книги из ГПНТБ / Взоров, Б. А. Форсирование тракторных двигателей

Г л а в а II

ФОРСИРОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

1. СТЕПЕНЬ ФОРСИРОВАНИЯ

Как известно, мощность дизеля прямо пропорциональна частоте вращения, что позволяет форсировать дизель изменением только одного этого параметра. Однако при таком способе форсирования дизелей, находящихся на производстве, прирост мощности в результате увеличения частоты вращения составляет примерно 10—25% в зависимости от быстроходности форсируе­ мого дизеля и его запаса прочности.

Для большего повышения мощности увеличивают и среднее эффективное давление ре на 8—16%, что определяется возмож­ ностью получения при форсировании приемлемых значений ко­ эффициента избытка воздуха а. Общий прирост мощности вследствие увеличения п и ре может достигать 35%. Таким образом, форсирование повышением частоты вращения условно, потому что одновременно с ним возрастает и среднее эффектив­ ное давление.

Прежде чем перейти к такому способу форсирования необхо­ димо исследовать: наполнение дизеля; смесеобразование и сго­ рание; механические потери; износостойкость деталей, сборочных единиц и агрегатов; тепловые и динамические нагрузки на детали и механизмы дизеля; уровень вибраций и шума; количество теп­ лоты, отводимой в воду и масло; работоспособность моторного масла. Необходимы также исследования топливной аппаратуры, систем смазки и воздухоочистки, требующих изменений для работы на повышенных частотах вращения дизеля.

Только в результате таких исследований могут быть найдены решения, обеспечивающие надежную работу дизеля при задан­ ной мощности и удовлетворительной и стабильной топливной эко­ номичности на форсированном режиме.

Исследованиям дизелей на форсированных режимах должно предшествовать выявление зависимостей для форсируемой мо­ дели на принятых для нее нефорсированных скоростных и на­ грузочных режимах, а также на таких повышенных режимах, которые могут быть получены без внесения каких-либо конструк­ тивных изменений.

21

Необходимым минимумом являются следующие зависимости: коэффициента наполнения "щ- от частоты вращения и среднего эффективного давления ре; индикаторного к. п.д. тц- от частоты вращения, коэффициента избытка воздуха1 а и среднего инди­ каторного давления рр среднего давления механических по­ терь рм. п от частоты вращения2.

2. НАПОЛНЕНИЕ ЦИЛИНДРОВ

Для. повышения частоты вращения тракторного дизеля, рабо­ тающего с регулятором частоты вращения, достаточно изменить затяжку пружины регулятора и увеличить цикловую подачу топ­ лива. Последнее необходимо для повышения среднего индика­ торного давления р; с целью увеличения среднего эффективного давления рс и компенсации возрастания среднего давления механических потерь рм. Г1 при новом повышенном скоростном режиме.

Упомянутые средние давления связаны следующей зависи­ мостью:

Р е + Ь Р с = P i + * P l - ( Р м.„ + А Р м .п ) ’

где ре, Pi и рм. п— средние давления до форсирования: эф­ фективное, индикаторное и механиче­ ских потерь;

Аре, Ар,- и Дрм. п — приращения при увеличении соответст­ вующих средних давлений.

Из сказанного выше следует, что

APi = Ар е -1- Дрк п.

Обозначив средние давления при форсировании реф, р,-ф, р.м. п. ф, получим

Ргф = РеФ + Рм.п.ф

и

Р1Ф= Pi + АРе + Ар„.п-

Повышение р,- до р,-ф, а следовательно, и увеличение цик­ ловой подачи топлива влечет за собой уменьшение коэффи­ циента наполнения дизеля, даже при условии малой зависимости наполнения от частоты вращения. Это объясняется изменением теплового состояния дизеля и возрастанием температуры воз­ душного заряда, что уменьшает его плотность. Однако в боль­ шинстве дизелей коэффициент наполнения зависит от частоты

1 Здесь, как и п последующем, говорится о коэффициенте избытка возду­ ха а вне зависимости от температуры воздуха. Влияние температуры при одинаковых значениях а па показатели дизеля мало.

- В механические потери входят также потери насосных ходов при впу­ ске воздуха в дизель и выпуске отработавших газов.

22

•вращении, понижаясь при ее увеличении. Это происходит'вслед­ ствие сокращения времени-сечения впускных клапанов и ухуд­ шения наполнения. Отсюда следует, что понижение коэффи­ циента наполнения в результате форсирования по частоте вра­ щения и увеличения среднего эффективного давления может оказаться значительным. На рис. 4 приведено изменение коэф-

р (,=6 кгс/см2; ---------А-01; — • — Д -2-10;----------А-41

■фициента наполнения т]у тракторного дизеля А-41 в зависимости от среднего эффективного давления ре для нескольких частот вращения. Из кривых видно влияние обоих факторов — ре и п на т)г. Так, например, форсирование от 1750 до 2000 об/мин при одновременном увеличении ре от 6 до 7 кгс/см2 приводит к уменьшению коэффициента наполнения от 0,815 до 0,775, т. е.

на 5%.

На рис. 5 и 6 показано изменение коэффициентов напол­ нения в зависимости от частоты вращения некоторых отечест­ венных и зарубежных тракторных дизелей. Приведенные кривые подтверждают сказанное о различном характере изменения tjv— плавное изменение, мало зависящее от частоты вращения в ши­ роком ее диапазоне; максимум в некотором интервале частот вращения; волнообразное изменение, свидетельствующее о коле­ бательном процессе во впускном трубопроводе.

Неоднократно проведенные исследования показывают, что ■с увеличением частоты вращения индикаторный к. п.д. повы­ шается. На рис. 7 представлена зависимость индикаторного к. п.д. от частоты вращения при трех значениях среднего инди­ каторного давления, полученная в результате исследования экс­ периментального образца тракторного дизеля. Увеличение час­ тоты вращения при форсировании может только частично компенсировать то уменьшение индикаторного к. п.д., которое лропсходит вследствие понижения коэффициента наполнения и увеличения цикловой подачи, обеспечивающей необходимое по-, вышенне р;. Последние два фактора могут привести к такому

23

уменьшению коэффициента изоытка воздуха а, при котором значительно ухудшается индикаторный к. п.д. и топливная эко­ номичность дизеля. Это вместе с большим возрастанием меха­ нических потерь и является основной причиной, препятствующей в ряде случаев получению заданных мощности и экономичности при форсировании дизеля повышением частоты вращения без внесения конструктивных пз нений.

Очевидно, что одной пз главных задач при форсировании является обеспечение такого воздушного заряда, который позво­ ляет получить приемлемый коэффициент избытка воздуха а при увеличенной подаче топлива.

Судя по опыту форсирования некоторых тракторных дизелей, допустимыми значениями коэффициента избытка воздуха на номинальном режиме является а^1,45, а на режиме максималь­ ного крутящего момента 1,25. Эти значения можно прини­ мать для неразделенных камер сгорания. Снижение механиче­ ских потерь и улучшение рабочего процесса позволяют улучшить экономичность при указанных значениях а или сохранить имею­ щийся уровень удельных расходов топлива при меньших коэф­ фициентах избытка воздуха.

Эффективным средством улучшения показателей дизеля при форсировании является увеличение количествавоздуха, посту­ пающего в него. Это может быть достигнуто увеличением вре­ мени открытия клапанов, проходного сечения клапанов за счет изменения их диаметра или числа (реже — высоты подъема), созданием акустического наддува путем подбора впускного тру­ бопровода оптимальной длины.

3. ФАЗЫ Г АЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Продолжительность открытия клапана, выражаемая в граду­ сах поворота коленчатого вала дизеля, зависит от профиля кулачка валика механизма газораспределения и обратно про-

24

порциональиа частоте вращения. Отсюда следует, что продол­ жительность открытия должна быть тем больше, чем больше номинальная частота вращения дизеля.

Однако это положение справедливо только в случае измене­ ния частоты вращения какой-либо определенной модели. У вы­ пускаемых тракторных дизелей различных моделей указанная связь между частотой вращения и продолжительностью откры­ тия клапанов отсутствует. Часто у быстроходных дизелей про­ должительность открытия клапанов меньше, чем у менее быстро­ ходных дизелей. Это подтверждается табл. 3, содержащей фазы газораспределения некоторых отечественных и зарубежных тракторных дизелей.

Таблица 3

•Фазы газораспределения некоторых отечественных и зарубежных тракторных дизелей

Из таблицы видно, что, например, дизели ВМС ОАЕ/2 и SAME 954V имеют одинаковые частоты вращения — 2000 об/ыпн и разные продолжительности открытия впускных клапанов: 222 и 235° Дизель «Форд 590Е» с частотой вращения

25

2250 об/мин имеет продолжительность открытия впускного клапана 220°, а дизель «Роллс-Ройс C6.SFL-101G» при 1800 об/мин — 242°. Отсутствие закономерности между частотой вращения и продолжительностью открытия клапанов, наблюдае­ мое и у других дизелей, в том числе и отечественных, объяс­ няется следующим. Продолжительность открытия и частота

«Опаздывание закрытия» впускного и «предварение откры­ тия» выпускного клапана существенно влияют на улучшение наполнения цилиндров дизеля и очистку их от продуктов сго­ рания и тем эффективнее, чем больше частота вращения. На рис. 8 показано изменение коэффициента наполнения в зависи­ мости от частоты вращения для двух вариантов фаз газорас­ пределения [14]. Кривая / соответствует открытию и закрытию впускного клапана в мертвых точках, а кривая 2 — «предваре­ нию открытия» впускного клапана, равному 10°, и «опаздыва­ нию закрытия», равному 56°. В обоих случаях средние площади открытия клапанов были одинаковыми из-за разных высот подъема (7,6 и 5,6 мм). При частотах вращения п>1000 об/мин коэффициент наполнения при «опаздывании открытия» больше, чем коэффициент наполнения при отсутствии «опаздывания». Разница в значениях коэффициента возрастает по мере уве­ личения частоты вращения и при 2200 об/мин составляет около 11%- При частотах вращения п<1000 об/мин наблюдается пре­ вышение коэффициента наполнения при отсутствии «опаздыва­ ния» над коэффициентом наполнения при «опаздывании» от­ крытия. Это объясняется тем, что на малых частотах вращения «опаздывание закрытия» впускного клапана приводит к вытал­ киванию движущимся поршнем части воздуха, поступившего в цилиндр.

По поводу значения перекрытия клапанов существуют раз­ ные точки зрения, одна из которых заключается в том, что

26

.перекрытие обеспечивает продувку дизеля, так как при' одно­ временном открытии впускного п выпускного клапанов может происходить протекание через цилиндр воздуха из впускного трубопровода в выпускной. При достаточно больших количе­ ствах воздуха продувка способствует лучшей очистке цилиндров от продуктов сгорания и некоторому охлаждению поршней, го­ ловок, гильз и клапанов. Однако при тех относительно неболь­ ших углах перекрытия, которые имеют место в тракторных дизе­ лях, и малых перепадах давлений при работе без наддува эф­ фективность продувки невелика, так как на пути воздуха при перекрытии клапанов расположены значительные гидравличе­ ские сопротивления. Увеличение угла перекрытия может вы­ звать нежелательное перетекание отработавших газов из ци­ линдра во впускной трубопровод. При наддуве вследствие боль­ шего перепада давлений продувка более эффективна.

Таким образом, главный смысл открытия впускного и закры­ тия выпускного клапанов не в в. м. т., особенно для двигателей без наддува, заключается в увеличении общего времени откры­ тия клапанов для уменьшения их ускорений, сил инерции и ■предотвращения разрывов кинематической цепи в распредели­ тельном механизме.

До настоящего времени не создано методов расчета фаз газораспределения для проектируемого или форсируемого ди­ зеля. Поэтому единственно правильным является определение оптимальных фаз экспериментальным путем, хотя это сложная

итрудоемкая работа. То обстоятельство, что при выбореопти­ мальных фаз сказывается влияние других конструктивных элементов, указанных выше, усложняет методику экспериментов

иувеличивает их число. В качестве ориентировочных-' могут служить величины, заимствованые у выпускаемых моделей.

Для получения исходных величин для экспериментов по под­ бору фаз при форсировании дизеля может быть предложен следующий метод.

«Предварение открытия» впускного клапана позволяет полу­ чить большое проходное сечение к моменту возрастания ско­

где А„ — переменная высота подъема в мм;

di; — меньший диаметр тарелки клапана в мм.

Среднее значение высоты подъема, которое может быть ■определено из кривой подъема клапана /i = 0(cp), равно

]' Ыф ;(фпо + фаз + 180°).

-О

Для обычно применяемых профилей кулачков с достаточной точностью можно принимать

Рассмотрениевыполняемых конструкцийпоказывает, что максимальнаявысота подъема клапана иего диаметрмогут быть связаны следующей зависимостью:

Тогда на основании уравнений (2) и (3)

AK.Cp~0,54d2’es.

Подставляя это значение в формулу (1), получим

/ср = 2,22-0,54d,(’e5 (dK+ 0,5- 0,54d°'65),

или

23

Приравниваем выражения (7) и (8):

коленчатого вала.

Индекс ф относится к величинам, получаемым при форсиро­ вании; величины без этого индекса были до форсирования. Введя этот индекс в уравнение (9) и подставив в него выраже­ ние (10), получаем

тпф

Ф + 180 = 5000И;1тугФРо.

ШфП

Можно принять, что средняя плотность воздуха в отверстии клапана равна плотности воздуха в цилиндре:

Рк ~ Д Ро-

Тогда после преобразований получаем формулу для опреде­ ления диаметра клапана dK. ф в мм при форсировании дизеля:

Средняя скорость w воздуха в клапанах изменяется в широ­ ких пределах:

w = 63 — 110 м/с.

В дизелях, выпускаемых в США, встречаются и более высо­ кие скорости воздуха (до 120 м/с).

Для уменьшения гидравлических потерь следует принимать возможно меньшие значения скоростей:

при одном впускном клапане на цилиндр ш/< 7 5 м/с;

29