начинает движение вверх; пока впускное окно не закрылось полностью, открывается выпускной клапан в головке, и отработанные газы вытесняются в выпускной тракт; закрывается клапан, перекрывается впускное окно, воздух сжимается движением поршня к верхней мёртвой точке и от сжатия нагревается; в верхней мёртвой точке форсунка впрыскивает в цилиндр топливо, которое от соприкосновения с горячим воздухом воспламеняется; поршень идёт вниз, совершая рабочий ход, пока не откроет впускное окно; далее см. начало абзаца.

На форуме avia.ru упоминалось, что клапан в головке может быть впускным, а боковое окно работать на выпуск. Думаю, что в этом есть своя выгода, особенно для дизелей воздушного охлаждения: снижается теплонапряжённость головки. Но вот проводить газораспределение только через клапаны в головке, на мой взгляд, невыгодно: цилиндр в таком случае продувается хуже, и воздуха (а значит, и кислорода) в цилиндр попадает меньше – топливо может сгорать не полностью. Примерно так же дело обстоит и с газораспределением только через окна, однако при этом можно избавиться от распредвала и клапанов.

Преимущества дизелей как таковых: использование в качестве топлива более дешёвых и более энергоёмких фракций нефти; больший крутящий момент на валу; отсутствие системы зажигания (тут к месту афоризм, приписываемый конструкторам дизеля В-2: “Самая надёжная деталь — та, которой нет”).

Недостатки дизелей как таковых: низкая удельная мощность, что обусловлено необходимостью усиления конструкции (сгорание топлива не такое плавное, как в бензиновом двигателе, плюс в 2 раза большая степень сжатия — а иначе откуда большой крутящий момент возьмётся?); наличие куда более сложной и привередливой системы питания, нежели у бензинового двигателя.

Преимущества двухтактных дизелей: вдвое большая частота рабочих ходов, что решает проблему удельной мощности; более плавная работа двигателя.

Недостатки двухтактных дизелей: обязательность механического компрессора или турбонаддува.

Хорошо забытое старое

Первые работоспособные авиационные дизели были сконструированы до Второй мировой войны моторостроительным подразделением Юнкерса — ЮМО. Планировалось ставить их на трансатлантические авиалайнеры и дальние бомбардировщики.

Конструировались они и у нас — А. Д. Чаромским для бомбардировщиков Ер-2 и Пе-8. Однако довести их до беспроблемной эксплуатации не удалось — в войну было не до изысканий. А после войны началась реактивная эра, и потенциальную нишу моторов для сверхдальних перелётов заняли ТВД; потом и турбореактивные двигатели, обзаведясь вторым контуром, стали достаточно экономичными. Об авиационных дизелях забыли. До 90-х годов.

В последнее время по крайней мере две фирмы — немецкая Zoche и британская DeltaHawk — предпринимают усилия по сертификации и выводу на рынок авиационных двухтактных дизелей в диапазоне мощностей до 300 л.с. Общее между ними — бесклапанное (то есть через окна в цилиндре) газораспределение; наличие двух нагнетателей — механического компрессора и турбокомпрессора. Гамма продукции Zoche включает звездообразные 2-х(70 л.с.), 4-х(150 л.с.) и 8-цилиндровые(300 л.с.) двигатели воздушного охлаждения. Цилиндро-поршневые группы одинаковы для всех вариантов. Механический нагнетатель является также пневмостартером, что позволяет надёжно пускать двигатель при любой температуре. Система смазки обеспечивает работу двигателя при любом положении в пространстве.

Двухтактный дизельный цикл — удачный вариант для моторов лёгкой авиации. За счёт вдвое большего числа рабочих ходов и использования наддува они могут превзойти по удельной мощности традиционные оппозитники, которые плохо переносят турбонаддув. Наличие наддува также благоприятно сказывается на высотности двигателя. Системы зажигания (которая на бензиновых двигателях нередко дублируется для надёжности) у дизелей просто нет. То есть заглушить дизель можно лишь прервав подачу топлива (бензиновый двигатель этим способом тоже глушится). Дизель не боится низких температур, чреватых обледенением карбюратора (в том числе и за отсутствием карбюратора как такового) — наоборот, ему холодный воздух даже идёт на пользу. Топливо для дизеля дешевле и доступнее.

Правда, при эксплуатации на авиакеросине есть свои сложности. Дело в том, что самый сложный и точный агрегат дизеля — топливный насос высокого давления — смазывается маслянистыми фракциями дизельного топлива. А керосин от этих фракций очищен. Поэтому в реактивное топливо необходимо добавлять специальную смазывающую присадку.

У дизелей в лёгкой авиации неплохие перспективы. Если кто-либо из крупных мировых моторостроителей проявит к ним интерес, и сможет предложить массовый недорогой сертифицированный дизель, то ситуация несомненно изменится в их пользу. До тех пор, пока не появится массовый недорогой сертифицированный ГТД.

Принцип работы двухтактного дизеля

1.Цилиндр дизеля. 5.Коленчатый вал.

2.Поршень. 6.Впускные окна.

4.Кривошип. 8.Выпускные клапана.

