Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

►невозможность использования в двухтактном дизеле всасываю­ щего и выталкивающего действия поршня требует для осуществления газообмена предварительного сжатия воздуха в продувочном или над­ дувочном агрегате до давления, по крайней мере, превышающего со­ противление выпуску.

В двухтактном двигателе процесс газообмена условно принима­ ют состоящим из трех периодов (рис. 4.46): свободного выпуска b-d; принудительного выпуска; продувки и наполнения d—a'—d'; потери за­ ряда или дозарядки d'-a. При построении диаграммы «время-сечение» по оси ординат откладывают сечения / открытия окон или щели под клапаном, а по оси абсцисс - время открытия или (р° п.к.в. Поэтому площади под кривыми (рис. 4.5) представляют собой время, умножен­ ное на сечение (время-сечение) открытия органов газообмена в соот­ ветствующие периоды, определяющие их пропускную способность: (/ - время-сечение свободного выпуска; II - принудительного выпус­ ка; III - продувки; IV —потери заряда).

В рассматриваемом варианте продувочные окна расположены в нижней части цилиндра, фазы и закон их открытия и закрытия опреде­ ляются поршнем. Фазы открытия и закрытия выпускного клапана, высота его опускания задаются профилем кулака распределительно­ го вала.

Согласно диаграмме (см. рис. 4.4б) первым в точке b с опережени­ ем в 70° открывается выпускной клапан и начинается процесс свобод­ ного выпуска. В цилиндре к этому моменту заканчивается расширение продуктов сгорания, давление составляет ~ 1,0 МПа, а давление в вы-

Рис. 4.5. Процесс газообмена в двигателе МАН-БВ серии МС:

а) - кривые давлений: р - в цилиндре, p s- в ресивере, рг- перед ГТК; б) - диаграмма располагаемого «время-сечения»

пускном коллекторе р т~ 0,29 МПа (см. рис. 4.4 и 4.5). Поэтому про­ дукты сгорания с большой скоростью устремляются в выпускную си­ стему, давление в цилиндре р ц резко падает и к моменту, когда пор­ шень, двигаясь вниз, открывает продувочные окна, оно выравнивается с давлением p s в ресивере продувочного воздуха. Условие достижения в точке d равенства р^ = p s или р ц <р : обязательно, так как только тогда будет возможным поступление воздуха из ресивера в цилиндр, опреде­ ляющее начало продувки. В противном случае, если в первый период открытия продувочных окон р ц> р : , может произойти заброс горячих газов из цилиндра в ресивер и вызвать в нем пожар, обусловленный сгоранием накопившихся в ресивере паров масла. Поэтому важно, что­ бы участок (b-d) обеспечивал пропуск за этот период такого количе­ ства продуктов сгорания, при котором в точке d достигается р ц = р :. Более позднее начало открытия клапана, уменьшение щели под ним приведут к отрицательному результату. В рассматриваемом варианте продувочные окна открываются за 40° до НМТ, по мере опускания поршня в цилиндре время и сечение их открытия увеличиваются и достигают максимума в НМТ.

Давление Рц, достигнув значения продолжает падать и, несмот­ ря на начавшееся поступление в цилиндр воздуха, уменьшается даже ниже давления в выпускном коллекторе р . Отмечаемый на участке 1-2 провал давления объясняется эжектирующим действием движу­

92 Судовые двигатели внутреннего сгорания

щегося с большой скоростью потока газов в патрубке за выпускным клапаном. Однако продолжающееся заполнение цилиндра воздухом из ресивера приводит к повышению давления в нем, давление р пприбли­ жается к р В этот период на участке d—d' через открытый клапан про­ должается выпуск из цилиндра продуктов сгорания под действием вытесняющего их воздуха. На участке 2-3 происходит дополнительная

продувка цилиндра в сочетании с принудительным выпуском.

Реализация перечисленных процессов возможна при сохранении следующего соотношения давлений p s > р ц > р т. В точке d' через 40° после НМТ продувочные окна закрываются, наполнение цилиндра воз­ духом прекращается, и давление в нем начинает падать, снова сказыва­ ется эжектирующее (отсасывающее) действие потока газов и воздуха, движущихся по выпускному каналу. На участке 3-4 снова р ц < р т, но постепенно, по мере закрытия выпускного клапана, сечение щели под ним уменьшается, клапан начинает дросселировать вытесняемый порш­ нем из цилиндра поток газов. В итоге давление в цилиндре начинает расти, и к моменту закрытия клапана - окончания газообмена (точка а) - давление р ц на 0,01-0,015 МПа оказывается выше р $. Последняя фаза процесса газообмена (участок d'—a) представляет собой потерю заряда.

Как видно из рис. 4.5, давление в выпускном коллекторер т, как и давление в ресивере р сохраняются на одном уровне.

Небольшие колебания обусловлены волновыми явлениями, вы­ зываемыми циклическим поступлением газов в выпускной коллектор из цилиндров. Постоянство давления газов в коллекторе определяет и постоянство давления газов перед турбинами турбонаддувочного аг­ регата, поэтому реализуемый в двигателях этого типа наддув является наддувом при p i = const (изобарный наддув).

В новых малооборотных двухтактных двигателях с электронным управлением (серии ME МАН-БВ, RT-flex «Зульцер» - подробнее смот­ рите § 14.2 и 14.3 в I томе учебника), так же как и в четырехтактных, имеется возможность увеличивать степень сжатия на долевых режи­ мах работы (при мощностях, меньших 100%). Это достигается путем управления моментом закрытия выпускного клапана, как показано на рисунке 4.6.

При работе двигателя на полной мощности закон закрытия кла­ пана (изменение хода клапана в зависимости от угла поворота коленча­ того вала) осуществляется по варианту, обозначенному цифрой 1 на рис. 4.6. При этом начало сжатия соответствует моменту, обозначенно­ му точкой а1- запаздывание закрытия клапана составляет приблизи­ тельно 80° п.к.в. после НМТ. Угол начала сжатия равен 100° до ВМТ.

Рис. 4.6. Регулирование фазы закрытия выпускного клапана дизеля 7S50ME-C МАН-БВ: 1 - режим 100% N;, 2 - режим 75% N e

Соответственно для режима с Ne = 75% (линия 2 и точка а ) эти углы составят примерно 58° п.к.в. после НМТ и 122°. Таким образом, про­ цесс сжатия при пониженной мощности начнется на 2 2 °п.к.в. раньше, при этом действительная степень сжатия увеличится, что, в свою оче­ редь, приведет к увеличению р си р . Увеличение степени сжатия повы­ шает КПД двигателя.

Рассмотренное регулирование момента закрытия выхлопного клапана [VEC - Valve Exhaust Closing) применяется совместно с про­ граммой VIT (Variable Injection iming) и обеспечивает снижение удель­ ного расхода топлива на эксплуатационной мощности (70-75% N ) на 5-7 г/(кВтч). Изменение показателей рабочего процесса дизелей при применении программ К/7 ’и VEC подробно рассмотрено в главе 6 , § 6 .8 .

§ 4*2.2. Схемы газообмена

Общие сведения. Схемы газообмена дизелей в зависимости от на­ правления движения потоков воздуха внутри цилиндра подразделяют на два основных типа - контурные и прямоточные. Размеры окон и выпускных клапанов, фазы их открытия даны в табл. 4.1 и 4.2.

Контурные схемы. Типичная для контурной схемы организация газообмена заключается в том, что поступающий через продувочные окна поток продувочного воздуха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описывают контур цилиндра. Сначала воздух по од­ ной стороне цилиндра поднимается, у крышки поворачивается на 180° и опускается к выпускным окнам. Так организован газообмен в одно­ сторонней щелевой (петлевой) схеме фирмы «МАН» (рис. АЛа) или в

близкой к ней схеме фирмы «Зульцер» (рис. 4.7б). Здесь для прохода воздуха и газов служат окна, выфрезерованные во втулке на одной сто­ роне цилиндра, верхний ряд занимают выпускные 2, а нижний - про­ дувочные 1. Их открытием и закрытием управляет поршень. Выпуск­ ные окна при рабочем ходе поршня вниз открываются первыми, и на­ чинается процесс свободного выпуска. Продукты сгорания под дей­ ствием перепада давлений (рц-р^) покидают цилиндр. Затем открыва­ ются продувочные окна и наддувочный воздух устремляется вверх, вытесняя из цилиндра продукты сгорания через открытые выпускные окна. В своем движении в цилиндре воздух описывает характерную для двигателей МАН петлю, поэтому такой тип продувки часто назы­ вают петлевой.

Существенным недостатком газообмена в двигателях МАН КZ является наличие заброса газов из цилиндра в ресивер в начале про­ дувки, когда продувочные окна только начинают открываться. Нередко это является причиной пожаров в ресиверах. Качество очистки цилин­ дров хорошее (у = 0,02-0,09) при относительно небольших расходах воздуха на продувку (<ра = 1,6). В двигателе «Зульцер» продувочные окна занимают большую часть окружности цилиндра, поэтому петле­ вой характер тока воздуха менее выражен, наблюдается большее пере­ мешивание входящего в цилиндр воздуха с вытесняемыми им продук­ тами сгорания. Отсюда и несколько хуже очистка цилиндра (у. = 0,1;

= 1,62).

