Особенности работы и обозначение тепловозных ДВС

 

На тепловозах применяются дизельные рядные и V-образные двигатели с наддувом, средней быстроходности и быстроходные. Особенностями их работы являются:

– ограничение по габаритам и массе;

– работа на различных режимах, часто изменяющихся в широком диапазоне;

– работа в различных климатических зонах и условиях загрязненности;

– работа при дистанционном управлении с автоматизированным контролем.

Согласно ГОСТу тепловозные дизели обозначаются следующим образом:

– две первые цифры – число цилиндров;

– Д – двухтактные, Ч – четырехтактные;

– Н – наддув;

– числитель – размер внутреннего диаметра цилиндра в см;

– знаменатель – ход поршня (ход двух поршней в одном цилиндре) в см.

 

 

Основные понятия

 

Цикл – ряд чередующихся процессов при работе двигателя.

Такт – часть цикла, протекающая при одном перемещении поршня между мертвыми точками.

Мертвая точка (МТ) – точка, в которой поршень изменяет направление движения.

ВМТ – положение поршня, когда он наиболее удален от оси коленчатого вала.

НМТ – положение поршня, когда он наиболее приближен к оси коленчатого вала.

Ход поршня – расстояние между мертвыми точками.

S = 2l, где l – длина кривошипа

Рабочий объем цилиндра – объем, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ.

Объем камеры сжатия – объем между поршнем, находящимся в ВМТ и крышкой цилиндра.

Полный объем цилиндра – сумма объемов рабочего и камеры сжатия.

Степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камера сжатия 9, 12 – 17).

Литраж – сумма рабочих объемов всех цилиндров в литрах.

Коэффициент избытка воздуха – отношение количества воздуха, фактически поданного в цилиндр, к теоретически необходимому для полного сгорания топлива.

 

1 кг дизельного топлива содержит С – 86%; Н – 13,9%, О – 0,1%). Для его полного сгорания теоретически необходимо 14,4 кг или 11 м³ воздуха.

 

Принцип работы ДВС

 

Поступивший в цилиндр двигателя воздух сжимается поршнем и нагревается до температуры 600°С. В нагретый воздух впрыскивается через форсунку топливо, которое воспламеняется и сгорает. В результате в цилиндре образуются газы с высокой температурой и давлением. Под давлением газов поршень перемещается и совершает работу. Во время расширения давление и температура газов понижаются. Отдав часть тепла на совершение работы, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу, а свежий воздух вновь поступает в цилиндр. Затем все повторяется.

 

Наддув дизелей

 

Для повышения удельной мощности и тепловой экономичности на современных мощных дизелях применяется наддув. При этом воздух в цилиндры не засасывается из атмосферы, а нагнетается под давлением. Благодаря наддуву в цилиндр на каждый рабочий цикл подается больше воздуха. Это позволяет сжигать в единицу времени большее количество топлива и получить при тех же размерах цилиндров и той же частоте вращения вала большую мощность. Мощность дизеля возрастает почти пропорционально возрастанию давления надувочного воздуха.

Способы наддува

1. Механический – нагнетатель воздуха приводится во вращение через редуктор от коленчатого вала.

Недостатки:

– количество подаваемого в цилиндры воздуха зависит от частоты вращения коленчатого вала и не зависит от нагрузки на дизель;

– на привод нагнетателя расходуется часть полезной мощности.

2. Газотурбинный – отработавшие газы поступают на газовое колесо турбины, на одном валу с которой находится рабочее колесо центробежного нагнетателя.

Достоинства:

– количество подаваемого в цилиндры воздуха соответствует внешней нагрузке на дизель;

– используется энергия отработавших газов, что повышает КПД.

Недостаток:

– не работает при пуске.

3. Комбинированный (двухступенчатый) – в качестве первой ступени ис пользуется газовая турбина. Вторая ступень – нагнетатель с механическим приводом.

 

Тепловой баланс ДВС

Это распределение тепла, получаемого при сжигании топлива в цилиндре, по составляющим его расхода.

1. Тепло, превращаемое в механическую энергию – 36-42%.

2. Тепло, уносимое с отработавшими газами – 32-38%.

3. Тепло, уносимое охлаждающей жидкостью – 12-20%.

4. Тепло, уносимое маслом – 4-10%.

5. Прочие потери (теплоотдача, теплоизлучение) – 4-6%.

 

Мощность и КПД дизеля

 

Индикаторная мощность – мощность, получаемая в цилиндрах дизеля (без учета потерь).

P_i – среднее индикаторное давление, кгс/см²;

D – диаметр поршня, см;

S – ход поршня, см;

n – частота вращения, об/мин;

i – число цилиндров;

60 – переводной коэффициент (1 мин = сек);

75 – переводной коэффициент (1 л.с. = 75 );

τ – тактность.

Эффективная мощность – мощность, получаемая на коленчатом валу дизеля (с учетом потерь на трение и привод вспомогательных агрегатов).

η_м – механический КПД (0,75…0,9)

Номинальная мощность (N_ен) – эффективная мощность, развиваемая двигателем при наибольшей частоте вращения коленчатого вала и при нормальных атмосферных условиях (+20°С, 760 мм рт. ст., 70% влажности).

Механический КПД – отношение эффективной мощности к индикаторной.

Индикаторный КПД – отношение механической энергии, выработанной в цилиндрах дизеля, к теплу, внесенному в дизель с топливом за определенное время (1 час).

q_i = – удельный индикаторный расход топлива, ;

- расход топлива дизелем, кг/ч;

– теплота сгорания топлива, Дж/кг;

632 – тепловой эквивалент механической энергии, ккал/(л.с.∙ч).

Эффективный КПД – отношение выработанной дизелем механической энергии к теплу, внесенному в дизель с топливом за определенное время

 

Рабочий цикл дизелей

 

Индикаторная диаграмма – графически выраженная зависимость давления газов в цилиндре от объема цилиндра (положения поршня).