Порядок выполнения работы:

В теоретическом расчете процессов газообмена по известным из термодинамики формулам истечение газов с допущением установившегося движения определяют необходимые сечения органов газораспределения с учетом оптимальной скорости движения газов.

К ритериями совершенства газообмена в двухтактном двигателе являются: коэффициент продувки φ_пр, коэффициент остаточных газов γ_ч, коэффициент наполнения η_н, давление продувочного (наддувочного) воздуха Рs (Рк).

Коэффициент продувки представляет собой отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, оставшегося в цилиндре в составе заряда к началу сжатия. Коэффициент продувки судовых дизелей лежит в пределах 1,45-1,65. Меньшие значения характерны для прямоточных, а большие – для контурных схем газообмена.

Существует также понятие удельного расхода воздуха g_s, представляющего собой отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр за цикл к эффективной цилиндровой мощности. Для двухтактных малооборотных двигателей g_s = 8,8-10,8 кг/(кВт ч). Эта величина дает возможность судить о непосредственных затратах воздуха на продувку.

Определение коэффициентов наполнения и остаточных газов было дано в лабораторных работах №13,14. следует отметить, что в двухтактных двигателях величина γ_ч зависит от схемы продувки: в прямоточной γ_ч = 0,04-0,08 , в петлевой фирмы «МАН» γ_ч = 0,08-0,03 ; в петлевой фирмы «Зульцер» γ_ч = 0,09-0,12 ; в поперечной γ_ч = 0,12-0,14.

Снижение параметров φ_пр, γ_ч, Ps и повышение η_н уменьшает мощность, затрачиваемую на сжатие продувочного воздуха.

Процесс выпуска в двухтактных двигателях условно разделяют на три фазы. Во всех схемах продувки сначала открываются выпускные окна или клапаны, и давление в цилиндре снижается от величины Рв до некоторой величины Рц, соответствующей началу открытия продувочных органов (рис.15.11). Этот период «вm» называют первой фазой – свободный выпуск (предварение выпуска). Истечение газа из цилиндра происходит под влиянием разности давлений Рв > Рч.

Начало второй фазы соответствует моменту открытия продувочных окон (точка m). Эта фаза называется продувкой или принужденным выпуском. Она продолжается по диаграмме от точки «m» до точки «m’», то есть до момента закрытия продувочных окон при восходящем ходе поршня от НМТ к ВМТ. Во время этого периода отработавшие газы вытесняются из цилиндра, и он заполняется воздухом.

Третья фаза может быть двух видов. Если конструктивная схема продувки такова, что сначала закрываются продувочные окна при еще открытых выпускных, то третья фаза представляет собой выпуск после продувки (линия m’a). В этом случае через выпускные окна из цилиндра уходит часть заряда. Если же сначала закрываются выпускные органы (например, золотники в выпускном тракте), то третья фаза будет фазой дозарядки. В этом случае в цилиндр через продувочные окна поступает добавочное количество воздуха. При расчете процесс газообмена давления Рs, Рц и Рч за период продувки принимаются постоянными.

При данной разности давлений количество вытекающего газа будет пропорционально площади сечения окон и времени их открытия. Увеличение живого сечения окон и уменьшение скорости движения поршня будут способствовать лучшей очистке цилиндра от газов и лучшему заполнению его свежим воздухом, а уменьшение размеров окон и увеличение быстроходности приводит к обратным результатам.

Так как в процессе газообмена ни высота окон, ни время их открытия, взятые в отдельности, не могут служить характеристикой их пропускной способности, то в теорию ДВС вводится понятие «время-сечение». «Время-сечение» это сумма произведений мгновенного значения площади проходного сечения окна на время открытия этого сечения. Время-сечение имеет единицу измерения: произведение площади проходного сечения на время открытия (см² с).Сущность расчета продувки состоит в том, чтобы определить теоретически необходимое время – сечение для прохождения газов при определенных давлениях и скоростях. Теоретическое время – сечение подсчитывают отдельно по фазам: для предварения выпуска, принужденного выпуска во время продувки и для продувки. Полученные значения теоретического время – сечение сравнивают соответственно по фазам с располагаемым время - сечением, которое находят на основании предварительно выбранных размеров окон и скорости поршня. Отношение теоретически необходимого время - сечения к располагаемому должно быть близко к единице, в противном случае вводят необходимые поправки в запроектированные размеры окон

Располагаемое (действительное) время-сечение подсчитывают графически с помощью диаграмм изменения площади проходных сечений выпускных и продувочных органов в зависимости от угла поворота кривошипа или в зависимости от времени, с.

Для построения диаграммы время-сечение необходимо иметь график перемещения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Такой график можно построить, предварительно подсчитав путь поршня аналитически, но проще воспользоваться бицентровой диаграммой Брикса.

Построение диаграммы целесообразно выполнять следующим образом.

В выбранном линейном масштабе вычерчивают схему рабочего цилиндра с указанием высоты выпускных h₁ и продувочных h₂ окон (рис.15.13)

Рис.15.13 Построение диаграммы время-сечение для контурной продувки

Правее в том же масштабе описывают полуокружность радиусом R = 0,5 S таким образом, чтобы она касалась линии уровня кромки днища поршня при положении его в НМТ.

Далее откладывая вниз от центра О в масштабе чертежа величину поправки

OO’ = R² / 2L

При проектировании нового двигателя длину шатуна L находят из соотношения λ = R/L, которое выбирается по аналогии с выполненными двигателями. Тогда поправку Брикса можно представить так:

OO’ = R·R / 2L = Rλ / 2

Поправка OO’ дает возможность учесть влияние конечной длины шатуна на путь, проходимый поршнем в цилиндре.

Проведя горизонтальную линию на уровне верхней кромки выпускных окон до пересечения с полуокружностью в точках 1 и 1’ и соединив их с новым центром O’, находят полный угол поворота кривошипа φ₁, соответствующий фазе открытия выпускных окон.

Выпускное окно откроется за φ/2 ПКВ до НМТ и в силу симметричности фаз закроется после НМТ тоже через φ₁/2 ПКВ. Из нового центра O’ описываем дугу произвольным радиусом «r», она нужна для удобства деления угла φ₁ на равное число частей (можно обойтись и без вспомогательной дуги, если делить угол транспортиром).

Обычно делят угол φ₁/2 на четыре-пять равных частей. Такие деления на вспомогательной дуге соединяют с центром O’, и радиусы продолжают до пересечения с основной полуокружностью. Точки пересечения нумеруют 1,2,3 и т.д. Следует заметить, что ввиду поправки ОO’ дуги основной полуокружности, отсекаемые радиусами, будут неравными.

Чтобы построить путь поршня от точки 1 до точки 1’, выбираем произвольный отрезок l, который в масштабе (1 см длины равен «К» градусов будет выражать время поворота кривошипа на угол φ₁). Середина этого отрезка соответствует НМТ, движение идет по стрелке «Б». Разделим половину отрезка «l» на такое число равных отрезков, на какое был разделен угол φ₁/2 на диаграмме Брикса. Точки на отрезке соответственно пронумеруем.

Далее, восстановив перпендикуляры до пересечения с горизонтальными линиями, проведенными от одноименных точек основной полуокружности бицентровой диаграммы Брикса, получим точки 1,2,3,4, расположенные на кривой пути поршня в зависимости от угла поворота кривошипа. Теперь соединим эти точки плавной кривой. Правая половина кривой строится аналогично ввиду симметричности диаграммы. Общая площадь диаграммы (1-НМТ-1’-1), ограниченная кривой пути поршня и горизонтальной прямой 1-1’ будет в масштабе выражать время-сечение выпускных окон.

Проведем горизонтальную линию от верхней кромки продувочного окна h₂ до пересечения с кривой пути поршня. В точках aa’ восстановим перпендикуляры до пересечения с горизонтальной прямой 1-1’. Таким образом, диаграмма разделилась на четыре участка (I, II, II + III, IV), каждый из которых выражают время - сечения определенной фазы газообмена. В точке 1 начинают открываться выпускные окна, что соответствует началу первой фазы (предварению выпуска), которая заканчивается в момент открытия продувочных окон (точка «а»).

Площадь I в масштабе представляет располагаемое время-сечение выпуска до начала продувки. Допустим, что площадь I равна F₁, см², а путь поршня и угол поворота кривошипа отложены в следующих масштабах: по оси ординат 1 см длины чертежа равен S, см хода поршня; по оси абсцисс 1 см равен φ₁/l K градусов, или в секундах, 1 см = К/6.

Если учесть постоянную ширину выпускных окон по окружности цилиндра В₁, см, то масштаб для выпускных окон по окружности цилиндра В₁, см, то масштаб для выпускных окон, см²с

для продувочных окон нужно взять их ширину В₂ и m₂ = В₂SK/6n, тогда располагаемое время-сечение первой газы- выпуска до начала продувки А_I, см²с, будет А_I = F₁m₁. В точке «а» открываются продувочные окна и после НМТ в точке «а» они закрываются. Следовательно, площадь II представляет графически в масштабе располагаемое время-сечение продувки

A_II = F₂m₂

За время продувки выпускные окна продолжают оставаться открытыми и их время-сечение в масштабе графически представляется суммой площадей II и III. Обозначим сумму площадей II и III через F₃, тогда располагаемое время-сечение на выпуск во время продувки будет A_III = F₃m₃.

После продувки в рассматриваемой схеме имеется фаза потери заряда время-сечение этой фазы (площадь IV) будет равно время- сечению первой фазы выпуска до начала продувки (площадь I).

A_IV = F₄m₁

В предварительных расчетах для современных двухтактных дизелей высоту и ширину окон принимают:

- выпускных h₁ ≈ (0,16 - 0,25) S; B₁ ≈ (0,20 – 0,35)ПД;

- продувочных h₂ ≈ (0,08 - 0,13) S; B₂ ≈ (0,25 – 0,40)ПД.

Содержание отчета:

1. Тема и цель лабораторной работы.

2. Материальное обеспечение.

3. Отчет о проделанной работе.

Заключительный контроль:

1. Дать понятие о диаграмме Брикса.

2. Построение диаграммы Брикса.

3. Построение диаграммы «время-сечение».

4. Что представляет собой контурная продувка?

5. Особенности очистки цилиндров 2-хтактных двигателей по сравнению с 4-хтактным.

6. Коэффициент продувки.

7. .Коэффициент остаточных газов.

8. .Коэффициент наполнения.

9. Давление продувочного воздуха.

10. 1-ая фаза продувки.

11. .2-ая фаза продувки.

12. 3-ая фаза продувки.

13. В чем заключается сущность продувки?

Литература:

1. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.

2. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.

Практическое занятие №12

Тема: Определение нормальных, радиальных и касательных усилий в КШМ (кривошипно-шатунный механизм)

Цель: определение действия этих сил при работе двигателя

Материальное обеспечение:

1. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.

2. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.

Вводный контроль:

1. Понятие о силах давления газов.

2. Действие сил тяжести поступательно движущихся частей.

3. Силы трения.

4. Силы инерции.

Краткая теория

В судовых ДВС возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи кривошипно-шатунного механизма. Силы, действующие в этом механизме, можно разделить на четыре группы.

1. Силы от давления газов на днище поршня Рч, Н, мгновенное значение которых Рч = РчF (Рч – давление газа в цилиндре двигателя в данный момент времени, Па; F = ПД²/ч – площадь поршня, м²; Д – диаметр цилиндра, м). Давление газов изменяется за цикл в широких пределах от Ра до Рz в зависимости от положения поршня и угла поворота кривошипа. Период изменения давлений для четырехтактных двигателей 720º ПКВ, а для двухтактных 360º.

2. Силы тяжести поступательно движущихся частей Рв. Считают, что у тронковых двигателей в поступательном движении участвуют поршень и 0,4 массы шатуна, а у крейцкопфных, кроме того, шток, крейцкопф и ползун. Сила тяжести подвижных частей тронковых высокооборотных двигателей мала по сравнению с другими силами, поэтому ее обычно не учитывают. Однако в крейцкопфных двигателях ею пренебрегать не следует. В любом случае сила тяжести постоянна по величине и направлена вниз. Ее определяют по опытным данным или по чертежам двигателя.

3. Силы трения, которые не поддаются точному теоретическому подсчету и включаются в механические потери двигателя.

4. Силы инерции подвижных частей Ри, Н, в общем случае Ри = -М*а, где М – масса поступательно движущихся частей, кг; а –ускорение движущихся частей, м/с². знак «минус» указывает, что направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения.