книги из ГПНТБ / Чернышев А.Н. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. (Теория рабочих процессов поршневого двигателя) учебное пособие
.pdfместо подкритические перепады давлений и только вблизи НМТ могут быть надкритические. В точке г / происходит от крытие впускных клапанов и процесс выпуска вступает в но вую фазу.
Шпериод - выпуск ,В| период одновременного открытия впускных и выпускных клапанов ( г '- г " )
В зависимости от величины отношения j — и угла пере крытия (точнее от время-сечения перекрытия^ клапанов может иметь место либо продувка цилиндра, либо заброс газа из выпускного коллектора в наддувочный. Частично эти процес сы рассматривались в гл. П. Более подробно процесс продув ки будет проанализирован в следующем параграфе.
§ 17. Продувка цилиндров
Напомним, что для осуществления продувки необходимо выполнение двух условий:
1)обеспечения <■ 1 , без чего нельзя представить движение воздуха из наддувочного в выпускной трубопровод через цилиндр дизеля;
2)наличия достаточного время-сечения перекрытия выпускных и продувочных органов.
Чтобы пояснить, что такое время-сечение перекрытия внпуекных и продувочных органов, введем предварительно по нятие угол-сечения.
На рис. 22 изображены диаграммы угол-сечения органов газообмена четырех- и двухтактного двигателей. Эти диа граммы являются зависимостями изменения проходных сечений клапанов иля окон в функции от угла поворота коленчатого вала дизеля.
Одновременное открытие клапанов четырехтактного дизе ля осуществляется вблизи верхней, а органов газообмена
90
двухтактного дизеля вблизи |
нижних мертвых |
точек. |
|
В каждый момент периода одновременного открытия ка |
|||
кой-либо из |
органов (впускной или выпускной) имеет проход |
||
ное сечение |
меньшее,чем другой, являясь, таким |
образом, |
|
лимитирующим с точки зрения |
пропускной способности. |
||
Рис. 22. Диаграммы угол-сечения органов газообмена четырехтактного и двухтактного дизелей,
а -М-50; |
У-37Д. |
Угол-сечение перекрытия (одновременного открытия) ор ганов газообмена характеризуется величиной
\ = I e f d o i ° |
м г ' гРа д пк6 - |
( 5 7 ) |
Очевидно, что угол-сечение перекрытия органов газообмена
91
при неизменной регулировке данного двигателя является ве личиной постоянной.
Для определения количества воздуха, расходуемого на продувку, т .е . проходящего транзитом через цилиндр из впускного в выпускной трубопровод, необходимо знать не только текущее значение сечений, но и период времени одно временного открытия органов газообмена.
Ctzib временных величии е угловыми черед число обо ротов в а л а осущ ест вляет ся посредством соотношения
До1° - б п Дв ■Аг , (58)
кот орое будет вст речат ься неоднократ но.
В сп раведл и вост и эт ого соот нош ен и я л егк о убе
д и т ься . |
U-звестно, чт о |
|
|
|
|
|
|
АсС ~0)А Т |
- ~ |
* Ав A t |
, |
где АоС |
- п р и р а щ е н и е |
|
30 |
|
|
угла в р а д и а н а х ; |
|||||
СОсен~1 |
- |
-угловая скорост ь ; |
|
||
АТ сек |
- |
п р и р а щ е н и е в р е м е н и . |
|
||
Так к а к |
|
АоС0 |
180° ч |
|
|
|
|
|
|||
|
|
АоС |
я |
|
|
то |
|
Act0= Act 180 |
л пАв |
ISO |
|
|
|
1 |
|||
|
|
л |
30 |
я. |
|
от куда |
после сокращ ений, п о л у ч а е т с я р а е е н е т - |
||||
во ( S 8 ) . |
|
|
|
|
|
Интересующая нас величина время-сечения перекрытия клапанов
Ч |
|
= [fc L T м г сек |
( 59 ) - |
тт
при щзвестном числе оборотов вала п м может быть найдена с учетом формулы (58)
92
|
|
ciа |
|
|
|
|
г |
|
|
|
1т. |
So fdLoL1 |
|
|
|
juz сек |
(60) |
||
FT |
£ П ж |
|||
6 Пдл |
|
С увеличением числа оборотов вреыя-сечение перекрытия кла панов убывает.
Относительное количество воздуха, расходуемого на про дувку, характеризуется величиной коэффициента продувки
Фа*
Коэффициентом продувки называется отношение суммарно го количества воздуха, проходящего через цилиндр и оста ющегося в нем, к количеству воздуха, которое остается в цилиндре к началу сжатия,
|
&вЕ |
« |
* G ? |
i + |
|
(61) |
|
|
Фа = |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Os |
|
|
Необходимо подчеркнуть, |
что в числителе и знаменателе со |
||||||
отношения (61) могут быть взяты расходы воздуха как на |
|||||||
цикл, |
так и в единицу времени во |
всем двигателе. |
|
||||
Выведем рабочую формулу для анализа ipа . |
Количество |
||||||
воздуха, проходящего |
через |
отверстие постоянного |
сечения |
||||
f , может быть определено |
из соотношения (выводится в |
||||||
курсе |
термодинамики) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* Г/ с |
е |
(б2) |
где ju |
*0,65*0,85 - |
условный коэффициент расхода через от |
|||||
верстие (продувочные органы); |
|
|
|
||||
|
Рхц 1 Гхц " |
Давление и удельный вес воздуха перед |
|||||
отверстием (перед цилиндром); |
|
|
|
||||
|
V = |
|
|
|
|
|
(63) |
- |
функция истечения, |
величина которой при постоянном |
|||||
показателе адиабаты |
к |
зависит |
от величины |
отношения дав- |
|||
93
лення за отверстием (за цилиндром) к давлению перед от верстием (перед цилиндром).
Для облегчения решения практических задач функция ис
течения может быть представлена в виде графика |
(рис. 23). |
|
Уравнение |
(62) |
может быть |
представлено |
в дифференциаль |
|
ной форме для переменного во |
||
времени сечении f |
и других |
|
величин |
|
|
Рис. 23. Зависимость коэффициента ф от пере падов давления Рг/Рхц
• р у |
х ц о х ц |
’ [ s a t ш |
VP> |
J |
d&e |
*Г - |
|
(64) |
На основании равенства (64) легко получить выражение для количества продувочного воздуха, проходящего через переменное проходное сечение выпускных и впускных (проду вочных) органов газообмена
С ° / d S . -
Тчи' г j dol‘ |
(65) |
6 п |
|
При выводе уравнения (65) использовано полученное ра нее выражение для время-сечения (см. формулу (58)). Пред полагается, что ркц , рр и ju остаются постоянными во вре мени.
Количество воздуха в цилиндре дизеля определяется из известного уже соотнонения
^в ~ ТхцЧн ’
Подставляя значения уравнений (65) и (15 ) в соотнонение (61), после замены у кц на — и несложных преобра зований получаем
94
|
Va |
У к б п „ 1 г , |
2 |
(бб) |
|||
|
|
|
|||||
Если |
Тхц , |
ju. |
или у |
являются переменными |
во времени |
||
величинами, |
они |
должны быть внесены под знак |
интеграла. |
||||
С |
помощью уравнения |
(бб) легко |
проанализировать |
влия |
|||
ние различных факторов |
на величину |
и сделать |
некото |
||||
рые весьма важные для инженера эксплуатационника выводы: 1) изменение угол-сечения перекрытия клапанов вызы вает одноименное изменение и коэффициента продувки, если,
конечно, остальные величины постоянны; 2) уменьшение рг~ приводит к увеличению функции
у и коэффициента продувки. Это изменение неодинаково по темпу. При , равном критическому значению j5 , имеет место эффект "запирания" проходного отверстия и прекраще
ние увеличения функции у |
. При -p-'Z-l , ^ = 0 |
продувка |
||
прекращается, ipa - I . Величина |
может меняться |
при |
||
изменении режима работы дизеля вчиироких пределах; |
|
|||
3) увеличение числа |
оборотов |
при прочих |
равных |
усло |
виях приводит к уменьшению время-сечения перекрытия орга
нов |
газообмена |
и соответственно |
; |
|
|
||
|
4) изменение температуры воздуха перед цилиндрами |
||||||
дизеля Тх ц , |
которое имеет место |
при изменении режима на |
|||||
грузки или температуры окружающего воздуха, |
также приво |
||||||
дит к увеличению или уменьшению |
фа . Однако степень влия |
||||||
ния |
Ткц на |
iр а |
не столь велика, как других факторов, ибо |
||||
эта величина находится под радикалом. |
Pv и п дв |
|
|||||
|
На рис. |
24 |
показано |
влияние |
изменения |
на |
|
величину фа |
двигателя |
М50ФТК. |
Зависимости |
построены |
на |
||
основании экспериментально-расчетных данных при допущении,
что j l = c o n s t.
В литературе часто используется понятие суммарного коэффициента избытка воздуха
95
|
|
<?« |
01 |
|
|
(67) |
|
|
|
0 Г |
L'o |
0? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
которое |
отличается |
от o(. |
(см. формулу |
(40)) |
тем, что в |
||
|
|
|
|
0 ? |
|
принят с |
|
расход |
воздуха Gg = Gg + Gng |
|
• |
|
|||
|
|
|
|
||||
Легко показать |
связь |
между о(. г » с/ |
и |
Ф а : |
|||
|
Cf-E |
ч . |
Gl |
0 % |
|
Фа |
( 68) |
|
оС |
Ч • J I Г 'Ч |
О ? |
' |
|||
|
L ' O . г |
L0 От |
|
||||
или
<*£ = <* Ф<
%
|
|
|
|
Рг / Рцц |
Рг |
Рис. 2%. Ориентировочное изменение |
в функции от |
||
*4 |
и числа оборотов вала двигателя 124 |
|
||
------ |
пд»ш 1000 |
об/мин, |
|
|
|
|
|||
|
------- |
пявш 1900 |
об/мин. |
|
96
Значения tpa |
на полной мощности: |
|
||
- |
4-тактные |
ДВС: |
ПРИ Рг~Рхц |
^ а ж1* |
|
|
|
при Р г ^ Р к ц |
«ра - Ш , 2 ; |
- |
2-тактные ДВС с прямоточными |
ipx *1,2*1,5. |
||
|
схемами газообмена |
...................... |
||
§ 18. Температура и давление газа в выпускной системе
Отработавшие газы и продувочный воздух, уходящие из цилиндра в атмосферу, преодолевает сопротивление выпускной системы.
Суммарная величина этого сопротивления в конечном сче те обусловливает и величину давления газа в цилиндре р ц в процессе выпуска, и величину потребного давления проду вочного воздуха рхц (если продувка предполагается), и
величину затрат энергии на преодоление этого сопротивления На рис. 25 изображена схема выпускной системы корабель ного дизеля. В.общем случае на пути отходящих газов распо-
Ре
рис. 25. |
Схема выпускной системы |
корабельного |
дизеля. |
||
I - турбина; |
2 - глушитель; |
Рг , Гг |
- давление и темпера |
||
тура перед |
турбиной ; рг - |
давление |
за турбиной ; |
ра - ат |
|
мосферное |
давление. |
|
|
|
|
97
лагаются: выпускной клапан и газоотводящий какал, турбина, система гаэоотводящих труб с глуиителем, столб воды (при выпуске под воду).
Абсолютная величина давления газа в цилиндре
|
|
Рц = Ро + ЬРвоя.ст.+ &Ргл+АРт +&Р«» |
( 69) |
||||
является суммой атмосферного |
давления р„ |
и сопротивлений: |
|||||
Д рхл |
»0,1*0,8 |
кГ/см2 |
- |
в выпускном клапане и газоотво |
|||
дящем канале; |
|
|
|
|
|
|
|
Дрт |
- до 3 кГ/см2 и |
более - |
в проточной части турбины; |
||||
ЛрРА - 0,05*0,12 кГ/см2 |
- |
в глушителе |
и отводящих |
||||
трубах; |
|
|
|
|
|
|
|
Лрш „*0,05*0, 5 кГ/см2 |
- |
столба воды. |
|
||||
Очевидно, |
что наличие |
и величина перечисленных потерь |
|||||
обусловливаются особенностями |
конструкции |
дизеля, |
всей |
||||
установки, а также техническим состоянием |
и режимом ее |
||||||
использования. |
Например, |
с увеличением оборотов вала ди |
|||||
зеля |
скорость |
отходящих газов |
возрастает |
и сопротивление |
|||
в выпускной системе увеличивается; увеличение или уменьше ние высоты водяного столба над срезом газоотвода также приводит к изменению сопротивления и т.д .
Единственно полезным является сопротивление, создава емое турбиной. Все остальные представляют собой неизбеж
ные потери, |
величину которых конструктор |
и эксплуатацион |
||||
ник должны стремиться свести к минимуму. |
|
|||||
|
В зависимости от суммарной величины сопротивлений от |
|||||
клапана до выхода газов в атмосферу за цилиндром (перед |
||||||
турбиной) устанавливается давление |
рг . |
Величина рг , как |
||||
это |
видно из материала, изложенного |
в § |
15 гл. П, вместе |
|||
с давлением |
рхц оказывает решающее |
влияние на процессы |
||||
очистки |
и наполнения цилиндра. |
|
|
|||
f l - |
Как |
будет |
видно из последующего материала, отношение |
|||
является |
тем числом, которое в значительной мере |
|||||
предопределяет и величину механических потерь четырехтакт ных дизелей.
Выбор величины р г и |
отношения |
на |
номинальном |
режиме определяется многими соображениями, |
которые рас |
||
сматривается в последующих главах. Сейчас |
же еще раз от |
||
метим, что в целях обеспечения нормального |
газообмена в |
||
двухтактных дизелях с газотурбинным наддувом |
|||
р - |
= 0,Л5т'0,95, |
|
|
в четырехтактных, где продувка является |
только дополни |
||
тельным средством очистки цилиндра и может |
отсутствовать, |
||
рРг я |
0,851-1,3. |
|
|
Одним из доступных конструктивных средств изменения рг и является изменение сечения проточной части турбины,
что одновременно вызывает и изменение мощности турбины. Выбор оптимального значения - одна из важных задач проектирования современного турбопоршневого двигателя. Ес ли рг известно, ориентировочный расчет температуры газовоздуаной смеси выполняется следующим образом.
Условно заменяя расчет процесса истечения газа из ци линдра в выпускной трубопровод расчетом процесса расшире ния от рв , Тв в начале до рг , Tji в конце процесса, подсчитываем температуру чистых выпускных газов без при меси продувочного воздуха
Здесь Т'т - температура чистых выпускных газов; «„ -1,25*1,3 - условный показатель политропы расширения газа при истечении.
Величина п„ определяется конструктивными особенно стями гаэовыпускной системы. Меньшее значение следует вы бирать для экранированных выпускных трубопроводов, боль шее - для непосредственно охлаждаемых водой.
При наличии продувки к чистым выпускным газам примеши вается продувочный воздух, уменьшая тем самым среднюю тем
99