Раскрыть 14 тем (ответьте на вопросы под темами кратко) и решить все задачи (26 вариант)

Габариты двухтактных двигателей несколько больше, чем четырехтактных.

В настоящее время наблюдается тенденция преимущественного применения двухтактного цикла в малооборотных мощных судовых двигателях и в высокооборотных двигателях относительно малой мощности (лодочные, мотоциклетные и частично автотракторные двигатели). В энергоустановках мощностью от 50 до 2000 кВт наибольшее применение находят четырехтактные двигатели, которые вытесняют в них двухтактные двигатели.

Тема 12. Наддув ДВС.

1. Каковы возможные пути увеличения мощности ДВС?

Повышение мощности двигателя за счет принудительной подачи в его цилиндры увеличенного количества предварительно сжатого воздуха, т. е. наддува.

2. Каковы основные достоинства и недостатки различных способов наддува?

Газотурбинный наддув (ГТН) отличается тем, что для привода нагнетателя используется энергия отработавших газов, часть которой преобразуется в механическую работу в газовой турбине. Двигатели с автономным ГТН имеют высокую экономичность за счет использования части энергии отработавших газов, которая в ДВС с механическим наддувом и без наддува относится к потерям. Двигатели со свободным ГТН относительно просты по устройству, в них никак не осложняется проблема реверса. ДВС с автономным ГТН плохо приспособлены к резким изменениям нагрузки. К недостаткам свободного ГТН также относится повышенная чувствительность двигателя к сопротивлениям газовоздушных трактов, некоторое ухудшение пусковых качеств.

Газотурбинный наддув с механической связью отличается от свободного ГТН тем, что в нем с коленчатым валом двигателя механически связаны роторы нагнетателя и турбины или ротор турбокомпрессора. Благодаря наличию механической связи при такой системе наддува удается улучшить пусковые и маневренные качества двигателя. По этим показателям они приближаются к двигателям с механическим наддувом. K недостаткам такой системы наддува относят заметное усложнение конструкции двигателя, ухудшение его экономичности на долевых режимах работы.

Комбинированный наддув представляет собой различные комбинации механического и свободного газотурбинного наддува. К достоинствам этого вида наддува можно отнести улучшенные пусковые и маневренные качества двигателя. Это же достоинство можно отнести и к недостаткам, т.к. оно достигается за счет усложнения конструкции.

Последовательный или двухступенчатый комбинированный наддув предусматривает повышение давления воздуха последовательно в двух нагнетателях с различными приводами.

Комбинированный последовательный наддув отличается следующими основными достоинствами:

1. Наличие приводного нагнетателя позволяет осуществить практически любую степень наддува при обеспечении приемлемых пусковых и маневренных качеств дизеля.

2. При работе с n = const (по нагрузочной характеристике) за счет изменения энергии отработавших газов изменяется расход воздуха, что обеспечивает более плавное изменение тепловой напряженности деталей с изменением нагрузки.

Однако указанные достоинства достигаются значительным усложнением конструкции двигателя.

Под двухступенчатым наддувом понимается последовательное включение двух нагнетателей, каждый из которых приводится газовой турбиной. По отношению к одноступенчатому двухступенчатый наддув имеет следующие преимущества:

1. Значительно более высокий уровень рк, и в связи с этим возможность получения больших значений ре.

2. Более высокий КПД при равном рк, так как КПД компрессора и КПД турбины падают при увеличении напора τк.

КПД двухступенчатого наддува может быть повышен еще и за счет промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.

3. Более широкое поле характеристик и поэтому лучшая приспособляемость к желаемому диапазону работы двигателя.

К недостаткам можно отнести: увеличение массо-габаритных показателей и удорожание двигателя. Кроме того, такие двигатели имеют худшую приемистость, так как при использовании той же энергии отработавших газов должны разгоняться два ротора турбокомпрессоров.

3. Чем вызвано применение газотурбинного наддува с механической связью?

Применение ГТН с механической связью вызвано тем, что на номинальной нагрузке мощность турбины меньше мощности, потребляемой нагнетателем.

4. Почему в двухтактных ДВС часто применяется комбинированный наддув?

В двухтактных ДВС на большинстве режимов мощность турбины оказывается недостаточной для создания необходимого рк. В связи с этим в двухтактных ДВС часто применяется комбинированный наддув.

5. Как изменяются показатели рабочего цикла при наддуве?

При наддуве с увеличением давления наддува имеет место возрастание коэффициента наполнения, увеличение давления и температуры в конце сжатия, незначительный рост индикаторного КПД, увеличение механического КПД и как следствие увеличение эффективного КПД.

6. Как используется энергия отработавших газов при газотурбинном наддуве?

Нагнетатель, рабочее колесо которого установлено на одном валу с рабочим колесом газовой турбины, приводится в действие за счет энергии отработавших в поршневой части газов. Отработавшие в цилиндре газы с параметрами рт и Тт направляются в газовую турбину, где преобразуется часть их энергии в работу. Из турбины газы с рг и Тг удаляются через выпускной тракт из энергоустановки.

7. Каковы назначение и основные способы охлаждения наддувочного воздуха?

С целью увеличения плотности заряда в ДВС с наддувом применяют охлаждение наддувочного воздуха. Основные способы охлаждения наддувочного воздуха можно разделить на две группы: охлаждение внутри цилиндров ДВС и охлаждение вне цилиндров.

Охлаждение вне цилиндров может осуществляться:

— в рекуперативных теплообменниках;

— в водоконтактных аппаратах, в которых охлаждение достигается при контакте воздуха с охлаждающей водой, прокачиваемой поперек воздушного потока.

8. Каковы основные особенности работы СПГГ?

В свободно-поршневых генераторах газа (СПГГ) обычно используется одноцилиндровый двухтактный двигатель с противоположно движущимися поршнями. Рабочий цикл в СПГГ совершается за два хода поршней. Ход поршней, когда они расходятся от ВМТ к НМТ, называется прямым, а когда сходятся — обратным. Прямой ход поршней совершается за счет энергии расширения продуктов сгорания топлива в цилиндре ДВС. При обратном ходе имеют место следующие процессы:

1) в цилиндре двигателя — продолжение продувки и наполнения его свежим зарядом, сжатие заряда, впрыск топлива и самовоспламенение впрыскиваемого топлива;

2) в полости компрессора — сжатие воздуха и нагнетание его в продувочный ресивер;

3) в буферной полости — расширение воздуха. За счет энергии расширения этого воздуха и совершается обратный ход.

Задача 15. Оценить, как изменяются индикаторная и эффективная мощности, механический и эффективный КПД двигателя 8Ч 15/5 за счёт применения свободного газотурбинного наддува без охлаждения наддувочного воздуха. При оценке принять:

1. Параметры состояния воздуха при сжатии в нагнетателе от до изменяются по политропе с показателями ,.

;

2. Коэффициент избытка воздуха с увеличением на 0,01 МПа возрастает на 3% (условно), а коэффициент наполнения — на 1%.

3. Индикаторный КПД и мощность механических потерь не изменяются (,).

4. Параметры окружающей среды принять нормальными ().

Дано: двигатель без наддува 8Ч 15/5 при без наддува развивает мощность, имеет кг/(кВт*ч),, .

Оценить, , и при наддуве до ,.

без охлаждения наддувочного воздуха.

Решение.

1. Определим значение коэффициента избытка воздуха для ДВС без наддува:

1.

1. Расход воздуха:

.

.

.

1.

2. Коэффициент избытка воздуха:

.

2. Мощность механических потерь:

.

3. Индикаторный КПД:

.

4. Определим показатели работы ДВС при наддуве:

4.

1. Температура воздуха после нагнетателя:

.

4.

2. Плотность воздуха:

.

4.

3. Произведение:

;

возрастает на 4%.

4.

4. Расход воздуха:

.

4.

5. Значение :

.

4.

6. Расход топлива при :

.

4.

7. Индикаторная мощность:

;

.

4.

8. Эффективная мощность:

.

4.

9. Удельный эффективный расход топлива:

.

4.

10. Механический и эффективный КПД:

;

.

Задача 16. По исходным данным задачи 15 оценить значения индикаторных и эффективных показателей (,, ,, , ,) при использовании свободного газотурбинного наддува и охлаждении наддувочного воздуха до температуры .

Сравнить и проанализировать результаты решения задач.

15 и 16.

Решение.

1. При охлаждении наддувочного воздуха его плотность:

.

2. Расход воздуха:

.

3. Расход топлива при :

.

4. Индикаторная мощность:

.

5. Эффективная мощность:

.

6. Механический и эффективный КПД:

;

.

7. Удельный эффективный расход топлива:

.

Вывод: Снижение температуры на 22° привело к увеличению мощности на 12,6 кВт; эффективного КПД на.

1,3%; механического КПД на 1,3%; и снижению удельного эффективного расхода топлива на 1%.

Тест 7.

Сравнить значения, ,, двух одинаковых дизелей 16ЧН 25/27 со свободным газотурбинным наддувом, работающих при (), но имеющих разные значения и .

Решение.

ДВС № 1 ДВС № 2.

16ЧН 25/27 16ЧН 25/27.

=.

1. <

2. >

3. >

4. >

5. <

Тема 13. Характеристики ДВС.

1. Какие свойства ДВС определяются скоростными.

(внешними) характеристиками?

Мощностные и экономические параметры определяются скоростными характеристиками.

2. Каково предназначение внешней характеристики?

Внешняя характеристика предназначена для определения мощностных и экономических показателей в зависимости от частоты вращения.

3. Каков характер изменения основных параметров ДВС.

(,, ,, ,, , и др.) при работе по внешней характеристике?

Индикаторная мощность изменяется прямо пропорционально частоте вращения. При увеличении частоты вращения растёт. При увеличении частоты вращения растёт эффективная мощность и мощность механических потерь. Механический КПД при увеличении частоты вращения уменьшается. Индикаторный и эффективный КПД при увеличении частоты вращения сначала увеличиваются до некоторого максимального значения, затем уменьшаются. Крутящий момент при увеличении частоты вращения плавно растёт и достигая максимального значения, также плавно уменьшается. Коэффициент избытка воздуха с увеличением частоты вращения уменьшается.

4. Какое свойство ДВС характеризует коэффициент приёмистости ?

Коэффициент приёмистости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки.

5. Как изменяются основные показатели работы ДВС.

(,, ,, ,, и др.) при работе по нагрузочной характеристике?

При увеличении нагрузки механический КПД растёт.

Индикаторный и эффективный КПД при увеличении нагрузки растут достигая своего максимального значения, затем плавно уменьшаются. Эффективный расход топлива при увеличении нагрузки уменьшается. Коэффициент расхода воздуха при увеличении нагрузки плавно увеличивается, достигая максимального значения резко уменьшается. Давление на впуске при увеличении нагрузки уменьшается.

6. Как зависит характер изменения показателей работы ДВС по нагрузочной характеристике от способов наддува?

В зависимости от способов показатели работы ДВС могут расти и уменьшатся. Например у двигателей с ГТН при резком увеличении нагрузки быстро изменяется цикловая подача топлива, а рост nтк и, следовательно, расхода воздуха значительно отстает. Это вызывает резкое снижение коэффициента избытка воздуха во время переходных процессов и, как следствие, ухудшение индикаторных показателей работы ДВС.

7. Каковы основные особенности работы дизелей на малых нагрузках?

Основные особенности работы дизелей на малых нагрузках следущие:

1. Низкая экономичность.

2. Неполнота сгорания топлива и особенно смазочного масла приводит к загрязнению выпускных систем продуктами разложения топлива и масла, создавая предпосылки к взрывам и пожарам в энергоустановках.

3. Часть продуктов разложения топлива и масла вместе с газами выбрасывается в атмосферу.

5. Увеличивается неравномерность цикловой подачи топлива по цилиндрам, что вызывает ухудшение динамических показателей многоцилиндрового двигателя и даже пропуск вспышек в отдельных цилиндрах.