При ходе поршня вверх выпускные клапана закрываются, и в цилиндре поступивший воздух через впускные окна сжимается – первый такт. При подходе поршня к верхней точке через форсунку впрыскивается дизельное топливо и воспламеняется. Образовавшиеся газы давят на поршень и перемещают его вниз – рабочий ход или второй такт. При опускании поршень открывает впускные окна и в этот же момент открываются выпускные клапана. Поступающим воздухом происходит продувка и очистка цилиндра от отработанных газов. Затем поршень перемещается вверх, выпускные клапана закрываются и т.д.

Перед подачей в цилиндр воздух сжимается в нагнетателе до 1,53,0 кГс/см 2 . Этот процесс называется наддув. В случае подачи воздуха в цилиндр под давлением поступает большее количество воздуха, и мощность дизеля увеличивается в 1,52,0 раза.

На транспорте и в народном хозяйстве широко применяют четырехтактные и двухтактные дизели. Какой из них лучше – до сих пор спорят и специалисты. В мировой практике 6570 % четырехтактных дизелей, остальные двухтактные. На современных тепловозах, в основном, применяются четырехтактные дизели.

В дизеле несколько цилиндров (от 6 до 20). У коленчатого вала кривошипы или колена друг относительно друга смещены на угол 120 о . При таком расположении в одном цилиндре происходит первый такт, в другом – второй, в третьем – третий, в четвертом – четвертый. При соответствующем переключении впускных и выпускных клапанов происходит непрерывное вращение коленчатого вала. От коленчатого вала вращение передается на якорь генератора на тепловозах с электрической передачей; или через гидромуфту, или гидротрансформатор на колесные пары на тепловозах с гидропередачей; или через муфту, зубчатую передачу на колесные пары на тепловозах с механической передачей. От другого конца коленчатого вала вращение передается на привод масляного насоса, вспомогательных агрегатов. Имеется редуктор для привода распределительного вала с кулачками для открытия впускных и выпускных клапанов, для впрыска топлива в форсунки в определенной последовательности по цилиндрам дизеля.

6.2.3. Системы дизеля:

1. Топливная система – бак, емкостью 60007000 литров; трубопроводы с фильтрами, топливоподкачивающие насосы, насосы высокого давления.

2. Система воздухоснабжения – для подачи воздуха в цилиндры, чтоб обеспечить более полное сгорание кислорода в воздухе; воздухозаборники, фильтры, нагреватели.

3. Водяная система – для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых при сгорании топлива; водяные полости вокруг цилиндров; радиаторы, охлаждаемые воздухом.

4. Масленая система – маслопроводы, маслопрокачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки.

Для запуска дизеля подключается аккумуляторная батарея, включают маслопрокачивающий насос, топлиподкачивающий насос, подключают стартер-генератор к аккумуляторной батарее, который раскручивает коленчатый вал дизеля. После запуска дизеля стартер-генератор отключается от аккумуляторной батареи и к нему подключаются вспомогательные цепи. Так, например, происходит запуск дизеля на тепловозе 2ТЭ116. На других тепловозах могут быть и отличия.

6.2.4.Способы передачи мощности от вала дизеля к колесным парам:

1. Механическая – коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через муфты, зубчатые редукторы, карданные валы, осевые редукторы. Зубчатый редуктор должен быть многоступенчатым, называемый коробкой перемены передач. Муфты сцепления фрикционные или магнитные. Передача простая, имеет высокий К.П.Д. Но непригодна для передачи больших мощностей (более 500700 кВт), т.к. коробку перемены передач необходимо выполнять большими габаритами и зубчатые колеса быстрее будут изнашиваться. Может применяться на некоторых дизельпоездах, мотовозах, автомотрисах, дрезинах.

2. Гидравлическая – коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через гидротрансформатор или гидромуфту, карданные валы, осевые редукторы. Вал дизеля соединяется с насосным колесом гидромуфты, расположенного в замкнутом корпусе, называемый колоколом. Рядом с насосным колесом в колоколе расположено турбинное колесо, закрепленное на валу, который может вращаться в подшипниках, закрепленных в колоколе. От вала вращение будет передаваться на карданные валы и далее через осевые редукторы к колесным парам. Насосное и турбинное колеса представляют собой чашеобразные диски с закрепленными в них радиальными лопатками. Если колокол не заполнен жидкостью, то при вращении насосного колеса турбинное колесо не будет вращаться. При заполнении колокола маслом вращающееся насосное колесо своими лопатками захватывает поток масла и отбрасывает его на лопатки турбинного колеса, которое будет вращаться в том же направлении, что и насосное колесо. При гидравлической передаче на тепловозах использование простой гидромуфты не приемлемо, т.к., например, при трогании с места сопротивление вращению турбинного, а значит и насосного колеса велико, дизель начнет перегружаться, частота вращения коленчатого вала будет уменьшаться, и дизель может заглохнуть. По мере увеличения скорости движения вращающийся момент турбинного и, значит, и насосного колеса будет падать, т.е. нагрузка дизеля уменьшится. В гидротрансформаторе между насосным и турбинным колесами размещен неподвижный ряд лопаток, соединенных с корпусом. Тогда поток масла, покидающий турбинное колесо будет направляться на лопатки насосного колеса под одним и тем же постоянным углом. Этот ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом. Он позволяет насосному колесу, а значит, и дизелю нагружаться одинаковым (постоянным) моментом независимо от внешней нагрузки. Благодаря направляющему аппарату турбинное колесо получает возможность вращаться с малой частотой, преодолевая большой момент сопротивления, а дизель при этом работает с постоянной нагрузкой.

