Поперечный разрез дизеля 4Ч 11/13

Содержание

Введение

1. Описание двигателя

2. Наддув дизелей

3. Расчёт рабочего цикла

3.1. Исходные данные

3.2. Расчёт процесса наполнения

3.3. Расчёт пресса сжатия

3.4. Расчёт пресса сгорания

3.5. Расчёт пресса расширения

3.6. Параметры центробежного компрессора с одноступенчатой схемой наддува

3.7. Параметры газовой турбины

3.8. Эффективные показатели двигателей

4. Построение индикаторной диаграммы

5. Суммарные силы и моменты действующие в КШМ

6. Расчёт на прочность основных деталей КШМ

6.1.Поршень

6.2. Поршневой палец

6.3. Поршневое кольцо

6.4. Шатун

6.5. Коленчатый вал

Заключение

Список используемых источников

Приложение А Спецификация к поперечному разрезу дизеля 4Ч 11/

Приложение Б Спецификация к общему виду турбокомпрессора ТКР-5.

Введение

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представляет собой тепловую машину, в которой теплота подводится к рабочему телу вследствие сжигания топлива в камере сгорания, т. е. химическая энергия топлива превращается в механическую работу непосредственно в цилиндре. Рабочим телом у такого двигателя является на первом этапе (процессы наполнения и сжатия) воздух или смесь воздуха с распыленным топливом, а на втором (после воспламенения и сгорания топлива)- продукты сгорания топлива — газы, которые, расширяясь, совершают работу.

По сравнению с другими типами тепловых двигателей ДВС обладает существенными преимуществами: горячий источник теплоты находится как бы внутри самого двигателя, что приводит к его компактности — отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые теплота подводится от горячего источника к рабочему телу, как это происходит в циклах пароэнергетических установок; в рабочем цикле ДВС предельные значения непрерывно меняющихся параметров рабочего тела (давление, температура), получающего теплоту вследствие тепловыделения в объеме самого рабочего тела, существенно превосходят предельные значения параметров рабочего тела тепловых машин с подводом теплоты от внешнего горячего источника (паровой котел в цикле паросиловой установки).

Все современные судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС) выполняют с наддувом, т. е. с принудительной подачей воздуха повышенного давления в цилиндры двигателя.

Классификация двигателей. Судовые ДВС могут быть классифицированы по следующим основным характерным признакам:

способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные (Ч), у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня; двухтактные (Д), у которых рабочий цикл происходит за два хода поршня;

способу действия — простого действия, когда рабочий цикл осуществляется только в одной полости цилиндра над поршнем (имеют преимущественное распространение); двойного действия (ДД), когда рабочий цикл осуществляется в двух полостях цилиндра; противоположно движущимися поршнями (ПДП) в одном цилиндре, образуя в ВМТ общую камеру сгорания;

способу наполнения цилиндра — без наддува, когда всасывание воздуха осуществляется поршнем (в четырехтактных ДВС) или благодаря продувочному воздуху, подаваемому в цилиндр продувочным насосом при давлении, незначительно превышающем атмосферное; с наддувом при наполнении цилиндра воздухом повышенного давления, создаваемым наддувочным компрессором с механическим или газотурбинным приводом;

расположению цилиндров — однорядные с вертикальным расположением цилиндров в одной плоскости; двухрядные с параллельным расположением рядов (сдвоенные) или с расположением рядов цилиндров под углом (V-образные); многорядные с расположением цилиндров под разными углами (Х-, W- и -образные);

конструкции камер сгорания (КС) — с неразделенными однополостными КС (в основном дизели средней и большей мощности); с полуразделенными КС (дизели с КС в поршне); с разделенными КС с двумя и более полостями (пред-, вихре- и воздушно-камерные);

конструктивному выполнению (КШМ) — тронковые, у которых направляющей является тронковая часть поршня, передающая его боковое (нормальное) давление на стенки цилиндра; крейцкопфные (К), у которых направляющей поршня служит ползун крейцкопфа, перемещающийся по параллели и передающий на стенки цилиндра нормальное давление;

