Принцип работы 4-х тактных двигателей

     Балтийская  Государственная Академия

     Рыбопромыслового  Флота 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Реферат

     По  дисциплине

     “Введение в специальность” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсант: Пантелеев А.Н.

     Преподаватель: Покровский Е.А. 
 
 

                                                         Калининград

                                                                  2011

Введение: 
 
 
 

     Этот  реферат ставит своей целью раскрыть две различные по содержанию и направлению, но родственные меж собой темы:

          -Принцип и организация работы 4-х тактных двигателей.

           -Судовые системы. 

Включает в  себя иллюстрированный теоретический  материал подкрепленный иллюстрациями  и схемами, наглядно дающими представление  по тому или иному вопросу. Первая тема освещается в первой части реферата, под общим названием “Принцип и организация работы 4-х тактных двигателей”, где подробно излагается вся необходимая теоретическая информация. Вторая идет следом и называется “Судовые системы” и включает в себя статьи об Основных Судовых Системах. 

     Для студентов технически специальностей высших учебных заведений,  специалистов технических отраслей рыбопромыслового флота, любителей океанического  лова и для тех, кому интересна  техника.

Глава 1. Принцип и организация работы 4-х тактных двигателей

Содержание  главы :

1.История  создания

2. 4 Цикла

3.Октановое  число топлива

4.Факторы  ограничивающие мощность  двигателя

5. Потоки через впускной  и выхлопной каналы

6. Нагнетание воздуха в цилиндры

7. Турбо-нагнетание

8. Отношение длины  шатуна к длине  хода поршня

9. Газораспределительный  механизм

10. Баланс энергии

1)История  создания

Четырёхтактный  двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше в 1861 году. До этого около 1854—1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян.

Первым  человеком, реально построившим  четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Вот почему четырёхтактный принцип сегодня известен, в основном, как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, часто называется двигателем Отто.

 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.

 
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, 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. 

2)Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Как следует  из названия, рабочий цикл четырёхтактного  двигателя состоит из четырёх  основных этапов — тактов.

1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Цикл Отто

Цикл Отто состоит  из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме. В случае четырёхтактного цикла Отто имеется также изобарическое сжатие и изобарическое расширение, которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли в сообщении рабочему газу теплоты или в совершении газом работы.

Идеализированный  цикл Отто, показанный в координатах  давление (Р) и объём (V):  такт впуска(A) , представляющий собой изобарическое расширение; за ним следует  такт сжатия (B) , представляющий собой адиабатический процесс. Далее следуют сжигание топлива, которое является изохорическим процессов, и адиабатическое расширение, характеризующие  такт рабочего хода (C) . Цикл завершается изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующими 
 такт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка.

3)Октановое число

Мощность на коленчатый вал двигателя внутреннего  сгорания передаётся на вал от расширяющихся  газов, в основном, во время такта  рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до очень малого объёма повышает эффективность рабочего хода, но увеличение степени сжатия в цилиндре также сильнее нагревает сжимающуюся топливо-воздушную смесь (согласно Закону Шарля).

Если топливо легко воспламеняемое, с низкой температурой вспышки, то это может привести к возгоранию топливо-воздушной смеси до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это, в свою очередь, будет заставлять поршень двигаться в сторону, противоположную требуемому направлению вращения коленчатого вала. Топливо, которое воспламеняется в верхней мёртвой точке, но до того, как поршень начнёт двигаться вниз, может повредить поршень и цилиндр из-за наличия в малом объёме очень большого количества тепловой энергии, не имеющей возможности выхода. Это повреждение часто проявляет себя как стук двигателя, и оно ведёт к перманентному повреждению двигателя, если случается постоянно.

Октановое число является мерой  сопротивления топлива  к самовоспламенению  под воздействием возрастающих температур. Топлива с более высокими октановыми числами позволяют осуществлять более высокую степень сжатия без риска повреждения двигателя в следствии самовоспламенения.

Для работы дизельных двигателей самовоспламенение необходимо. Они предотвращают возможное повреждение двигателей путём раздельного впрыска топлива под большим давлением в цилиндр очень незадолго до того, как поршень достигнет верхней мёртвой точки. Воздух без топлива может быть сжат очень сильно без опасности самовоспламенения, и в то же время, находящееся под высоким давлением топливо в системе подачи топлива не может самовоспламениться без присутствия воздуха.

4)Факторы,  ограничивающие мощность  двигателя

Максимальная мощность двигателя вырабатывается при максимальном количестве всасываемого воздуха. Мощность, вырабатываемая поршневым двигателем, связана с его размерами (объёмом цилиндра), объемного КПД, потерь энергии, степени сжатия топливо-воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения. Это справедливо как для двухтактных, так и для четырёхтактных двигателей. Частота вращения в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки. Клапана, поршни и коленчатые валы испытывают большие динамические нагрузки. На слишком высоких оборотах двигателя могут происходить физические повреждения и дрожание поршневых колец, и это приводит к потерям энергии и даже разрушению двигателя. Поршневые кольца колеблются вертикально в каналах, в которых они находятся. Эти колебания колец ухудшают уплотнение между кольцами и стенками цилиндра, что приводит к потерям давления в цилиндре и мощности. Если вал двигателя вращается слишком быстро, то пружины клапанов не успевают достаточно быстро срабатывать, и клапана не успевают закрываться. Эта ситуация называется «плаванием клапанов» и она может привести к контакту поршня и клапанов, вызвав серьёзные повреждения. На высоких скоростях условия смазки на границе поверхностей поршня и цилиндра ухудшаются. Это ограничивает скорость поршней промышленных двигателей величиной около 10 м/с.

5)Потоки  через впуской и выхлопной каналы

Выходная мощность двигателя зависит от всасывающей  способности, и от возможностей выхлопных  газов быстро перемещаться через  клапанные каналы, как правило  расположенные в головках цилиндров .Для увеличения выходной мощности можно минимизировать количество изгибов тех каналов, по которым движутся всасываемые и выхлопные потоки, а также сделать их более плавными, благодаря чему уменьшится сопротивление этим потоками. Для этого радиусы поворотов клапанных каналов и сёдла клапанов можно модифицировать таким образом, чтобы их аэродинамическое сопротивление было минимальным. Можно, кроме того, использовать разделение потока на несколько частей.

6)Нагнетание  воздуха в цилиндры

Один из путей  увеличения мощности — это принудительное нагнетание дополнительного количества воздуха в цилиндры, благодаря чему при каждом рабочем ходе может вырабатываться больше мощности. Такое принудительное нагнетание может производиться некоторыми типами компрессорных устройств, называемых нагнетателями. Последние могут приводиться в движение от коленчатого вала.

Нагнетание повышает предел мощности двигателя внутреннего  сгорания при том же самом объёме цилиндра. В общем случае, нагнетатель  всегда работает, но есть конструкции, позволяющие отключать его, или  позволяющие ему работать с разными  скоростями (относительно скорости двигателя).

Недостатком механически  осуществляемого нагнетания является то, что часть выходной мощности расходуется на приведение в движение нагнетателя. Воздух в цилиндре сжимается  дважды, но расширяется только в  один этап. Поэтому часть мощности понапрасну расходуется с выхлопами  высокого давления.

7)Турбо-нагнетание

Турбо-нагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это такой нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова "турбина" (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закрепленных на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На вале, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет "закачивать" под давлением воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание воздуха обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.

На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор  вырабатывает небольшую мощность и  приводится в движение малым количеством  выхлопных газов. В этом случае турбо-нагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.

Турбо-нагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, потому что турбо-нагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.

Однако существует технологическое ограничение, известное  как «турбо-яма» («турбо-задержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определенное время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом)

8)Отношение  длины шатуна к  длине хода поршня

Более длинный шатун  уменьшает боковые нагрузки со стороны поршня на стенки цилиндра, и уменьшает ударные нагрузки. Как следствие двигатель с длинным шатуном служит дольше, и он надёжнее. Однако увеличение длины шатуна ведёт к увеличению габаритов двигателя, его массы и стоимости. Кроме того, при возрастании длины шатуна увеличивается время нахождения поршня в верхней мёртвой точке. Как следствие, увеличивается время, в течение которого газ в цилиндре находится при высокой температуре, что ведёт к повышенному нагреву двигателя. В настоящее время более актуальным параметром оценки ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра или наоборот. Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, чуть больше диаметра цилиндра.

9)Газораспределительный  механизм

Клапаны обычно управляются через распределительный вал, вращающийся со скоростью, равной половине скорости коленчатого вала. Распределительный вал имеет несколько кулачковых механизмов, каждый из которых рассчитан так, чтобы открывать и закрывать "свой" клапан в определённое время цикла.

Во многих двигателях используются один или несколько  распределительных валов, расположенных  над рядом цилиндров (или над  каждым рядом цилиндров). Помимо верхнего расположения распредвала часто встречается ,казалось бы забытое на легковых авто, нижнее положение распредвала в блоке цилиндров. При этом кинематическая цепочка включает (снизу вверх )толкатели штанги и коромысла. Эта система успешно себя зарекомендовала на грузовых автомобилях, применение которой обусловлено простотой надежностью и компактностью. Эта схема позволяет конструировать моторы с более низким центром тяжести.

 
Первая из описанных выше конструкций газораспределительного механизма обычно позволяет двигателям работать с большими скоростями, поскольку в этом случае имеется более короткая кинематическая цепь от кулачка к клапану

10)Баланс  энергии

Двигатели Отто имеют КПД около 35% – иными словами, 35% энергии, генерируемой при сжигании топлива, преобразуется в энергию вращательного движения выходного вала двигателя, а остальное теряется в виде тепла. Для сравнения: шеститактный дизель  может преобразовывать в полезную вращательную энергию более 50% энергии, высвобождаемой при горении топлива.

Современные двигатели  часто конструктивно имеют намеренно  меньший КПД, чем они могли  бы иметь. Это необходимо для уменьшения выбросов с помощью таких средств  как система рециркуляции выхлопных газов и каталитический конвертер.

Уменьшению КПД можно препятствовать с помощью системы контроля двигателя  использующей технологии эффективного сжигания топлива

Глава 2.Судовые системы

Содержание главы:

1.Общие сведения о судовых системах

2.Трюмные системы

3.Холодильные системы

4.Системы водоснабжения

5.Газоотводная система

6.Система зачистки и мойки танков

7.Система вентиляции

Для обеспечения  нормальной и безопасной работы судна, а также для создания соответствующих  условий пребывания на нем людей  служат судовые системы. Под судовой системой понимается сеть трубопроводов с механизмами, аппаратами и приборами, выполняющая на судне определенные функции. С помощью судовых систем осуществляются: прием и удаление водяного балласта, борьба с пожарами, осушение отсеков судна от скапливающейся в них воды, снабжение пассажиров и экипажа питьевой и мытьевой водой, удаление нечистот и загрязненной воды, поддержание необходимых параметров (кондиций) воздуха в помещениях.

Некоторые суда, как, например, танкеры, ледоколы, рефрижераторы и др., в связи со специфическими условиями эксплуатации оборудуют специальными системами. Так, танкеры оснащают системами, предназначенными для приема и выкачки жидкого груза, его подогрева в целях облегчения перекачки, мытья танков и их зачистки от остатков нефтепродуктов.

Большое число  функций, выполняемых судовыми системами, обусловливают многообразие их конструктивных форм и используемого механического оборудования.

В состав судовых  систем входят: трубопроводы, состоящие  из соединенных между собой отдельных труб и арматуры (задвижек, клапанов. кранов), которая служит для включения или выключения системы и ее участков, а также для различных регулировок и переключений; механизмы (насосы, вентиляторы, компрессоры), сообщающие механическую энергию протекающей через них среде и обеспечивающие перемещение последней по трубопроводам; емкости (цистерны, баллоны и др.) для хранения той или иной среды; различные аппараты (подогреватели, охладители, испарители и др.), служащие для изменения состояния среды; средства управления системой и контроля за ее работой.

Из перечисленных  механизмов и аппаратов в каждой данной судовой системе могут быть лишь некоторые из них. Это зависит от назначения системы и характера выполняемых ею функций. Части, составляющие судовую систему (трубы, арматура, механизмы, аппараты и др.), называют конструктивными элементами.

Кроме систем общесудового назначения, на судне имеются системы, которые обслуживают судовую  энергетическую установку. На дизельных судах эти системы снабжают главные и вспомогательные двигатели топливом, маслом, охлаждающей водой и сжатым воздухом. Системы судовых энергетических установок рассматривают в курсе, посвященном этим установкам.

1)Трюмные  системы

а) Осушительная система

 Во время эксплуатации судна в его корпусе постепенно скапливается некоторое количество воды. Она может проникать через неплотности в соединениях труб и арматуры, через сальники насосов и дейдвуд- ной трубы, появляться вследствие конденсации водяных паров и небольшой водотечности корпуса и т. д. Для удаления воды из корпуса служит осушительная система, с помощью которой осушают грузовые трюмы, машинное отделение, пиковые отсеки, цепные ящики и другие отсеки, в которых она может скапливаться. Своевременное удаление воды из грузовых трюмов предохраняет от увлажнения и подмочки перевозимые грузы. На рефрижераторных судах чрезмерное скопление воды может привести в негодность изоляционные конструкции холодильных трюмов. Удаление вовремя воды из машинного отделения будет препятствовать повышению ее уровня до таких пределов, при которых нарушаются нормальные условия работы обслуживающего персонала и эксплуатация главных двигателей и вспомогательных механизмов.

Осушительная  система состоит из осушительных средств (насосов, эжекторов), осушительного  трубопровода и средств контроля за уровнем трюмной воды. Ее предусматривают на всех судах.

Согласно Правилам Речного Регистра РСФСР каждое самоходное судно с главными двигателями  общей мощностью 220 кВт и более  должно иметь не менее двух осушительных механических насосов, один из которых независимого (автономного) действия, другой может приводиться от главного двигателя. Разрешается один из насосов заменять эжектором. В качестве автономного осушительного насоса могут быть использованы имеющие достаточную подачу балластные или другие насосы общесудового назначения. Одним из осушительных средств может быть пожарный насос при условии, что осушение машинного отделения будет осуществляться водоструйным эжектором. На судах с главными двигателями мощностью менее 220 кВт в качестве одного из осушительных средств может быть применен ручной насос, а в качестве другого — водоструйный эжектор.

На несамоходных и стоечных судах, оборудованных  источником энергии, и на стоечных судах, получающих электропитание с берега, необходимо иметь насос с механическим приводом или водоструйный эжектор  и ручной насос с подачей не менее 3,5 м³/ч. Несамоходные суда, эксплуатируемые без экипажа, осушают средствами толкача-буксира или портового судна.

Наличие воды в  трюмах контролируется либо непосредственным измерением ее уровня, либо системой сигнализации, которую обычно выполняют из электрических  элементов.

Осушительная  система удаляет воду из корпуса  судна непосредственно за борт, за исключением воды, скапливающейся под сланью машинного отделения, которая загрязнена нефтепродуктами (топливом, маслом). Причиной загрязнения подсланевой воды нефтепродуктами является протекание их через неплотности в соединениях топливных и масляных трубопроводов и арматуры, а также через сальники топливных и масляных насосов. Удалять такую воду за борт запрещается Санитарными правилами, соблюдение требований которых обязательно для речных и озерных судов. Поэтому осушительные системы снабжают специальными емкостями (цистернами) для сбора подсланевых вод. Из этих цистерн загрязненная нефтепродуктами вода передается в береговые или плавучие станции для очистки.

Чтобы количество нефтезагрязненных вод было наименьшим, необходим раздельный сбор воды из условно чистых и загрязненных стоков. При этом в местах возможных утечек топлива и масла следует устанавливать поддоны, отвод от которых осуществлять в специальные сливные цистерны (сбора утечного топлива), а также устраивать специальные выгородки в корпусе под двигателями, компрессорами, осушаемые периодически по мере их заполнения.

С целью очистки  подсланевых вод от нефтепродуктов многие суда оборудуют специальными очистительными установками. Содержание нефтепродуктов в откачиваемых за борт водах не должно превышать 10 мг/л.

Для перекачивания  подсланевых вод в сборную цистерну может быть использован один из осушительных насосов. В данном случае арматура, допускающая откачивание воды за борт этим насосом, должна пломбироваться.

Чтобы обеспечить наиболее полное осушение отсеков, приемники  осушительных труб следует располагать  как можно ниже (ближе к обшивке корпуса) и в местах наилучшего стока воды.

Система должна исключать возможность попадания  воды из-за борта внутрь судна, а  также из одного непроницаемого отсека в другой, Осушение каждого отсека должно быть независимо от осушения других. Для этого на приемном трубопроводе осушительной системы размещают клапанные коробки и клапаны невозвратно-запорного типа. Чтобы предотвратить попадание посторонних предметов под клапаны арматуры и в насосы, на концах осушительных отростков монтируют приемные сетки. В машинных отделениях вместо сеток применяют грязевые коробки.

      б) Балластная система

Данная система  служит для придания судну необходимых  мореходных и эксплуатационных качеств изменением осадки, крена и дифферента. Балластными системами, используемыми для изменения осадки, оборудуют суда смешанного плавания (река — море). Прием балласта (перед выходом в море) приводит к увеличению осадки, что в свою очередь повышает остойчивость судна и снижает ветровую нагрузку, улучшая управляемость. Балластировку на буксирных судах применяют также в целях сохранения наивыгоднейшей (расчетной) осадки, изменяющейся по мере расхода запасов топлива, и обеспечения работы движителя с максимальным к. п. д. Балластной системой оборудуют нефтеналивные суда.