Как правило, в гидравлических передачах используются оба типа гидроаппаратов расположенных в одном корпусе. При трогании и разгоне заполняют маслом гидротрансформатор, затем после достижения достаточной скорости гидротрансформатор опоражнивают и заполняют маслом гидромуфту. Гидравлические передачи по сравнению с электрическими передачами имеют меньшие габариты, меньшие вес, стоимость на единицу мощности и малый расход цветных металлов. Но К.П.Д. ниже (примерно на 5 %), чем при электрической передаче. Гидравлические передачи применяют на маневровых, промышленных тепловозах и дизельпоездах.

3. Электрическая – коленчатый вал дизеля через муфту соединяется с якорем генератора, от которого получаемое электрическое напряжение подается на электродвигатели, якоря которых через зубчатые передачи передают вращение на колесные пары. Каждая колесная пара имеет индивидуальный электродвигатель. При электрической передаче обеспечивается плавное изменение вращающего момента на колесных парах при постоянстве момента на валу дизеля, причем, это обеспечивается автоматически. Электрическая передача позволяет управлять из одной кабины несколькими локомотивами, отключать и включать под нагрузку в нужный момент электродвигатели, реверсировать тепловоз без изменения направления вращения вала дизеля.

Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС)

Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива

ИА Neftegaz.RU. Первые судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) появились в начале 20-го века. Датское судно Зеландия, построенное в 1912 г, имело дизельную установку с 2-мя дизелями мощностью по 147,2 кВт.

В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС.

Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт.

Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.

В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.

Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.

По частоте вращения ДВС разделяются на: малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 об/мин, которые непосредственно приводят в движение судовой движитель; среднеоборотные – 300-600 об/мин, которые приводят в движение судовой движитель через редуктор.

До конца 60-х гг на судах устанавливали реверсивные главные двигатели, позволяющие судну осуществлять задний ход. Только при малых мощностях для реверса ДВС использовали специальные устройства (реверсредукторы), дающие возможность маневрирования.

В 60-х гг одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.

Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами).

Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке.

Кроме главного двигателя предусмотрены еще 2 вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы.

Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов.

Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю.

При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей.

Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла.

Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла.

Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла.

Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.

Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения.

Принцип действия 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.

В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.

Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.

При 1-м такте поршень движется в направлении коленчатого вала.

Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр.

В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время 2-го такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление.

Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.

При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700°С.

Принцип действия 4-тактного дизеля.

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения.

Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. 3-й такт является рабочим.

Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом – от 5,89 до 7,85 МПа.

Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.

Во время 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.

4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Принцип действия 2-тактного дизеля.

В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.

1-й такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении.

Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисунке.

Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.

Во время 2-го такта – рабочего (или расширения) – расширяющиеся газы совершают механическую работу.

В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова.

Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.

Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания.

Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за 1 рабочий цикл.

Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.

Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром.

Во всех выпускаемых 4-тактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия газотурбинного нагнетателя.
1 – турбина, работающая на отработавших газах; 2 – отработавшие газы; 3 – свежий воздух; 4 – компрессор; 5 – коленчатый вал; 6 – цилиндр; 7 – поршень.

Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.

В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14-0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.

Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля: а – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b – одновременно происходит сжатие и всасывание; с – рабочий такт и предварительное сжатие; d – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана.

2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.

Диаметр цилиндров больших 2-тактных дизелей достигает 1000 мм, ход – 1500-2000 мм.

Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт.

В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.

2-тактные дизели имеют очень большие размеры и массу.

Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600-800 т.

4-тактный дизель (рядный двигатель).
1 – наддувочный агрегат; 2 – охладитель наддувочного воздуха; 3 – трубопровод отработавших газов; 4 – трубопровод наддувочного воздуха; 5 – трубопровод охлаждающей воды; 6 – масляный трубопровод; 7 – топливный трубопровод; в – распределительный вал; 9 – приводное колесо; 10 – промежуточные шестерни; 11 – приводное колесо коленчатого вала; 12 – коленчатый вал; 13 – шатун; 14 – поршень; 15 – цилиндровая гильза; 16 – камера охлаждающей воды; 17 – крышка цилиндра; 18 – выпускной клапан; 19 – впускной клапан; 20 – топливный клапан; 21 – штанга; 22 – топливный насос; 23 – маслораэбрызгивающее кольцо; 24 – масляная ванна картера; 25 – станина двигателя; 26 – блок цилиндров.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:

– увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);

– уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);

– уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).

Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.

4-тактный дизель V-образной конструкции.
1 – поршень; 2 – цилиндровая гильза; 3 – коленчатый вал.