изменению направления вращения коленчатого вала — нереверсивные, имеющие одно постоянное направление вращения вала (в основном это вспомогательные судовые дизели или главные, работающие на винт регулируемого шага—ВРШ); реверсивные (Р), у которых направление вращения изменяется реверсивным устройством, изменяющим фазы газораспределения (главные судовые дизели, работающие непосредственно на гребной винт);

частоте вращения коленчатого вала — малооборотные (п = до 350 об/ мин); среднеоборотные (п = 350 750 об/мин); высокооборотные (п =750500 об/мин);

назначению — главные реверсивные с непосредственной передачей мощности на гребной винт; главные нереверсивные, работающие на электрогенераторы, ВРШ; вспомогательные нереверсивные, работающие на привод вспомогательных механизмов (дизельгенераторы, дизель-компрессоры и др.).

1. Описание двигателя

Дизель 4Ч 11/13 является четырёхцилиндровым, четырёхтактным, нереверсивным, однорядным, простого действия, с воспламенением от сжатия двигателем внутреннего сгорания.

Дизели 4Ч 11/13 предназначены для работы в качестве стационарных или вспомогательных судовых установок для привода генераторов, насосов и компрессоров. Дизель можно использовать также и для привода других машин.

Дизель, предназначенный для работы на гребной винт имеет реверсредуктор, муфту дополнительного отбора мощности со свободного конца коленчатого вала, всережимный регулятор. Причём дизель и реверс-редуктор смонтированы на общей подмоторной раме.

Конструктивная компоновка дизеля и дизель-генератора обеспечивает свободный доступ ко всем установленным на них основным узлам и агрегатам, а наличие смотрового люка в блоке делает возможным осмотр и, при необходимости, замену деталей шатуннопоршневой группы без снятия дизеля с рамы. Благодаря этому дизель имеет высокую ремонтоспособность.

Блок-картер дизеля отлит из чугуна. В блок-картере расположены все механизмы и агрегаты дизеля.

Верхняя часть отливки образует блок цилиндров, а нижняя, расширенная часть – кривошипную камеру (картер). Сплошные боковые стенки блока цилиндров вместе с боковыми нижними полками картера придают всей конструкции значительную жёсткость.

Вкладыши коренных подшипников тонкостенные стальные, залиты свинцовистой бронзой.

По углам картера, в его нижней части, предусмотрены четыре лапы для крепления дизеля к фундаментной раме. Отверстия в двух лапах, расположенных по диагонали, выполнены с повышенной точностью и предназначены для призонных фундаментных болтов при агрегатировании дизеля на общей раме с генератором или другим агрегатом (насосом, компрессором и т.д.).

Уплотнение между верхней плоскостью блок-картера и головками обеспечивается прокладками из асбостального полотна, в которых отверстия армированы металлической фольгой.

Уплотнение в нижней части втулки цилиндра осуществляется двумя резиновыми кольцами, а в верхней – путем притирки бурта втулки к блоку.

Втулки цилиндров закреплены в своей верхней части и могут при нагревании свободно удлиняться вниз.

Головка цилиндров закрывает с верхнего торца втулки цилиндров. Между днищем головки и днищем поршня при положении его в ВМТ образуется камера сжатия. В головке цилиндров, общей на два цилиндра, смонтированы впускные и выпускные клапаны и форсунки, которые крепятся при помощи скоб . На верхней плоскости головки цилиндров установлены кронштейны коромысел. Внутренние боковые и торцевые стенки головки цилиндров образуют водяную рубашку, по которой проходит охлаждающая вода.

Во внутренней полости головки выполнены впускные и выпускные каналы, входные торцы которых расположены на боковой стенке и имеют обработанные фланцы, к которым крепятся впускной и выпускной коллекторы.

Для устранения течи масла через зазоры сопрягаемых поверхностей в приводе топливного насоса, насосах пресной и забортной воды, через уплотнения коленчатого вала со стороны маховика и свободного конца при установке муфты дополнительного отбора мощности, вследствие повышенного давления в картере, а также для исключения случаев насыщения этими парами и газами картерного пространства и окружающей среды машинного помещения до взрывоопасной концентрации, предусмотрен отсос паров топлива, масла и газов.

Крышка крепления агрегатов с укрепленными на ней масляным и водяным насосами закрывает торец блок-картера дизеля со стороны, противоположной маховику.