6. Существенное увеличение нагарообразования в цилиндре способствует потере подвижности (зависанию) поршневых колец и, как следствие, их неравномерному перегреву, который может привести к короблению и даже поломке колец. В последнем случае «обломки» колец разбивают ручьи поршня и выводят его из строя. Происходит так называемое «прогорание» поршней. Интенсивное нагарообразование может вызывать закоксовывание отверстий распылителей форсунок.

5. Несгоревшее топливо со стенок цилиндра при помощи маслосъемных поршневых колец попадает в масло, вызывая ухудшение его смазочных свойств.

8. Какие известные способы улучшения работы ДВС при малых нагрузках находят применение в настоящее время?

В настоящее время предложено и испытано много способов улучшения работы дизелей на холостом ходу и малых нагрузках, но ни один из них пока не нашел широкого применения. На тепловозных двигателях типа Д100 находило применение отключение части форсунок, сначала отключалось 5 из 20 форсунок, затем 10, а на холостом ходу — 15 форсунок.

Также вместе с отключением подачи топлива в отдельные цилиндры закрывают в них впускные и выпускные клапаны. Осуществляют частичный перепуск отработавших газов с выпуска на всасывание (рециркуляцию отработавших газов).

9. Как зависит мощность ДВС от параметров состояния атмосферного воздуха и сопротивлений газовоздушных трактов?

Уменьшение температуры и давления атмосферного воздуха приводит к уменьшению мощности ДВС. Увеличение сопротивлений газовоздушных трактов также приводит к уменьшению мощности ДВС.

10. Каковы возможные и реализуемые режимы работы ДВС? Какова градация их мощностей.

Различают установившиеся и неустановившиеся режимы работы. Под установившимися режимами понимают такие, при которых основные параметры рабочего процесса остаются неизменными и не зависят от времени.

Если хотя бы один из параметров, определяющих режим работы, изменяется во времени, то режим считается неустановившимся. Во время эксплуатации, большую часть времени двигатели работают на неустановившихся режимах. Однако именно такие режимы пока еще наименее изучены. Причем за основу их изучения принимаются результаты исследований установившихся режимов.

В зависимости от условий работы потребителя все режимы делят на две группы: транспортные и стационарные.

Транспортные режимы отличаются широким диапазоном изменения частоты вращения. Например, дизель, соединенный с винтом судна, работает в транспортном режиме, и из поля возможных режимов работы на нем может реализоваться только небольшая часть. Режимы, при которых частота вращения почти не изменяется, называются стационарными. Синхронные дизель-генераторы передвижной электростанции работают в стационарном режиме, а приводной дизель насоса стационарной насосной станции работает в транспортном режиме.

Для стационарных, судовых, тепловозных и промышленных дизелей используются следующие наименования мощностей.

Номинальная мощность Neн — это длительная эффективная мощность, назначаемая предприятием-изготовителем при номинальной частоте вращения, определенной комплектности и условиях, для которых предназначается дизель с учетом возможности развития максимальной мощности.

Максимальная мощность Nemax — это кратковременная мощность, превышающая номинальную, три тех же условиях и комплектности, при которых назначается Neн, и используемая периодически в течение ограниченного времени.

В случае, когда Nemax не назначается, номинальная мощность устанавливается с учетом недопустимости ее превышения и она называется полной мощностью Neпол .

Минимальная мощность Nemin, допускаемая при длительной работе двигателя — это наименьшая длительная эффективная мощность, гарантируемая предприятием-изготовителем при соответствующей частоте вращения.

Задача 17. Оценить изменение, ,, , при работе по нагрузочной характеристике дизеля без наддува при значениях. По результатам оценочных расчётов построить графики функций, ,, , .

Известны значения, , и на номинальном режиме.

Дано: ДВС 6ЧН 18/20;; %; %; .

Решение.

Исходные данные и результаты расчётов заносим в таблицу 1.

Таблица 1. Оценочные показатели работы ДВС типа.

6ЧН 18/20 по нагрузочной характеристике.

Определим индикаторную мощность на номинальном режиме:

.

Определим мощность механических потерь на номинальном режиме:

.

Определим механический КПД для каждого из режимов:

;

%;

%;

%;

%.

Индикаторная мощность:

;

;

;

.

Эффективный КПД:

%;

%;

%;

%;

%.

Определим удельный эффективный расход топлива на всех режимах:

;

;

;

;

;

.

Определим расход топлива на каждом режиме:

;

;

;

;

;

.

Определим расход воздуха на номинальном режиме:

.

Принимаем расход воздуха одинаковым на каждом режиме.

Определим коэффициент избытка воздуха на каждом режиме:

;

;

;

;

.

По результатам расчётов строим графики функций, ,, , .

Задача 18. Оценить изменения, ,, , при работе дизеля со свободным газотурбинным наддувом по нагрузочной характеристике (при нагрузках 0; 0,25; 0,5; 0,75 от) и известным значениям, , и на номинальном режиме. При расчёте принять изменения расхода воздуха линейно от на номинальном режиме до на холостом ходу. Причём на холостом ходу равен расходу топлива двигателя без наддува. Размеры и число цилиндров в задачах 17 и 18 одинаковы.

По результатам расчётов построить графики тех же функций, что и в задаче 17, и сравнить их с графиками задачи 17.

Дано: ДВС — 6ЧН 18/20;; %;; кг/ч.

Решение.

Исходные данные и результаты расчётов заносим в таблицу 2.

Таблица 2. Оценочные показатели работы ДВС типа.

6ЧН 18/20 со свободным газотурбинным наддувом по нагрузочной характеристике.

Эффективный КПД двигателя:

.

Механический КПД двигателя:

.

Индикаторная мощность:

.

Определим мощность механических потерь на номинальном режиме:

.

Определим механический КПД для каждого из режимов:

;

%;

%;

%;

%.

Индикаторная мощность:

;

;

;

.

Эффективный КПД:

%;

%;

%;

%;

%.

Определим удельный эффективный расход топлива на всех режимах:

;

;

;

;

;

.

Определим расход топлива на каждом режиме:

;

;

;

;

.

Расход воздуха на холостом ходу:

.

Расход воздуха на номинальном режиме:

.

При нагрузке.

.

При нагрузке.

.

При нагрузке.

.

Определим коэффициент избытка воздуха на каждом режиме:

;

;

;

;

.

По результатам расчётов строим графики функций, ,, , .

Сравнивая построенные графики видно, что при газотурбинном наддуве с увеличением нагрузки имеет место увеличение расхода топлива и расхода воздуха при равных значениях эффективного КПД и удельного эффективного расхода топлива и уменьшение коэффициента избытка воздуха на холостом ходу и малых нагрузках.

Тест 8.

Сравнить значения эффективного, механического КПД, удельной эффективной работы, эффективной мощности, расхода воздуха, коэффициента избытка воздуха, температуры отработавших газов, удельного эффективного расхода топлива, расхода топлива (для каждого варианта сравниваются пять показателей по выбору).

Дано: двигатели одинаковые 8ЧН 26/26;;; .

Решение.

ДВС № 1 ДВС № 2.

8ЧН 26/26 8ЧН 26/26.

=.

1. <

2. <

3. <

4. <

5. >

Тема 14. Особенности теплообмена в ДВС.

1. С какими целями изучается теплообмен в ДВС?

Теплообмен в ДВС изучается с целью определения теплового состояния (уровеня температур и термических напряжений) деталей цилиндропоршневой грунты (ЦПГ), характеризующих работоспособность ДВС и его эксплуатационную надежность.

2. Какие параметры характеризуют работу ДВС?

Работу ДВС характеризуют следующие параметры:

1) циклический характер работы;

2) на установившемся режиме в течение цикла в широких пределах изменяются температура и теплотехнические характеристики рабочего тела;

3) в ДВС сочетаются вce три основные формы теплопередачи: излучение, теплопроводность и конвекция, которые оказывают влияние не локально (каждая в своей области), а во взаимодействии;

4) конструкция и специфические условия работы приводят к неравномерному распределению температур основных деталей двигателя;

5) работа на неустановившихся режимах связана с резким изменением температурных напряжений и уровня температур деталей камеры сгорания.

3. Как определяется тепловая напряжённость ДВС?

Тепловая напряжённость двигателя характеризует уровень температуры его основных деталей и определяет допускаемую из условий прочности применяемых материалов термическую нагрузку на них, а также условия работы трущихся пар.

4. Какие причины вызывают необходимость ограничения температуры деталей ДВС?

Условия прочности применяемых материалов из которых изготовлены детали ДВС.

5. Как изменяются температура деталей и напряжённость в них при изменении режимов работы?

При увеличении нагрузки температура деталей и напряжённость в них растёт.

6. Почему после пуска ДВС, как правило, требуется его прогрев?

Для стабилизации теплового состояния деталей.

7. Каковы основные особенности режима прогрева ДВС?

Режим прогрева ДВС имеет ряд особенностей:

1. Так как сразу после пуска не происходит отвода теплоты от деталей к охлаждающей среде, то подвод теплоты со стороны газов вызывает нарастание температура деталей ЦПГ только со стороны газов. При этом разность температур по толщине стенок сначала увеличивается (до момента начала повышения температуры стенки, омываемой водой), а затем уменьшается.

2. Максимальная скорость нарастания температуры в осевом и радиальном направлениях деталей ЦПГ наблюдается в первыe 20−40 секунд. Затем заметно уменьшается и через 5−6 минут температура стабилизируется.

3. Основные детали, имеющие контакт с продуктами сгорания, нагреваются почти синхронно.

4. Скорость нагрева деталей со стороны газа больше, чем со стороны охлаждающей среды.

5. Чем больше нагрузка на дизель после пуска, тем интенсивнее прогрев, тем быстрее устанавливаются температуры близкие к стационарной, но тем выше скорость нарастания температуры.

6. Конечный уровень температур не зависит от продолжительности прогрева и определяется, только нагрузкой.

8. Какими факторами определяется продолжительность прогрева ДВС?

Достижение эксплуатационной температуры масла после пуска двигателя является основным фактором определяющим продолжительность прогрева ДВС.

9. Какова динамика изменения температур и напряжений в деталях ДВС при его прогреве или при изменении нагрузки?

Тепловые напряжения при прогреве значительно выше таковых на установившихся режимах. Возрастание этих напряжений связанно с режимом прогрева. Максимальная скорость нарастания напряжений наблюдается в первые 10−20 секунд после пуска.

10. Как влияют на напряжённость ДВС режим охлаждения и параметры состояния окружающей среды?

Большое значение имеет правильное соотношение между количеством теплоты, отдаваемую в охлаждающую двигатель среду и удаляемой из цилиндра с отработавшими газами. Изменение режимов охлаждения и параметров состояния окружающей среды способствует увеличению напряжённости ДВС.

Задача 19. Определить косвенные показатели напряжённости двигателя и показатель его форсировки по известным значениям, и .

Дано: ДВС 4ЧН 11/13;;; .

Решение.

Средняя скорость поршня:

м/с.

Удельный расход топлива:

кг/(кВт*ч).

Объём цилиндра:

.

Эффективное давление:

МПа.

Косвенный показатель напряжённости двигателя:

.

Показатель форсировки двигателя:

.

Автомобильные двигатели. Под ред. М. С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977. 591 с.

Автомобильные и тракторные двигатели. Под ред. И. М. Ленина. М.: Высш. школа, 1969. 656 с.

Ведищев С. М. — Тамбов: ТГТУ, 2003. 80 с.

Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. В. Н. Луканина. М.: Высш. школа, 1985. 311 с.

Рабочие процессы, конструкция и основы расчёта тепловых двигателей и энергоустановок / Дыбок В. В. — СПб.: СПбГУСЭ, 2007. 189 с.

Топливо и смазочные материалы / Милованов А. В.,.