Типы первичных двигателей и их характеристики. Выбор дизеля

В современных тепловозах преимущественно применяют двухтактные и четырехтактные дизели с наддувом. Двигатели внутреннего сгорания других типов используют редко и в основном в мотовозах и маломощных промышленных тепловозах. Дизель обладает относительно высокими экономичностью и эксплуатационной надежностью, большой удельной мощностью, прост в обслуживании. Основные технические данные дизелей тепловозов приведены в таблице 17. К основным техническим показателям дизелей относят тактность, агрегатную и цилиндровую мощность, номинальную и минимальную угловую скорость коленчатого вала, удельный расход топлива и масла, массу, приходящуюся на единицу мощности, моторесурс, габаритные размеры.

На эксплуатируемых тепловозах в равной степени применяют двухтактные и четырехтактные дизели. Однако в настоящее время выпускаются тепловозы новых серий с четырехтактными дизелями, поскольку они создают большие возможности для форсирования их по среднему эффективному давлению и угловой скорости и для повышения их надежности.

Тепловые двигатели - это машины, в которых химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую энергию, а затем в механическую работу. К тепловым двигателям относятся паровые машины, паровые турбины, поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные двигатели, комбинированные турбопоршневые двигатели, реактивные двигатели.

Особенность применяемых на тепловозах ДВС поршневого типа состоит в том, что превращение химической энергии в тепловую совершается при сгорании топлива непосредственно в самом рабочем цилиндре в течение очень короткого времени при высоких температурах.

ДВС поставляются промышленностью в разнообразном исполнении: мощностью от 1 до 20000 кВт в одном агрегате, с числом цилиндров от 1 до 20 и более, частотой вращения вала от 120 до 6000 об/мин.

Двигатели современных тепловозов имеют мощность от 400 до 5000 кВт, частоту вращения вала 750- 1500 об/мин, число цилиндров от 4 до 20. Они расходуют от 200 до 230 г дизельного топлива на 1 кВт ч выработанной энергии.

Дизель - это поршневой двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением (двигатели высокого сжатия). В цилиндры дизеля поступает чистый воздух, который сжимается до высокого давления. В конце сжатия, когда температура воздуха будет достаточно высокой, топливо в распыленном виде впрыскивается через форсунку в цилиндр и воспламеняется.

Дизельное топливо представляет собой смесь различных углеводородов. Средний элементарный состава жидкого топлива, используемого в тепловозных дизелях: 87% - углерод (С); 12, 5 % - водород (Н); 0, 5 % - кислород (О); 0, 5 % - сера (S).

Классификация ДВС. Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы по следующим основным признакам.

По числу тактов рабочего цикла различают двигатели четырех- и двухтактные.

По роду применяемого топлива бывают двигатели: легкого жидкого топлива (бензин), тяжелого жидко го топлива (дизельное топливо) и газовые.

По способу смесеобразования (процесса приготовления горючей смеси) различают двигатели:

· с внутренним смесеобразованием, в которых рабочая смесь образуется внутри рабочего цилиндра в результате распыливания топлива форсункой - дизели;

· с внешним смесеобразованием, в которых горючая смесь, состоящая из паров жидкого легкого топлива с воздухом или из газа с воздухом, образуется вне рабочего цилиндра - карбюраторные и газовые двигатели.

По способу воспламенения рабочей смеси: с самовоспламенением топлива (дизели), в которых впрыскиваемое в камеру сгорания жидкое топливо воспламеняется вследствие высокой температуры воздуха в конце сжатия; с принудительным зажиганием, в которых воспламенение горючей смеси происходит в результате ее зажигания от постороннего источника (электрической искры) - карбюраторные и газовые двигатели.

По роду рабочего цикла различают двигатели:

· с подводом теплоты при постоянном объеме - двигатели, имеющие сравнительно низкую степень сжатия, и принудительное зажигание топлива (карбюраторные и газовые);

· с подводом теплоты при постоянном давлении - двигатели, имеющие более высокую степень сжатия (с воздушным распыливанием и самовоспламенением топлива) - компрессорные дизели (в настоящее время такие двигатели не применяют);

· со смешанным подводом теплоты — частью при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении двигатели с высокой степенью сжатия - бескомпрессорные дизели. К этому типу дизелей относятся современные тепловозные дизели.

