§ 3. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания, его основные

детали, системы и устройства

Поршневым ДВС называется такой тепловой, двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего внутри рабочего цилиндра, превращается в тепловую, а затем с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую.

П

Рис. 1.2 Схема четырехтактного

тронкового двигателя

Прямолинейное движение поршня преобразуется шатуном 12 и кривоши­пом 2 во вращательное движение колен­чатого вала. Во время работы двига­теля поршень, перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения: верх­нее и нижнее. Крайнее верхнее положе­ние поршня называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), а край­нее нижнее - нижней мертвой точкой (н. м. т.). Расстояние между мертвыми точками (м. т.), измеренное по оси цилиндра, называется ходом поршня, который обозначается буквой S. По рис. 1.2 нетрудно установить, что S=2R, т. е. ход поршня равен двум радиусам кривошипа. Одному ходу поршня соответствует угол поворота коленчатого вала на 180°. Следовательно, при повороте вала на 360° поршень совершит два хода.

Комплекс последовательных процессов, периодически повторяющий­ся в каждом цилиндре и обуславливающий работу двигателя, называет­ся рабочим циклом. Часть цикла, происходящая на протяжении одного хода поршня, называется тактом.

* 1 Мн/м ≈ 10,2 кгс/см ≈ 10,2 ат ≈ 1,02 МПа.

Рабочий цикл может совершаться за четыре или за два хода поршня, в соответствии с чем двигатели называются четырехтактными или двухтактными. У четырехтактных двигателей на каждые четыре хода поршня или два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход, а у двухтактного двигателя один рабочий ход - на два хода поршня или на один оборот коленчатого вала. Нерабо­чие ходы поршня являются вспомогательными и совершаются за счет кинетической энергии движущихся частей двигателя, приобретаемой ими за период рабочего хода.

Сгорание топлива непосредственно в цилиндре является наиболее рациональным и позволяет обойтись без промежуточного рабочего тела (пара) и без дополнительных устройств (котлов, пароперегревателей и т. д.), необходимых для его приготовления. Благодаря этому уменьша­ются тепловые потери. Следовательно, ДВС наиболее экономичны из всех тепловых двигателей. В современных двигателях в полезную рабо­ту превращается до 30 - 43% теплоты, получаемой при сгорании топли­ва, тогда как в паровых турбинах ее используется 20 - 26%, в газовых 20 - 30%, а в паровых машинах 10 - 20%.

Основной характеристикой двигателя служит эффективная мощность N , развиваемая на коленчатом валу и отдаваемая потребителю энергии (на судовых двигателях гребному винту или электро­генератору). Мощность, развиваемая в цилиндрах двигателя, называет­ся индикаторной N . Эффективная мощность меньше индика­торной на величину потерь мощности, затрачиваемой на преодоление трения в механизме двигателя, на привод механизмов, навешенных на двигатель, а также на преодоление сопротивлений, возникающих при наполнении цилиндров свежим зарядом и при очистке их от отрабо­тавших газов.

Основным показателем экономичности двигателя является удель­ный эффективный расход топлива на единицу мощно­сти в час, который для наиболее экономичных двигателей (дизелей) составляет 200 - 230 г/квт ч или 145 - 170 г/л. с. ч. Эффективный рас­ход топлива у паросиловых установок значительно выше и колеблется в пределах 300 - 450 г/квт ч.

В связи с низкой экономичностью суда с паровыми машинами не строят.

Современный судовой ДВС представляет собой сложную машину, состоящую из множества различных деталей, механизмов и устройств, обеспечивающих его работу.

Для удобства изучения все детали двигателя, механизмы и устройст­ва принято группировать следующим образом: а) основные детали; б) системы; в) устройства.

Основные детали разделяются на неподвижные, составляющие остов двигателя, и подвижные. К деталям остова (см. рис. 1.2) относятся блок цилиндров 9, рабочая втулка 10, станина 3, фундаментная рама 1 и крышка цилиндра 5, а к подвижным - поршень 11, шатун 12, колен­чатый вал 13. Кроме того, у двигателей больших мощностей к подвиж­ным деталям могут относиться шток и крейцкопф, не показанные на рисунке. Изображенный на рис. 1.3 механизм для преобразования воз­вратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, состоящий из кривошипа и шатуна, называется кривошипно-шатунным.

У двигателей больших мощностей в кривошипно-шатунный механизм входят, кроме того, шток 2 (рис. 1.3) и крейцкопф 1. В зависимости от конструкции кривошипно-шатунного механизма двигатели разделяются на тронковые, у которых поршни соединяются непосредственно с шату­нами (см. рис. 1.2), и крейцкопфные, у которых поршни с шатунами сое­диняются с помощью штоков и крейцкопфов (см. рис. 1.3).

Системой называется комплекс деталей, механизмов и приборов, выполняющих какую-либо определенную функцию по обеспечению работы двигателя.

Каждый двигатель, независимо от типа и мощности, имеет следую­щие системы.

Система газораспределения. Состоит из впускного 6 и выпускного 7 (см. рис. 1.2) клапанов, распределительного вала 4 и привода к нему, привода к клапанам 8, впускного и выпускного коллекторов, не показан­ных на рисунке. У двухтактных двигателей функцию клапанов выполня­ют прорези в стенках цилиндра, называемые впускными и выпускными окнами. Некоторые двухтактные двигатели имеют клапаны. Эта система обеспечивает своевременное заполнение цилиндров свежим зарядом и очистку их от продуктов сгорания.

Топливная система. Предназначена для непрерывного питания дви­гателя топливом. В нее входят: топливные цистерны для хранения запа­са топлива на судне; расходные топливные цистерны (дежурные), из ко­торых топливо подается к двигателю; сепараторы; трубопроводы; фильтры для очист­ки топлива; перекачивающие насосы; насосы для подачи топлива под дав­лением в цилиндры (топливные насосы); форсунки - топливные клапа­ны, служащие для распыливания топлива в цилиндре, система подогрева. У двигателей, работающих на тяжелых сортах топ­лива, в топливную систему, кроме того, входят устрой­ства для подогрева топлива.

Рис. 1.3 Схема

крейцкопфного

двигателя

Система смазки. Обеспечивает смазку трущихся частей и их охлаждение. В нее входят цистерны для хранения свежего масла и сбора отработавшего, трубопроводы, перека­чивающие насосы, сепараторы, устройства для подачи масла к трущим­ся поверхностям, устройства для очистки и охлаждения масла, контрольно-измерительные приборы.

Система охлаждения. Предназначена для устране­ния перегрева частей двигателя, соприкасающихся с го­рячими продуктами сгорания. В нее входят трубопро­воды, насосы, фильтры, холодильники и контрольно-измерительная аппаратура.

Система регулирования частоты вращения коленча­того вала.

Система контроля, аварийно-предупредительной сигнализации и защиты. Обеспечивает нормальную и безаварийную работу двигателя.

Все перечисленные системы создают условия для нормальной работы двигателя. Если какая-либо из си­стем прекратит свое действие, то двигатель не будет работать.

При нарушении смазки или охлаждении двигателя он может остано­виться вследствие заклинивания поршней в цилиндрах, задира и рас­плавления подшипников.

Под устройством понимается комплекс деталей, механизмов и при­боров, предназначенных для управления двигателем и контроля за его работой.

К устройствам относятся: пусковое - для раскручивания колен­чатого вала при пуске двигателя в ход, реверсивное - для изме­нения направления вращения коленчатого вала с целью обеспечения хода судна «вперед» и «назад», управления - для изменения ре­жима работы двигателя, устройства для приготовления и хранения сжатого воздуха, обеспечивающие воздухом пусковые и реверсивные устройства.

В зависимости от типа, назначения и мощности двигателя отдель­ных устройств на нем может не быть. Так, например, у вспомогатель­ных двигателей нет реверсивного устройства, устройства для приготов­ления сжатого воздуха, а у маломощных двигателей - пускового устройства. Пуск таких двигателей производится рукояткой, с помощью которой их коленчатый вал раскручивается вручную.