книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

П р о ц е с с с в о б о д н о г о в ы п у с к а

ложении, что процесс адиабатический, происходит при постоянных по времени и объему давлениях в ресивере продувочного воздухарк, в цилиндре рц и в выпускной системе рр со скоростью потока продувочного воздуха ниже критической, т. е. при соотношении

давлений

k

Весовое количество воздуха, поступившего в цилиндр за элемент времени dr,

откуда время-сечение продувки— наполнения

Здесь рп — коэффициент расхода продувочных органов; /п — те­ кущее значение площади проходного сечения; рк, ик — постоян­ ные значения давления и удельного объема воздуха в ресивере продувочного воздуха;

Эта функция может быть определена из графика, приведенного на рис. 1.56, или расчетом (при k = 1,4).

Расход воздуха на продувку

( 1.220)

°п = ^иКг

Подставив в уравнение (1.219) значение для Gn, заменив произве­ дение pKvKна RTKи подставив значение газовой постоянной (для воздуха R = 29,3), получим после простейших преобразований расчетную зависимость для время-сечения продувки— наполнения

167

Если отнести плотность и коэффициент избытка продувочного воз­ духа к условиям окружающей среды, то

В зависимости от задачи исследования полученные формулы (1.221) и (1.222) могут быть использованы для определения коэф­ фициента истечения рп и давления в цилиндре двигателя если известно располагаемое время-сечение и остальные пара­ метры.

Аналогичен предыдущему вывод уравнения для расчета время—

равно разности веса поступившего за цикл количества продувоч­ ного воздуха Gn и веса газов, оставивших цилиндр за период свободного выпуска Gc в

°в = Gn — Gc.„.

При этом

Подставив значения GBв формулу (1.223), получим зависимость, связывающую параметры процесса выпуска с необходимым время-

168

Здесь vB — |в|д.в —■расчетный коэффициент, равный произведе­ нию поправочного множителя |в на коэффициент расхода выпуск­ ных органов [хв, отнесенный к периоду принудительного выпуска; значения коэффициента vBприведены в § 5;

средние за период выпуска— наполнения давление и температура газов в цилиндре.

Параметры с индексом п относятся к началу процесса прину­ дительного выпуска.

Данные, необходимые для оценки параметров, входящих в фор­ мулы для определения время-сечений органов газораспределения, приведены в § 5.

§5. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА

ИРАСЧЕТНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

Давление воздуха перед впускными органами рк выбирается в соответствии с требуемой степенью форсирования, зависит от систем газообмена и воздухоснабжения, типа и назначения дви­

Величина давления воздуха перед впускными органами устанав­ ливается окончательно только в процессе экспериментальной до­ водки двигателя.

Следует иметь в виду, что при форсировании двигателей, осо­ бенно с петлевой продувкой, необходимо согласование давления

169

наддува рк с противодавлением рр. Чрезмерное увеличение рк может привести к нарушению процесса газообмена, снижению эф­ фективных и экономических показателей двигателя. Величина от­ ношения рр1рк зависит от системы газообмена и наддува и нахо­ дится у современных двигателей в пределах 0,75— 0,92 (табл. 1.22). При импульсном наддуве значения рр несколько меньше, чем при наддуве с постоянным давлением. Для двигателей без газотурбин­ ного наддува рр = (1,05-е 1,1) р0 кгс/см2.

Предел повышения давления наддува рк в двухтактных дви­ гателях определяется нагрузками на подшипники и высокой теплонапряженностью деталей цилиндро-поршневой группы. Для сни­ жения последней и увеличения свежего заряда в цилиндре приме­ няется промежуточное охлаждение воздуха.

Температура воздуха перед впускными органами Тк зависит от степени наддува, типа компрессора и интенсивности промежу­

точного охлаждения

m—1

Тк = Т к - ДГк = Г 0 ( ^ ) m - Д 7 К.

В зависимости от типа компрессора можно рекомендовать сле­ дующие ориентировочные значения показателя политропы сжа­ тия m:

За счет охлаждения после компрессора температура воздуха при обычных значениях рк снижается на 30— 70 (до 100)° С. В судо­ вых установках применяются водо-воздушные холодильники, ис­ пользующие для охлаждения воздуха забортную воду. В этих

могут быть взяты из расчета рабочего цикла двигателя или оце­ нены по результатам экспериментальных исследований.

Значения давления газов в цилиндре двигателя в начале сво­ бодного выпуска рь находятся примерно в следующих пределах:

170

При более раннем открытии выпускных органов, например, в двигателях с газотурбинным наддувом, с выпуском через кла­ паны рь имеет большую величину.

Температура газов в рассматриваемый момент обычно равна 1000— 1600 К. Для ориентировочной оценки Ть А. С. брлин ре­ комендует следующее соотношение:

Для двигателей с петлевой системой газообмена km = 0,85-^1,25, при прямоточной системе km — 0,8ч-0,95.

Необходимо отметить, что ошибка в оценке Ть незначительно сказывается на результатах расчета газообмена.

Давление газов в цилиндре к началу открытия продувочных органов рн в двигателях без автоматических клапанов на впуске всегда выше рк. Это в основном вызвано стремлением к более раннему открытию продувочных окон с целью обеспечения до­ статочного время-сечения продувки. Давление рн может быть больше рк на 1— 2 кгс/см2, не вызывая заметного заброса газов в ресивер продувочного воздуха. Последнее объясняется быстрым падением давления газов в рассматриваемый период за счет эжектирующего эффекта от развитого потока выпускных газов и малой степенью открытия продувочных окон.

По данным А. С. Орлина, для турбопоршневых двигателей

блюдаются меньшие значения давлений рн в связи с не столь сильно выраженным эжектирующим эффектом от потока выпуск­ ных газов. Чем выше частота вращения, тем большими оказы­ ваются значения рн. У малооборотных двигателей давление рн близко к давлению воздуха перед впускными органами рк.

При проектировании автотракторных двигателей с прямоточ­ ной клапанно-щелевой системой газообмена ориентировочная оцен­ ке значений давления рн в зависимости от давления рк может быть осуществлена по графику на рис. 1.58 [14].

При наличии автоматических клапанов на впуске давление рн ниже давления рк.

Объем цилиндра в начале продувки (принудительного выпуска) Vn принимается равным (0,9— 1,05) Vs■ Температура газов в этот момент

k-\

Давление газов в цилиндре обычно считается равным среднему давлению рц за период продувки-наполнения, a k — равным 1,3.

Давление в цилиндре двигателя р* в период принудительного выпуска — продувки изменяется сравнительно мало. Среднее его

171

значение можно оценить по величине коэффициента а — относи­ тельного перепада давлений в выпускных органах

— Рц —рр

Рк Рр

Для двигателей с клапанно-щелевой системой газообмена а — = 0,5-ь0,9; с прямоточной щелевой — 0,3— 0,5; с петлевой 0,4— 0,75 113].

По величине давление ря близко к давлению начала сжатия ра. Тц — средняя условная температура газов за время принудитель­ ного выпуска зависит от системы га­ зообмена. Определение Тц весьма слож­ но, связано с различными гипотезами о характере протекания процесса про­ дувки. Если предположить полное пе-

ремешивание продуктов сгорания и продувочного воздуха, то фор­

где Es (1 + ф) — объем смеси газов.

Весовое количество смеси газов можно определить как сумму веса продувочного воздуха Gn и газов в цилиндре Gr. Если принять газовые постоянные смеси газов, воздуха и продуктов сгорания

172

Приравняв правые части равенств (1.225) и (1.226), не внося существенной погрешности заменой давления рк давлением рц, после прост йших преобразований получим формулу для опреде­ ления температуры Тц в цилиндре двухтактных двигателей с пет­ левой системой газообмена

При ориентировочной оценке можно воспользоваться соотноше­ нием

(1.228)

А. С. Орлин предложил определение Гц при известной темпе­ ратуре Тп исходя из приближенного закона изменения темпера­ туры в цилиндре в процессе продувки

Т = Тпе~ьч>,

где ср — угол поворота коленчатого вала, отсчитываемый с начала продувки.

Задавшись температурой начала сжатия (конца продувки), определим коэффициент

Т

Та

Средняя температура за процесс продувки

Откуда, подставив значение коэффициента Ь, получим оконча­ тельно выражение для оценки температуры Тц для двигателей с прямоточной продувкой

Коэффициенты расходов, отнесенные к условиям свободного выпуска р, принудительного выпуска рв и процесса продувки— наполнения рп, имеют следующие значения: р = 0,65-^0,85; рв =

— 0,4-а-1,0; рп = 0,7-т-0,8. Наиболее .условным является коэф­ фициент рв, включающий поправку на сопротивление движению воздуха внутри цилиндра и на влияние элементов неустановившегося движения. При расчетах обычно вводится поправочный множитель учитывающий отклонения условной расчетной

173

схемы процесса от действительной. Значения расчетного коэффи­ циента vB = £врв могут быть выбраны следующими для двига­ телей:

§6. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ВЫПУСКА

ИПРОДУВКИ ДВУХТАКТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Расчет газообмена двигателя с прямоточной клапанно-щелевой продувкой

Параметры рабочего цикла приведены в третьем столбце табл. 1.18 (стр. 122). Данные двигателя и назначаемые величины следующие.

На рис. 1.59 представлены диаграммы изменения проходных сечений впускных /п и выпускных fBорганов двигателя.

Для прямоугольных или параллелограммных окон /п пред­ ставляет собой величину, пропорциональную перемещению поршня от верхней до нижней кромки окон. В данном случае верхняя кром­ ка поршня в н. м. т. расположена против нижней кромки окон. Если поршень опускается ниже пояса окон, то диаграмма fn будет

174

иметь в верхней части горизонтальную площадку, так как про­ ходное сечение за это время не изменяется.

Для построения диаграммы /в необходимо задаться профилем кулака, управляющего выпуском, и основными конструктивными элементами клапанного привода. Для двигателей подобного типа можно применить вогнутый профиль, так как он характеризуется

f.M2

Рис. 1.59. Диаграмма изменения проходных сечений

значительным время-сечением, а относительная сложность техно­ логии изготовления таких кулачков не имеет принципиального значения при малой серии их выпуска.

В этом примере за основу принята конструкция клапанного привода двигателя ДБ 10 Брянского машиностроительного завода. Промежуточный угол профиля кулака (угол цилиндрической вставки) уменьшен. Диаметр ролика толкателя 170 мм.

Передаточное отношение коромысла переменно. Оно зависит от положения механизма привода. Ввиду относительной малости изменения углов наклона коромысла будем считать передаточное отношение постоянным, равным отношению длин плеч. Для дан­ ного двигателя перемещение клапана в 1,06 раза превышает пере­ мещение толкателя. Зависимость перемещения толкателя от угла поворота распределительного вала можно легко получить ана­ литически (для несложных профилей) или графически — методом

175

«обкатки» ролика вокруг кулачка. Площадь проходного сечения клапанов для у = 30е рассчитывалась по формуле

h = l™nhx (°,866d - f 0,375hx),

где hx — текущее значение подъема клапана; гкл — количество клапанов.

Масштаб площади диаграммы (время-сечения)

п— частота вращения.

Вкниге чертеж-диаграммы уменьшен в 1,67 раза..

Из диаграммы находим располагаемое время-сечение предва­ рения выпуска (площадь ВННгВ)

А0р = 6,6-2,90-10-4 = 19,1 -10-4 м2•с.

Объем, занимаемый газами в момент открытия выпускных кла­ панов, равен 1 (для Va — аналогичное уравнение)

ср = 109° поворота от в. м. т. (71° до н. м. т.);

Vc = 0,0512 м3, Уь = 0,561 м3;

Давление в начале выпуска

р75

р — степень предварительного расширения. Температура в начале выпуска

1 Для определения величины выражения в квадратных скобках можно вос­ пользоваться таблицами кинематических функций для кривошипно-шатунного механизма. Vc — из уравнения для Va и определения е.

176