Таким образом, тепловозные ДВС - это бескомпрессорные дизели с самовоспламенением топлива и внутренним смесеобразованием, работающие на дизельном топливе по смешанному циклу.

По расположению рабочих цилиндров различают двигатели вертикальные, горизонтальные; одно- и двухрядные; с параллельно расположенными цилиндрами и V-образные; двигатели с расходящимися поршнями (с двумя и более коленчатыми валами).

По способу охлаждения цилиндров бывают двигатели с водяным и воздушным охлаждением.

Дизельные двигатели, кроме того, классифицируются по способу наполнения рабочего цилиндра. Используют двигатели без наддува, у которых всасывание воздуха осуществляется непосредственно поршнем (четырехтактные) или заполнение цилиндра происходит продувочным воздухом с давлением, необходимым лишь для осуществления процесса смены заряда (двухтактные), и двигатели с наддувом, у которых воздух подается в цилиндр под давлением специального нагнетателя.

Современные тепловозные двигатели представляют собой многоцилиндровые, двух- или четырехтактные дизели средней быстроходности, с водяным охлаждением и, как правило, с наддувом воздуха. Иногда применяются и быстроходные четырехтактные дизели.

Согласно стандарту каждый двигатель характеризуется условным обозначением, включающим в себя (в последовательном порядке) число цилиндров; буквы, характеризующие тип двигателя (Ч - четырехтактный, Д - двухтактный, Н - с наддувом); численные значения диаметра цилиндра и хода поршня (в сантиметрах в виде дроби). Заводы-изготовители, кроме того, обычно присваивают свои условные заводские обозначения (ПД1, 10ДI00, М756 и т. д.). Дизель 10Д 100 обозначается 10ДН20, 7/2х 25, 4, дизель 6Д70- 6ЧН24/27, дизель 5Д49- 16ЧН26/26.

Таблица 17.

Основные технические данные тепловозных дизелей

 

Наименование	2Д100	10Д100	1А-5Д49	2А-5Д49	ПД1М	М756, А, В	М753	1Д49	FDL-16
Обозначение по ГОСТ	10ДН	16ЧН	6ЧН	12Ч	20ЧН	16ЧН
Номинальная мощность, кВт
Номинальная угловая скорость, рад/с	89, 0	89, 0	79, 0	104, 0	104, 0	146, 5	157, 0	115, 0	110, 0
Удельный номинальный расход топлива, г/(кВт ч)		218+5%				211+5%	218+5%		-
То же, масла	5, 45	4, 1	3, 5	3, 5	5, 45	5, 45	5, 45	3, 5	-
Масса на единицу мощности, кг/кВт	13, 2	8, 8	8, 4	6, 3	18.4	2, 99	2, 44	5, 0	7, 92

На тепловозах применяются четырех и двухтактные бескомпрессорные двигатели внутреннего сгорания.

Четырехтактными называются дизели, у которых полный рабочий цикл - поступление воздуха в цилиндр, перемешивание и сгорание топлива, расширение газов и удаление их из цилиндра - осуществляется за четыре хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. У двухтактных двигателей полный рабочий цикл в цилиндре происходит за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Следует подчеркнуть, что у четырехтактных дизелей продувка и зарядка цилиндра свежим воздухом происходят иначе, чем у двухтактных, само же смешение топлива с воздухом и сгорание рабочей смеси у обоих типов дизелей одинаково. Обычно задается вопрос: «Какой из этих типов дизелей лучше? ». На протяжении многих лет в различных отраслях экономики применяются и четырехтактные и двухтактные дизели. Однако качество дизеля определяет не его тактность, а надежность, экономичность, конструкционная и технологическая отработанность, долговечность и, наконец, правильный выбор типа дизеля для данного рода службы. Четырехтактные дизели имеют, как правило, меньший удельный расход топлива, меньшую тепловую напряженность, так как в единицу времени совершают меньшее количество тепловых и силовых циклов, чем двухтактные при тех же условиях.

В двухтактных дизелях проще система газораспределения, но в них хуже очищаются и продуваются свежим воздухом цилиндры. Вместе с тем с 1 л рабочего объема цилиндра при прочих равных условиях у двухтактных дизелей снимается на 60—70 % большая мощность, чем у четырёхтактных. Однако с увеличением давления наддува все яснее вырисовывается преимущество четырехтактных дизелей перед двухтактными.

У четырехтактного дизеля (рисунок 41) при движении поршня вниз (1-й такт) воздух подается в цилиндр через открытый впускной клапан. При обратном движении поршня (2-й такт), когда клапаны закрыты, происходит сжатие воздуха, сопровождающееся сильным его нагреванием. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается дизельное топливо, которое самовоспламеняется.

 

1 такт 2 такт 3 такт 4 такт

воздух топливо выхлопные газы

 

Рисунок 41. Схема работы четырехтактного дизеля:

1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шатун; 4 - кривошип; 5 -впускной клапан; 6 - выпускной клапан.

В цилиндре повышаются давление и температура; продукты сгорания топлива давят на поршень, перемещают его вниз и совершают при этом полезную работу (3-й такт). При следующем ходе поршня вверх (4-й такт) происходит выпуск отработавших газов из цилиндра. Таким образом, рассмотренные процессы, составляющие рабочий цикл двигателя, протекают за четыре хода поршня, т.е. за два оборота коленчатого вала. Рабочим ходом поршня, совершающим полезную работу (вращение вала), является только третий.

У двухтактного двигателя (рисунок 42) при движении поршня вверх (1-й такт) вначале закрываются выпускные окна, а затем и продувочный, после чего происходит сжатие воздуха. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается дизельное топливо, которое самовоспламеняется. Продукты сгорания топлива давят на поршень и, перемещая его, совершают полезную работу (2-й такт). В конце 2-го такта открываются вначале выпускные окна, через которые выходят отработавшие газы (предварение выпуска), а затем продувочные окна, через которые поступает сжатый воздух для продувки и наполнения цилиндра. Таким образом, работа двухтактного двигателя происходит за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала.

Мощность двигателя пропорциональна количеству сжигаемого в цилиндре топлива, однако, чем больше сжигается топлива, тем больше нужно подать воздуха. В связи с этим в двигателях современных тепловозов воздух в цилиндры нагнетается под давлением (1, 35¸ 2, 4) 10⁵ Па, что существенно увеличивает мощность двигателя. Такой способ заряда цилиндра свежим воздухом называется наддувом.

На современных тепловозах распространены двухтактные двигатели 10Д100 и четырехтактные 5Д49.

 

1 такт 2 такт

Топливо

 

 

 

Рисунок 42. Схема работы двухтактного двигателя:

1- поршень; 2- продувочные окна; 3 - шатун; 4 - кривошип; 5 - поршень; 6 - выпускные окна.

Дизель типа Д100 – десятицилиндровый двухтактный с прямоточно-щелевой продувкой и расходящимися поршнями, оснащен комбинированным наддувом. Блок дизеля установлен на поддизельную раму. В верхней части блок закрыт съемной крышкой со смотровыми люками. В блоке дизеля вертикально в ряд установлены десять втулок цилиндров. Втулки цилиндров в средней части имеют три отверстия под установку двух форсунок и индикаторного крана. В блоке в коренных подшипниках уложены верхний и нижний коленчатые валы. Коленчатые валы связаны между собой вертикальной передачей. От нижнего коленчатого вала суммарная мощность передается генератору. В каждой цилиндровой втулке в противоположных направлениях движутся нижний и верхний поршни, которые с помощью шатунов соединены с коленчатыми валами. При движении верхний поршень отстает от нижнего на 12⁰ угла поворота коленчатого вала. Угол поворота отсчитывается от верхней мертвой точки нижнего поршня. За 10⁰ до верхней мертвой точки топливные насосы через форсунки начинают впрыскивание топлива в камеру сгорания. К моменту начала впрыскивания воздух в камере сгорания имеет температуру достаточную для самовоспламенения топлива. Сгорание топлива обеспечивает повышение давления в цилиндре до 9-10 МПа. Под действием давления газов поршни расходятся от верхней мертвой точки, и через шатуны поворачивают коленчатые валы. Через 124⁰ от верхней мертвой точки нижний поршень кромкой днища открывает выпускные окна. Отработавшие газы через выпускную коробку устремляются в выпускные коллекторы и далее к турбинам. Верхний поршень через 140⁰ от верхней мертвой точки открывает продувочные окна. Воздух, поступая из воздушного ресивера, вытесняет отработавшие газы и заполняет свежим зарядом объем цилиндра. Через 236 ⁰ от верхней мертвой точки нижний поршень закрывает выпускные окна. Зарядка заканчивается при повороте коленчатого вала на 244 ⁰ от верхней мертвой точки, когда верхний поршень полностью закрывает продувочные окна. При дальнейшем движении поршней навстречу друг другу рабочий цикл дизеля повторяется. Общий вид дизеля 10Д100 приведен на рисунке 43.

