книги из ГПНТБ / Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей

■лых давлений несущественно отличаются от конечных давле­

точек каждого участка в уравнение для расчета утечек приве­ дет к завышению результатов расчета. Поэтому для обеспе­ чения большей точности следует применить метод последова­ тельных приближений при определении параметров средних точек каждого из участков. Для этого при расчете утечки на

ются по данной предварительной кривой. После определения величины утечки на данном участке по выражению (16) опре­ деляется конечное давление для данного участка Рт, а также значение 1/т е учетом величины утечки газа на последнем участке. Все окончательные значения параметров расчета данного участка являются исходными для аналитического расчета следующего участка.

Принимая во внимание, что среднее значение показате­ ля политропы на участке сжатия при наличии значительных утечек уменьшается,- представляется возможным проведение корректировки индикаторных диаграмм по значениям пока­ зателей политроп, учитывающих наличие утечек. Изменение показателя политропы сжатия в зависимости от утечек для двухтактных и четырехтактных дизелей приближенно можно оценить по следующей зависимости, полученной в результате обработки индикаторных диаграмм двигателей с различной степенью износа деталей ЦП Г и различными замеренными утечками:

П\ — значение показателя политропы сжатия нового двигателя (малые износы ІЩ Г ).

£ dG ут •100 —-относительная утечка газов за цикл,

в % от циклового расхода газа. Выражение (17) можно использовать для определения как

средних значении показателей политроп для всего участка, так и для определения текущих значений показателей политроп «а каждом из участков при корректировании индикаторной диа­ граммы.

Величину относительной утечки газов за цикл можно рас­ считать « без корректировки 'индикаторной диаграммы. Вели­ чины параметров средних точек каждого участка в этом слу­ чае снимаются .непосредственно с диаграммы 'нового двига­ теля, а .изменение удельных -объемов из-за наличия утечек .не принимается во .внимание. В .заключение расчета производится суммирование утечек по участкам диаграммы.

Полученная при -расчете по данной приближенной методике величина суммарной цикловой утечки газа иа 2—10% превы­ шает величину утечки, рассчитанную по корректированной ин­ дикаторной диаграмме; при больших утечках имеет место и наибольшая разница в .результатах -расчетов. Данный расчет необходим для приблизительной оценки величин утечек, а так­ же для определения корректированных значений показателей политроп сжатия. Характер зависимости показателей полит­ роп .сжатия и расширения от утечек представлен на рис. 17 а, б.

Обработка индикаторных диаграмм для определения по­ казателей политроп проводилась в соответствии с методикой, изложенной в работе [29]. При ироведёш-ш корректировки ин­ дикаторных диаграмм линия сжатия условно продолжается до вертикали, соответствующей отметке ВМТ. Следует отме­ тить, что при 'Определении -средних значений показателей .по­ литропы на участке -сжатия, последние получаются несколько завышенными, что объясняется отрывам линии .сгорания от линии сжатия. Эти значения являются .в некоторой степени условными и используются только при корректировке диа­ грамм.. Действительные значения Пі и -их зависимость от утечек определены для случая «чистого сжатия». Линия «чистого сжатия» получалась более детальной записью верхней части диаграммы при периодическом отключении топлива (.перио­ дичность снижала .погрешность ,в определении щ из-за охлаж­ дения поверхности камеры сжатия).

50

Сравнительные значения средних показателей политроп сжатия и расширения для двигателей ряда Д іі9/30 приведены

При корректировании линии сжатия с учетом утечек опре­ деляется Рс' —давление .сжатия при изменении количества ра­ бочего тела, а также максимальное давление цикла Р/. Полу­ ченные значения Рс и Рг сопоставляются со значениями Р</ и Р-1 исходного рабочего цикла.

Линия расширения

Корректирование индикаторной диаграммы на линии рас­ ширения начинается с точки z и проводится в соответствии с методикой, (примененной для линии сжатия.

При этом рабочим уравнением является выражение

‘Корректирование индикаторной диаграммы продолжается до значений АР—0, т. е. до совпадения линии процесса корр-ек- тированной диаграммы и исходной. Корректирование индика­ торной диаграммы производится также с учетом изменения показателе политропы расширения .в зависимости от утечет. Экспериментально полученное выражение для определения приближенных значений показателя политропы расширения в зависимости от утечек-имеет .следующий .вид:

52

где пг —.показатель политропы расширения о учетом утечек

В — относительная утечка газов за цикл.

Путем корректировки индикаторной диаігра.ѵшы исходного варианта получается расчетная индикаторная диаграмма, со­ ответствующая случаю с определенным количеством газов утеч­ ки из-за наличия плошфдей просветов. Измерение площадей просветов производится в соответствии е методикой, изложен­ ной в гл. II, § 2. После ^корректировки диаграмма перестраи­ вается в координаты Р—V и планиметрируется с целью опре­ деления Р{.

Вообще же обработка индикаторной диаграммы может производиться и без перестройки любым методом, обеспечива­ ющим точность определения /3! ,в пределах 14-2,5%.

Определенное планиметрированием или расчетом среднее индикаторное давление в этом случае является средним инди­ каторным давлением цикла с переменным количеством рабо­ чего тела при неизменной цикловой подаче топлива £/ц—const,

Вследствие потери части газа происходит уменьшение внут­ ренней энергии рабочаго тела, ухудшаются условия рабочего процесса из-за уменьшения асг, %, Рс, Тс. Все это приводит к -снижению величины среднего индикаторного давления, а так­ же и индикаторной мощности (корректированные -индикатор­ ные диаграммы приведены на рис. 16б). Таким образом /Ѵ < < Р\\ N iC N i, где Р\ и Ni — среднее индикаторное давление и индикаторная мощность исходного варианта. Индикаторная мощность при наличии утачек определяется по формуле

■Р{и.л.с. (20)

Поскольку изменение параметров рабочего процесса рас­ сматривается при .неизменной цикловой подаче топлива, то ин­ дикаторный расход топлива процесса с переменным количест­ вом рабочего'тела находится по выражению

(21)

(

где Gт — часовой расход топлива исходного варианта, кг/час.

53

Имея зависимость г)м от состояния цилиндро-поршневой группы, можно оценить также и изменение эффективного КПД

Гі'е = Г |Ѵ т Г м .

Изменение значении эффективных показателей мри нали­ чии утечек в оравнении со значениями эффективных показате­ лей исходного .варианта (.без утечек) определяется как раз­ ность .исходных и рассчитанных значений

Изменение значений безразмерных параметров рабочего цикла (А, р, б) .можно оценивать непосредственно по корректи­ рованной индикаторной диаграмме. Рассмотренная расчетная схема определения показателей, характеризующих рабочий процесс, относится к случаю неизменного циклового расхода топлива. В этом случае за счет ухудшения индикаторных и эф­ фективных показателей происходит .снижение .мощности и ухудшение удельного расхода топлива.

В .некоторых случаях требуется оценить изменение показа­ телей .рабочего процесса при постоянной эффективной мощно­ сти, получение которой осуществляется путем значительного увеличения цикловой подачи топлива. В этом случае Ра' и Р\ поддерживаются на уровне значений, имеющих место при ис­ пытании цилиндро-поршневой группы исходного варианта, т. е.

P'ettPe,

Для данного случая в соответствии с изложенной 'методи­ кой возможна только приблизительная оценка величины пере­ расхода топлива по .сравнению с .расходом топлива на номи­ нальной мощности .при -испытаниях исходного варианта. Рас­ четная схема в этом случае строится на основании следующего допущения: при значительных неплотностях величина падения эффективной мощности при Цц=const составляет величину в 10—16% от номинальной мощности. Определенные для дан­ ного значения утечек .индикаторные и эффективные показате­ ли рабочего процесса принимаются постоянными и при неко­ тором увеличении цикловой подачи топлива, в пределах тех значений ^ц, при которых восстанавливается первоначальная номинальная эффективная мощность.

Пример расчета изменения параметров рабочего процесса в зависимости от величины утечек по данной методике для дви­ гателя Д 19/30 приводится в приложении.

55

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ГАЗА ПРИ УТЕЧКАХ

ЧЕРЕЗ КОЛЬЦА

ъ

Расход газа через неплотности поршневых колец для каж­ дого участка индикаторной диаграммы подсчитывается іпо об­ щепринятой формуле .истечения

где ц — коэффициент расхода для данного вида неплотностей, /(=0,9854-0,975 —'поправочный коэффициент, учитывающий вязкость газов утечжіи, Ssnp —среднее значение площади про­ света уплотнения, ф — экспериментальная расходная функция.

критическое истечение для расчета' функции истечения в этом случае не представляется возможным, так как выражения ('29) не могут быть применены для лабиринтов уплотнения, обра­ зованного последовательным рядом поршневых колец с раз­ личной по .величине площадью проходного сечения у каждого кольца.

В выражениях ,(28) и (29) принято:

Яо — давление среды, в которую происходит истечение; Рк и Ѵф — параметры газа над поршнем;

t — время, в течение которого подсчитывается утечка. Аналогичной является и расчетная методика, принятая в

где Рі — давление перед последним кольцом, ата; t\ — температура газов перед кольцом, °С;

ц—коэффициент истечения (для сверхкритической обла­ сти ц=0,24).

/рез —проходное сечение.

Однако выражение (30) применимо, каік отмечает К. Энг­

56

лиш, для случаев, когда давление ів уплотняемом пространстве постоянно. Кроме того, реальное уплотнение заменено простым сечением, величина которого принималась примерно 0,4 мм2 на каждые 1О0 мм диаметра .цилиндра. Такая величина про­ ходных сечений соответствует новому двигателю в период при­ работки.

При расчете утечек по выражению (28) для каждого из участков параметры Ро и Рк іпіриниімаются неизменными, что справедливо для бесконечно большого числа участков, а ог­ раничение числа участков (m=3fi) незначительно снижает точность расчета. Истечение газов через неплотности принято адиабатическим, средние значения показателей адиабаты і«іК» на линиях сжатия « расширения выбраны в соответствии с ре­ комендациями, имеющимися в литературе.

Для двухтактных двигателей весь .процесс истечения газов за цикл условно можно разделить на три периода:

Первый период — утечка газов из камеры сгорания через неплотности норш-невых колец) продувочные и выпускные ок­ на в ресивер продувочного воздуха и выпускной коллектор. В первом .периоде имеет .место истечение в надкритической обла­ сти. Утечка в картер в этот период также имеет место.

Второй .период —утечка газов ,в картер с момента открытия до закрытия выпускных окон происходит в .надкритической и подкритической области.

Третий период —после закрытия выпускных окон и начала сжатия до начала горения. Протекает в подкритической и над­ критической областях.

Для четырехтактных дизелей .разделение йа периоды доста­ точно производить по величине перепада давления над порш­ нем и в картере.

Подразделение на периоды является условным и сделано с целью выявления участков по. углу поворота коленчатого вала, когда утечки достигают наибольших значений.

Основные утечки происходят за I и III периоды, когда дав­ ление в цилиндре является наибольшим. Если для четырех­ тактного дизеля утечка газов на участке сжатия снижает ко­ эффициент избытка воздуха при .сгорании а, увеличивает по­ тери^ мощности в целом за .цикл и влияет на индккаторные и эффективные показатели, то для двухтактных дизелей влияние утечек на показатели рабочего процесса является более слож­ ным.

В этом случае утечки оказывают влияние не только на пе-

57

речислѳняые показатели, а также на .процесс .наполнения дви­ гателя. При этом в каждом из периодов утечки оказывают раз­ личное .влияние на .изменение -параметров рабочаго процесса. В первом .периоде увеличение утечек приводит, в основном, к увеличению .коэффициента -остаточных газов уг и .возрастанию температуры заряда Та. Совместное влияние этих дЬух фак­ торов в конечном -счете приводит к снижению коэффициента наполнения гр,. Утечка газов во втором периоде незначитель­ ная и -существенного влияния на параметры рабочего процесса не оказывает. В третий период .рост утечек, в основном, при­ водит к снижению а, что предопределяет дальнейшие измене­ ния в характере протекания рабочего процесса.

■Особенностями истечения газов .в двухтактных двигателях является наличие подпора из ресивера 'продувочного воздуха, повышающего давление за последним кольцом, а также умень­ шение прорыва газов в картер -ввиду утечки части газов в ре­ сивер .продувочного воздуха и выпускной коллектор. Однако в -первом -периоде имеет место утечка газов .в картер, происхо­ дящая вследствие того, что междукольцевые объемы .при дви­ жении .в районе продувочных и выпускных -окон не успевают полностью разгрузиться, что отмечалось рядом исследовате­ лей [47], [52], а также было отмечено автором при .проведении экспериментов на двигателях Д 19/30. (Еще менее вероятна разгрузка междукольцевых объемов для четырехтактных дн-- зелен).

Имеющий место подпор из ресивера продувочного воздуха не -оказывает существенного влияния на расход газов, так как при давлениях продувочного воздуха в 1004-200 мм рт. от., что имеет место в -большинстве безладду-вных двигателей, 'отно­ шение Ро!Рк изменяется незначительно.

Расчет ра-схода газов утечки для иодкріитической и надкри­ тической областей истечения производится -по уравнению (28). При этом значение функции ф сл-еду-ет определять по экспе­ риментально полученной зависимости от перепада Давления

іНеобходимость использования такой зависимо­

сти вызвана тем, что тип и геометрические -соотношения данно­ го лабиринтного -уплотнения не позволяют при -определении расхода'газа применять рекомендации, имеющиеся в-техни­ ческой литературе, например, для лабиринтных уплотнений турбин.

Недостаточно исследован вопрос и о характер-е течения га­ зов -в уплотнении. В -связи с этим автором было проведено эк-

58