Крышка отлита из алюминиевого сплава и имеет коробчатую конфигурацию, что придает ей необходимую жесткость. На наружной торцевой поверхности крышки расположены три фланца, на которые соответственно устанавливаются масляный насос и насосы пресной и забортной воды.

Кожух маховика состоит из двух основных частей: кожуха и крышки уплотнения коленчатого вала. Крышка устанавливается так, чтобы неравномерность зазора между фланцем коленчатого вала и расточкой в крышке не превышала 0,10 мм. После установки крышка зажимается болтами и штифтуется. Отброшенное маслоотражателем коленчатого вала масло по выточке в крышке стекает в поддон дизеля.

Кожух маховика изготавливается из алюминиевого сплава или чугуна, имеет гнезда для установки электростартера и механизма проворачивания коленчатого вала. На кожухе маховика также закреплен щит контрольных приборов с коробкой включения.

Кожух маховика на внешнем торце имеет резьбовые отверстия для крепления реверсредуктора, фланца генератора или щитка эластичной муфты. Кожух маховика крепится болтами к блоку. Болты стопорятся пластинчатыми замками.

Поддон, закрывающий снизу кривошипную камеру блоккартера, служит для сбора масла. Он выполнен из стали, и имеет маслоуспокоительные перегородки.

В поддоне расположены маслоприемный фильтр с магнитами, маслопровод от маслоприемного фильтра к масляному насосу, сливной патрубок с пробкой для слива масла и гнезда для установки датчиков температуры.

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и состоит из коленчатого вала, шатунов, поршней и поршневых колец.

Коленчатый вал – стальной, пятиопорный; его коренные подшипники расположены по обе стороны каждой шатунной шейки. Первая и четвертая шатунные шейки вала расположены в одной плоскости под углом 180° по отношению ко второй и третьей шейкам.

Рабочие поверхности коренных и шатунных шеек закалены током высокой частоты (ТВЧ), тщательно отшлифованы и отполированы.

На одном конце вала выполнен фланец, к которому болтами и штифтами прикреплен маховик.

Отбор мощности осуществляется через эластичную муфту. Положение маховика относительно первой шатунной шейки коленчатого вала фиксируется штифтом.

Шатун. Стержень шатуна имеет двутавровое сечение, что обеспечивает наибольшую прочность при наименьшей массе. В верхнюю головку шатуна запрессована втулка, изготовленная из бронзы и служащая подшипником поршневого пальца. На наружной цилиндрической поверхности втулки выполнена кольцевая канавка с четырьмя сквозными отверстиями. Через отверстия в верхней головке шатуна и по проточке с отверстиями масло от разбрызгивания поступает для смазки поршневого пальца.

Поршни изготовлены из алюминиевого сплава. В плоском днище поршня выполнено фигурное углубление – камера сгорания, а на цилиндрической поверхности головки поршня имеется тепловой барьер (канавка), предназначенный для уменьшения нагрева, и, вследствие этого, износа канавок и компрессионных колец.

Каждый поршень имеет пять канавок. В верхние три канавки устанавливаются компрессионные кольца , а в нижние две – маслосъемные .

В канавках для маслосъемных колец просверлены отверстия для отвода масла, снятого кольцами. Во внутренней полости поршня имеются две бобышки, в которых расточены отверстия под поршневой палец.

Диаметр головки поршня меньше, чем диаметр юбки, что предотвращает заедание поршня при нагревании.

Поршневой палец полый. Наружная поверхность пальца цементирована и закалена, шлифована и полирована. Поршневой палец плавающего типа, т. е. имеет возможность проворачиваться во втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня.

Компрессионные кольца. Прямоугольного сечения с прямым замком, изготовлены из специального чугуна.

Верхнее компрессионное кольцо покрыто пористым хромом. С целью улучшения приработки наружная цилиндрическая поверхность остальных компрессионных колец выполнена конусной.

Маслосъемные кольца . Скребкового типа, устанавливаются по два кольца в одну канавку выточкой вниз, скребком вверх.

Впускной и выпускной клапаны изготовлены из жаропрочной стали и термически обработаны. Торцы клапанов для повышения износоустойчивости отшлифованы и закалены.

Диаметр тарелок впускных клапанов больше, чем выпускных. Рабочие фаски тарелок клапанов выполнены под углом 45°, отшлифованы и при установке клапанов в голову цилиндров притираются к своим седлам.

2. Наддув дизелей

Наддувом называют способ повышения мощности дизеля основанный на подаче в рабочий цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного и соответствующем увеличении цикловой порции топлива.

Среднее эффективное давление изменяется прямо пропорционально изменению давления наддува,. Сохранение неизменным коэффициента избытка воздуха при наддуве означает, что при увеличении плотности заряда (в результате повышения наддува) соответственно увеличивается также цикловая порция топлива. Дополнительная подача топлива является источником дополнительного подвода теплоты к рабочему телу в цилиндре, обеспечивающим повышение удельной эффективной работы цикла.

Благодаря наддуву решается проблема снабжения цилиндра воздухом, необходимым для сгорания топлива. Но возможности наддува ограничены предельно допустимым уровнем тепловой и механической напряженности дизеля. Среднее эффективное давление на номинальном режиме работы зависит от того, насколько успешно решены вопросы снижения тепловой и механической напряженности.

В судовых дизелях применяют два способа наддува: газотурбинный и комбинированный.

Газотурбинный наддув применяют в четырехтактных дизелях и двухтактных с прямоточноклапанной схемой газообмена. Сжатый воздух подается к цилиндрам дизеля специальным дополнительным агрегатом — турбокомпрессором. На один дизель может быть установлено от одного до четырех турбокомпрессоров.

Турбокомпрессор — это соединенные в одном корпусе центробежный компрессор и одноступенчатая газовая турбина. Ротор турбокомпрессора кинематической связи с коленчатым валом дизеля не имеет. Компрессор связан с дизелем лишь турбопроводом подачи воздуха к ресиверу, а турбина — трубопроводом подвода газов к сопловому аппарату от выпускных органов дизеля.

Охлаждение наддувочного воздуха применяют с целью снижения теплонапряженности и дополнительного повышения мощности дизеля.

При газотурбинном наддуве на всех установившихся режимах дизеля соблюдается равенство между мощностью, потребляемой компрессором, и мощностью, развиваемой газовой турбиной. Приизменении режима работы дизеля изменяется также давление наддува. Например, при повышении нагрузки дизеля в результате увеличения цикловой порции топлива повышаются температура отработавших газов, мощность турбины, частота вращения ротора турбокомпрессора, ив итоге давление наддува, обеспечивая сгорание топлива в цилиндре при почти неизменном коэффициенте избытка воздуха. Таким образом, при газотурбинном наддуве обеспечивается саморегулирование совместной работы дизеля и турбокомпрессора. В газовой турбине утилизируется значительная часть энергии отработавших в цилиндрах газов, которая у дизелей без наддува уносится с газами в атмосферу.

Четырехтактный дизель с газотурбинным наддувом имеет особенности, которые отличают его от дизеля без наддува.

Первая особенность связана с увеличением при наддуве расхода воздуха и газов через впускные и выпускные клапаны. Для обеспечения этого при наддуве увеличивают углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов, устанавливают в крышке цилиндра четыре клапана (два впускных и два выпускных) вместо двух клапанов.

Вторая особенность заключается в существовании перепада между давлением наддувочного воздуха и давлением газов в выпускном трубопроводе (перед турбиной). Благодаря перепаду давлений в период перекрытия клапанов обеспечивается продувка камеры сгорания, в результате чего уменьшается коэффициент остаточных газов до значений = 0.01±0.02. Это способствует повышению коэффициента наполнения и коэффициента избытка воздуха, улучшению качества сгорания топлива, снижению удельного расхода топлива и теплонапряженности дизеля.

Третья особенность заключается в возникновении необходимости подвода газов к турбине через раздельные выпускные трубопроводы. В случае подсоединения выпускных патрубков всех цилиндров к одному выпускному трубопроводу (коллектору) при низком давлении наддува (до 250 кПа) импульсы давления препятствуют продувке других цилиндров и являются причиной заброса газов в них. Подсоединение_выпускных патрубков к раздельным трубопроводам исключает это явление и обеспечивает достаточный перепад давлений для нормального протекания процесса продувки каждого цилиндра.