В таблице 4.2 D, S —диаметр цилиндра и ход поршня.

Поскольку при восходящем движении поршня сначала закрыва­ ются продувочные окна и в течение некоторого времени остаются от­ крытыми выпускные, возможна потеря части заполнившего цилиндр воздуха. Это нежелательно, поэтому фирма прибегает к установке в выпускных каналах за окнами 2 заслонки 3 (см. рис. 4.76). Фазы дви­ жения заслонок подобраны таким образом, чтобы при подходе поршня к верхней кромке продувочных окон (при движении его вверх) заслон­ ка, разворачиваясь, перекрывала канал за выпускными окнами, изоли­ руя цилиндр от выпускной системы. Таким образом, газообмен закан­ чивается одновременно с окончанием продувки. Долю потерянного на

газообмен хода поршня у/ при наличии заслонки необходимо прини­ мать с учетом высоты только продувочных окон (для двигателей RD принимают у/ = 0,21). Необходимость в заслонках диктуется также на­ личием у поршней двигателя RD короткой юбки. Действительно, когда поршень находится в верхней части цилиндра, выпускные и продувоч­ ные окна оказываются открытыми, и если бы заслонка не перекрывала выпускной канал, то продувочный воздух, поступая в цилиндр под поршень, свободно уходил бы из цилиндра в выпускную систему.

Наличие заслонок и привода к ним усложняет конструкцию и эк­ сплуатацию двигателя. В двигателях серий RND и RLB фирма приме­ нила наддув с турбинами постоянного давления, удлинила юбку порш­ ня, и это дало возможность отказаться от заслонок. Контурные схемы газообмена были широко распространены в судовых малооборотных

двигателях, выпускавшихся до 80-х годов фир­ мами «МАН», «Зульцер», «Фиат», «Русский Дизель» и др. В дальнейшем в связи с ростом форсирования рабочего процесса наддувом, увеличением отношения S/D контурные схемы, несмотря на свою конструктивную простоту, не смогли конкурировать с прямоточными. Этим объясняется, что в настоящее время вы­ пускаются исключительно двигатели с прямо­ точными схемами газообмена. В этом сыграли решающую роль следующие недостатки кон­ турных схем:

►худшее качество очистки цилиндра, осо­ бенно его верхней части, с увеличением высо­ ты цилиндра при увеличении отношения S/D; ► больший расход воздуха на продувку, увеличивающийся с ростом наддува и связан­ ной с этим плотности продувочного воздуха; ►несимметричное распределение темпе­ ратур у втулки цилиндра и поршня, а отсюда и неравномерная их деформация, так как в зоне выпускных окон температура выше, чем в зоне продувочных окон; с ростом наддува и необ­ ходимостью более раннего отбора газов на ГТН неравномерность температурного поля усили­ вается, что приводит к задирам ЦПГ, появле­

нию трещин.

шению к противоположно перемещающимся верхним поршням. Это достигается взаимным смещением кривошипов верхнего и нижнего рядов поршней на угол 6 - 1 2 ° п.к.в.

Организация потоков воздуха и газов в цилиндре такая же, как в рассмотренной схеме, качественные показатели продувки также по­ добны.

Прямоточные схемы газообмена в сравнении с контурными име­ ют существенные преимущества:

►лучшее качество газообмена и меньшие потери воздуха при продувке;

►наличие управляемого выпуска, благодаря чему имеется воз­ можность варьирования энергией газов, направляемых в ТК;

►симметричное распределение температур во втулке цилиндра и головке поршня и др.

§ 4*2.3* П остроение и анализ диаграмм

располагаемого «время-сечения»

Располагаемое «время-сечение» зависит от фаз газораспределе­ ния и размеров продувочных и выпускных окон или клапанов. Для его определения широко применяют графоаналитический способ расчета. При допущениях о том, что окна имеют прямоугольную форму и не имеют наклона, элементарное «время-сечение» может быть выражено в виде произведения:

где b - суммарная ширина окон, м; h —высота окон, открытая поршнем в рассматриваемый момент времени, м.

При постоянной частоте вращения время поворота вала на угол d(p

on

С учетом этого соотношения уравнение (4.4) можно преобразо­ вать к виду:

Располагаемое «время-сечение» определяют в результате интег­ рирования уравнения (4.5). При постоянной частоте вращения и неиз­ менной суммарной ширине окон уравнение располагаемого «времясечения» приобретает следующий вид: