Устройство и рабочий процесс дизеля

/ Литература / Тепловозные дизели 2Д100 и 10Д100 / Устройство и рабочий процесс дизеля

Двигатель 2Д100 (рис. 1) представляет собой двухтактный вертикальный десятицилиндровый дизель со встречно движущимися поршнями, непосредственным впрыском топлива и прямоточной продувкой.

Дизель IОД 100 (рис. 2) является модификацией дизеля 2Д100, форсированного по мощности за счет повышения давления наддува. В отличие от дизеля 2Д100 дизель 10Д100 оборудован двухступенчатой системой наддува, системой охлаждения наддувочного воздуха и специальным объединенным регулятором для одновременного регулирования числа оборотов и мощности.

Основные отличительные особенности дизелей 2Д100 и IОД 100 по технической характеристике, приведены в табл. 1.

Рабочий процесс дизелей 2Д100 и 10Д100 происходит в вертикально расположенных цилиндрах, в каждом из которых два поршня движутся в противоположных направлениях. Сбли-

Таблица 1

Марки дизеля

Показатели

Число цилиндров .

Мощность в л. с. при 850 об/мчн..

Удельный расход топлива в г/э.л.с.ч, не более Максимальное давление сгорания в кГ/см2,

Габариты дизель-генератора в мм:

2Д100 10

2 000 176

88

0,28-0,35

6 545 1 730

3 265 27000 19000

юдюо

10 3 000 168

100 1,05-1,3

6 880 2 610 3185 29 000 19 300

1. Устройство и рабочий процесс дизеля
Рис.-1. Дизель 2Д100 в сборе с генераторомжаясь, поршни образуют в средней части цилиндра одну общую камеру сгорания. В определенный момент сближения поршней в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое воспламеняется в сжатом воздухе, имеющем высокую температуру. Продукты сгорания топлива расширяются и перемещают поршни в противоположных направлениях. В конце рабочего хода поршни
1. Устройство и рабочий процесс дизеля
Рис. 2 .Дизель 10Д100 в сборе с генератором
1. Устройство и рабочий процесс дизеля
Рис. 3. Схема работы встречно движущихся поршней п круговая диаграмма рабочего циклаоткрывают выпускные и продувочные окна, обеспечивая выпуск отработавших газов и новую зарядку цилиндра свежим воздухом.

Б связи с тем, что в каждом цилиндре дизеля имеются два поршня, несколько изменяются по сравнению с другими дизелями такие понятия, как верхняя и нижняя мертвые точки, ход поршня, объем цилиндра.

Положение, при котором поршень (верхний или нижний) находится в самой крайней точке при движении внутрь цилиндра, называется внутренней мертвой точкой (в. м. т.). Самос крайнее положение, которое верхний или нижний поршень достигает при движении к наружным концам цилиндра, называется наружной мертвой точкой (н. м. т.).

Расстояние, проходимое поршнем от в. м. т. до н. м.т., называется ходом поршня. Это расстояние равно двум радиусам кривошипа коленчатого вала. Для одного поршня эта величина составляет 254 мм. Обычно учитывается одновременный ход двух поршней - верхнего и нижнего, т. е. 2X254 мм.

Объем цилиндра, заключенный между верхним и нижним поршнями при их положении в в. м. т., называется камерой сжатия. Объем цилиндра, заключенный между верхним и нижним поршнями при их положении в н. м. т., представляет собой полный объем цилиндра. На дизелях 2Д100 и 10Д100 нижний коленчатый вал (а следовательно, и нижний поршень) опережает верхний коленчатый вал на 12° и поэтому поршни образуют камеру сжатия в положении, когда шатунная шейка верхнего коленчатого вала не дойдет на 6° до в. м. т., а соответствующая шатунная шейка нижнего вала пройдет ее на 6°. Соответственно полный объем цилиндра будет, когда шатунная шейка верхнего коленчатого вала не дойдет на 6° до н. м. т., а шатунная шейка нижнего коленчатого вала перейдет п. м. т. на 6°.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, показывающее, во сколько раз сжимается воздух в цилиндре дизеля, называется степенью сжатия.

Для дизелей 2Д100 и 1 ОД 100 действительная степень .сжатия равна примерно 15.

При движении верхнего и нижнего поршней от в. м. т. к н. м.т. (или от н. м. т. к в. м. т.) каждый из коленчатых валов провернется на пол-оборота.

Таким образом, один полный оборот оба коленчатых вала совершат за два хода поршней.

Рабочий процесс дизеля протекает по двухтактному циклу (рис. 3) следующим образом.

Такт сжатия начинается при движении поршней от их наружных мертвых точек навстречу друг другу. Вследствие опережения нижнего коленчатого вала выпускные окна закрываются раньше продувочных, что позволяет продувочному воздухупоступать в цилиндр после закрытия выпускных окон и обеспечивать дозарядку цилиндра воздухом.

В конце такта сжатия, когда поршни приближаются к внутренним мертвым точкам, в камеру сгорания впрыскивается топливо в мелкораспылениом виде. От соприкосновения со сжатым до 30-36 кГ/см2 воздухом, имеющим температуру 500-600°, топливо воспламеняется. Впрыск топлива производится под начальным давлением 210 кГ/см2, что обеспечивает мелкое распиливание топлива и перемешивание его с воздухом.

В связи с неодинаковой цилиндровой мощностью указанных дизелей (200 л. с. в одном цилиндре дизеля 2Д100 и 300 л. с.'в цилиндре дизеля 10Д100) соответственно отличаются по производительности их топливные насосы. Производительность каждого топливного насоса дизеля 1 ОД 100 в 1,5 раза больше, чем у дизеля 2Д100. Топливо впрыскивается форсункой несколько раньте того момента, когда поршни подойдут наиболее близко друг к другу. Это необходимо потому, что воспламенение распыленных частиц топлива происходит не мгновенно при соприкосновении с горячим воздухом, а лишь после того, как частички топлива нагреются до температуры самовоспламенения.

Сам процесс подачи топлива форсункой, а следовательно, и сгорания его длится некоторое время даже после прохода поршнями в. м. т., причем сгорание топлива частично продолжается и после прекращения его подачи.

Необходимый угол опережения подачи топлива проверяется экспериментально, он устанавливается одинаковым для всех цилиндров. Опережение подачи топлива для дизеля 2Д100 происходит за 16-18°, а для дизеля 10Д100-за 10° до в. м. т. по углу поворота нижнего коленчатого вала и такте сжатия. При сгорании топлива повышаются температура и давление газов' в цилиндре. Максимальное давление сгорания достигает 80- 88 кГ/см2 для дизеля 2Д100 и до 100 кГ/см2 для дизеля 10Д100.

Рабочий ход (такт расширения) начинается при движении поршней от их внутренних мертвых точек под давлением расширяющихся газов сгоревшего топлива. При этом поршни через шатуны передают коленчатым валам работу расширения газов.

В конце рабочего хода нижний поршень открывает выпускные окна, позволяя продуктам сгорания уходить в атмосферу через выпускную систему. После открытия нижним поршнем выпускных окон открываются верхним поршнем продувочные окна. Через них под давлением, создаваемым воздуходувкой, воздух устремляется в цилиндр, очищает его (продувает) от оставшихся продуктов сгорания и заполняет свежим зарядом воздуха, необходимым для следующего хода сжатия.

За один оборот каждого коленчатого вала, т. е. за два хода поршней одного цилиндра, осуществляется полный цикл работы дизеля. За время двух тактов дизель совершает полезную работу только при рабочем ходе, т. е. в такте расширения.

1. Устройство и рабочий процесс дизеля
Рис. 4 Схема кривошіїшіо-шатунного механизма Такт сжатия является вспомогательным; он осуществляется за счет рабочих ходов е других цилиндрах и инерции движущихся частей (рис. 4).

Мощность дизеля неравномерно распределяется между верхним и нижним коленчатыми валами. Как уже отмечалось, нижний коленчатый вал работает с опережением в 12° относительно верхнего вала. Поэтому -рабочий ход нижнего поршня каждого цилиндра начинается раньше рабочего хода верхнего поршня на 12°. В связи с этим рабочий ход каждого нижнего поршня происходит при большем давлении в цилиндре и, следовательно, нижний коленчатый вал развивает большую мощность, чем верхний вал. Примерно 70% всей мощности дизеля передается на нижний коленчатый вал и только 30% мощности- на верхний.

Продувочные окна у гильзы (цилиндровой втулки) расположены в верхней ее части; они открываются и закрываются верхним поршнем. Выпускные окна гильзы, расположенные снизу, открываются и закрываются нижним поршнем. Опережение нижнего коленчатого вала и расположение окон на гильзах обеспечивают необходимую последовательность открытия и закрытия выпускных и продувочных окон. При этом происходит не только продувка цилиндров (очистка от продуктов сгорания), но и зарядка их свежим воздухом.

Поршни используются как золотники для открытия и закрытия продувочных и выпускных окон; при этом дополнительные органы газораспределения не требуются.

Нижний поршень начинает открывать выпускные окна гильзы примерно через 124° после в м. т., обеспечивая падение остаточного давления газов в цилиндре. Продолжительность открытия выпускных окон соответствует углу поворота вала на

104°, а продувочных окон - на 112п. Верхний поршень начинает открывать продувочные окна примерно через 140° после в. м. т.

Продувочные окна выполнены не перпендикулярно стенке цилиндровой гильзы, а с тангенциальным и осевым уклонами, что создает вихревое движение воздуха от продувочных окон к выпускным и тем самым достигается более полная очистка цилиндров от продуктов сгорания. Во время хода сжатия, когда поршни приближаются к в. м. т., воздух продолжает свое вихревое движение, обеспечивая лучшее перемешивание распыливаемого форсункой топлива.

Для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов, охлаждения стенок цилиндра и наконечников форсунок предусмотрено одновременное открытие (перекрытие) выпускных и продувочных окон продолжительностью 88°.

Одно из основных преимуществ дизеля с расходящимися поршнями - отсутствие крышки (головки) цилиндра, которая в обычном дизеле представляет собой сложную и напряженную деталь. В дизелях с крышками цилиндров давление газов сгорания одинаково воздействует и на поршень, и на крышку цилиндра, причем давление на крышку цилиндра не является полезным. На рассматриваемых дизелях давление газов передается только поршням, совершающим полезную работу.

Коленчатые валы литые, чугунные, без противовесов. От верхнего коленчатого вала осуществлен привод к воздуходувке и к топливным насосам.

Мощность, развиваемая верхним коленчатым валом, передается нижнему валу через вертикальную зубчатую передачу с эластичной (пружинной) муфтой или торсионным валом. .Муфта (или торсионный вал) является демпфером и, кроме того, она служит компенсатором при удлинении деталей блока и вертикальной передачи во время работы дизеля.

Нижний коленчатый вал через пластинчатую муфту передает всю мощность дизеля генератору. От нижнего коленчатого вала осуществлен также привод к масляным и водяному насосам, к регулятору числа оборотов и к вентиляторам тепловоза. На нижнем валу смонтирован маятниковый антивибратор. Антивибратор служит для уменьшения величины крутильных колебаний на рабочих режимах дизеля и тем самым предотвращает возникновение критических колебаний, при которых возможна поломка коленчатого вала.

Вставные гильзы цилиндров 2 (рис. 5) с напрессованными на них стальными рубашками закрепляются в верхней части блока на четырех шпильках. Нижний конец гильзы может свободно удлиняться от нагревания во время работы дизеля. При этом исключается возможность попадания воды внутрь дизеля.

Через продувочные и выпускные окна можно осматривать поршни, поршневые кольца и зеркала цилиндров без их демон тажа. Для этого необходимо лишь снять крышки люков на пыиускных коллекторах и воздушных ресиверах с обеих сторон дизеля.

Поршни имеют принудительное масляное охлаждение. Поршень не цельный: он состоит из собственно поршня и вставки 6. Между поршнем и вставкой имеется полость, по которой циркулирует масло. Принудительное охлаждение поршня устраняет возможность пригорання поршневых колец 9 и тем самым обеспечивает надежную герметичность (компрессию), что предотвращает прорыв газов при сгорании топлива.

На каждом цилиндре дизеля установлены два топливных насоса и две форсунки. Топливные насосы расположены под кулачковыми налами в перевернутом положении - с направлением нагнетания вниз. Сопловые наконечники форсунок имеют по три отверстия диаметром 0,56 мм для впрыскивания топлива. Управление подачей топлива во всех 20 топливных насосах осуществляется от одного регулятора числа оборотов, установленного в передней части дизеля.

На дизеле 2Д100 имеются устройства, позволяющие ему неограниченно длительно работать на минимальных оборотах холостого хода без таких отрицательных явлений, как разжижение масла топливом и повышенный расход топлива, которые характерны для двухтактных дизелей.

Одним из таких устройств является механизм выключения топливных насосов, который на минимальных оборотах холостого хода выключает 15 топливных насосов из 20, установленных на дизеле, а на всех других режимах холостого хода выключает 10 топливных насосов левого ряда. При этом топливо подается в большем количестве в каждый цилиндр только одной форсункой и тем самым улучшается его распыливание, происходит более полное сгорание топлива, что особенно важно при длительной работе дизеля па холостом ходу (на стоянках тепловоза).

Другим устройством является перепуск воздуха из полости нагнетания воздуходувки в полость всасывания с целью умень-

1. Устройство и рабочий процесс дизеля
Рис. 5. Цилиндр дизеля: 1 - верхний шатун: 2 - гильза цилиндра; 3-шпилька; 4 -верхний поршень; 5 поршневой палец; 6 - вставка; 7- рубашка цилиндра; Я -нижний поршень; 9 - поршневые кольпа; 1и - нижний шатуншения количества воздуха, подаваемого в цилиндры, и повышения температуры цикла.

При работе на холостом ходу с выключенными 15 или 10 топливными насосами и перепуском воздуха на всасывании воздуходувки значительно уменьшается закоксовывание поршней и цилиндровых гильз продуктами несгоревшего топлива, исключается попадание топлива в масло и разжижение его, а также значительно сокращается эксплуатационный расход топлива.

На дизеле 10Д100 для устранения разжижения масла топливом также предусмотрено выключение 10 топливных насосов при работе на холостом ходу.

В процессе работы во внутренних полостях дизеля обеспечивается постоянное разрежение за счет отсоса газов из картера воздуходувкой через маслоотделитель. Благодаря этому даже при неплотностях в соединениях деталей исключается возможность течи масла из внутренних полостей дизеля, так как давление атмосферного воздуха снаружи всегда будет выше, чем внутри дизеля - в картере.

Дизель оборудован предохранительными клапанами, называемыми противовзрывными, которые установлены на крышках отсеков нижнего коленчатого вала и воздушного ресивера. В аварийных случаях - при вспышке паров масла в картере, вследствие перегрева отдельных деталей или прорыва газов из цилиндров - эти клапаны открываются и тем самым предохраняют детали дизеля от повреждений. Кроме того, с внутренней полостью картера постоянно сообщается дифференциальный манометр с электроконтактным устройством, который, действуя на регулятор числа оборотов, автоматически останавливает дизель в случае, если вместо разрежения в картере даже незначительно повысится давление.

Положительной особенностью дизелей 2Д100 и 10Д100 является их хорошая уравновешенность. Верхний и нижний коленчатые валы вращаются с одинаковым числом оборотов при одинаковом ходе поршней, а все движущиеся возвратно-поступательные части перемещаются в противоположных направлениях. Это обеспечивает спокойную работу дизеля, так как почти полностью отсутствует результирующая сила инерции перемещающихся возвратно-поступательных частей.

Часто демонтируемые детали и узлы дизеля имеют сравнительно небольшой вес, что позволяет производить многие монтажные работы без подъемных приспособлений.

⇐ | От автора | | Тепловозные дизели 2Д100 и 1 ОД 100. Аврунин А. Г. | | Блок дизеля | ⇒