Дизели типа Д49 – четырехтактные V-образные с турбонаддувом и клапанным распределением. Блок цилиндров установлен на раму. К стойкам блока снизу крепятся подвески, в отверстия которых установлены вкладыши коренных подшипников. В блоке установлены втулки цилиндров, закрытые сверху крышками. В цилиндровых крышках расположены выпускные клапаны, впускные клапаны и форсунки. Привод клапанов осуществляется от распределительного вала через штаги и рычаги. От этого же вала приводятся и топливные насосы.

Рабочий цикл в дизеле 5Д49 совершается за два оборота коленчатого вала. При вращении вала от нижней мертвой точки воздух в рабочем объеме цилиндра между поршнем и крышкой цилиндра сжимается за 20 ⁰ до верхней мертвой точки в такте сжатия, и цилиндр подается топливо. Под действием газов поршень в такте расширения движется вниз и через шатун прицепной или главный вращает коленчатый вал. За 50 ⁰ до нижней мертвой точки открываются выпускные клапаны, и отработавшие газы удаляются в выпускные коллекторы. В такте выпуска при движении поршня вверх происходит выталкивание отработавших газов. Впускные клапаны открываются за 55⁰ до верхней мертвой точки. При открытых впускных и выпускных клапанах происходит продувка цилиндра. Через 35 ⁰ после верхней мертвой точки при движении поршня вниз цилиндр заряжается свежим воздухом в такте всасывания. При движении поршня после нижней мертвой точки вверх впускные клапаны закрываются с запаздыванием на30⁰. снова начинается такт сжатия, и весь цикл повторяется. Общий вид дизеля 5Д49 приведен на рисунке 44.

 

 

Рисунок 43. Схема дизеля типа Д100:

Поддизельная рама; 2- блок дизеля; 3, 11 – шатун; 4, 6 – поршень; 5 – форсунка; 7 – цилиндровая втулка; 8 – съемная крышка со смотровыми люками; 9, 18 – коренные подшипники; 10, 17 – коленчатый вал; 12 – воздушный ресивер; 13 – продувочные окна; 14 – топливные насосы; 15 – выпускные окна; 16 – выпускные коллекторы.

При работе двухтактного дизеля по сравнению с четырехтактным на всех режимах расходуется больше воздуха на продувку цилиндров, на что затрачивается дополнительная мощность и расходуется топливо. Кроме того, у двухтактного двигателя (из-за необходимости лучшего охлаждения цилиндропоршневой группы) с водой и маслом отводится относительно большее количество тепла. Это приводит к необходимости увеличения поверхности охлаждения и массы охлаждающих устройств и к повышению затрат мощности на охлаждение. В результате возрастает общая масса силовой установки и уменьшается ее экономичность. По данным исследований, масса на единицу мощности силовой установки в случае двухтактного дизеля возрастает на 0, 37 кг/кВт, а ее общий КПД снижается на 1, 4%. Поэтому применять двухтактные дизели на перспективных тепловозах нецелесообразно без значительного увеличения их экономичности и надежности.

В соответствии с тенденциями развития тепловозной тяги возникает необходимость непрерывного увеличения агрегатной мощности дизелей. Наибольшая мощность находящихся в эксплуатации отечественных тепловозных дизелей составляет 2940 кВт в 16-цилиндровом исполнении. Созданы образцы дизелей агрегатной мощностью 4400 кВт в 20-цилиндровом исполнении.

 

Рисунок 44. Схема дизеля типа Д49:

1 – поддизельная рама; 2- блок дизеля; 3 – цилиндр; 4, 6 – клапан; 5 – форсунка;

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: