Воробьев_Теория судовых двигателей

В период перекрытия клапанов 1–6 в камере сгорания происходит продувка, двойной выпуск или двойное наполнение в зависимости от соотношения давлений в ресивере рs, в цилиндре рг и выпускном коллек-

торе рт.

При рs > рг > рт происходит продувка КС. При этом через впускной клапан поступает воздух, а через выпускной удаляются ОГ.

Температура газов понижается до уровня заряда в начале сжатия. Необходимый для продувки перепад давлений (рs–рт) обеспечивается подбором фаз газораспределения. При импульсном подводе газов к турбине обеспечивается больший перепад давлений, чем при турбине постоянного давления. Импульсный подвод газов к турбине обеспечивается присоединением выпускных патрубков разных цилиндров к раздельным выпускным трубопроводам относительно небольших сечений и объемов. Для обеспечения качественного сгорания и более совершенной очистки цилиндра от ОГ воздуха в цилиндр подается больше необходимого количества. Часть воздуха теряется вместе с продуктами сгорания в выпускной коллектор, снижается температура стенок КС и выпускного клапана. Избыток продувочного воздуха оценивается коэффициентом продувки, который представляет собой отношение массы воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, остающегося в цилиндре в составе заряда к началу сжатия φ = Gs/Gl, φ = 1,05–1,35 – для 4-тактных дизелей с наддувом, далее повышение неэффективно.

При рs < рг > рт в период перекрытия клапанов происходит двойной выпуск – выпуск газов в выпускной коллектор и заброс газов в ресивер через впускной клапан. Двойной выпуск в начале периода перекрытия клапанов 1–8 при повышенных давлениях рг.

При рs > рг < рт происходит двойное наполнение – поступление воздуха из ресивера в цилиндр и заброс газов в цилиндр из выпускного коллектора. Это наблюдается в конце периода перекрытия клапанов при пониженном рг.

В течение фазы наполнения 8–7 в цилиндры поступает воздух через впускной клапан. Процесс истечения подкритический. Скорость истечения воздуха зависит от соотношения давлений р/рs:

где ks – показатель адиабаты воздуха.

Перепад давлений при наполнении (рs–рг) создается благодаря увеличению объема цилиндра при движении поршня к НМТ и зависит от скорости движения поршня и отношения площади проходного сечения впускного клапана к площади поршня. В период запаздывания закрытия

51

впускных клапанов на участке 7–2 при правильно подобранных фазах газораспределения происходит дозарядка цилиндра воздухом. В этот период поршень движется к ВМТ, в цилиндре начинается сжатие, но через впускной клапан поступает воздух, т. к. давление в цилиндре вначале сжатия (в НМТ) в большинстве случаев оказывается ниже давления воздуха в ресивере ра<рs. Время закрытия впускного клапана выбирается для каждого двигателя свое, чтобы не было потери заряда и была дозарядка.

Количество клапанов в крышке, их конструктивные соотношения и проходные сечения должны обеспечить выпуск ОГ, наполнение воздухом цилиндра при наименьших сопротивлениях и прочности конструкции.

Рис. 7.3. Геометрические размеры клапана

В 2-тактных дизелях 2 или 4 клапана.

j = 30–45о, проходное сечение определяется диаметром тарелки клапана dк (зависит от Dц и количества клапанов) (рис. 7.3);

52

2 клапана – dк = (0,35–0,42)D;

4 клапана – dк = (0,27–0,34)D;

D – диаметр цилиндра, м. Диаметр стержня dст = (0,25–0,3)dк. Проходное сечение fг = π4 (dк2 −dст2 ).

Приближенные расчеты f = πdк h cosj.

Ход клапана hк = (0,24–0,32)dк.

В целях снижения динамических нагрузок на механизм подъема клапана от сил инерции, возникающих при его подъеме и посадке, профилем кулачковой шайбы обеспечивают постепенный подъем и опускание клапана при незначительных изменениях ускорения движения. При повышении частоты вращения уменьшается время для газообмена, возрастают потери воздуха, увеличиваются насосные потери, снижается экономичность.

7.2. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В 2-ТАКТНЫХ ДИЗЕЛЯХ

Качество очистки цилиндра от ОГ и наполнение его свежим зарядом влияет на мощность ДВС. Для 2-тактных ДВС это сложная задача. В 4-тактных дизелях газообмен занимает 400–500 оп.к.в., у 2-тактных ДВС – 120–150 оп.к.в.

Выпуск происходит одновременно с наполнением, происходит перемешивание ОГ с воздухом. Размеры продувочных и выпускных окон, количество клапанов могут быть оценены расчетным способом. Расчетом определяется также влияние некоторых факторов на газообмен. Окончательную доводку ДВС выполняют экспериментальным путем.

В 2-тактных ДВС газообмен разбивают на четыре процесса (рис. 7.4): свободный выпуск; принужденный выпуск; продувка; потеря заряда и дозарядка.

Свободный выпуск от открытия выпускных окон до начала продувки. Надкритический и подкритический режимы истечение ОГ. В надкритическом режиме давление в цилиндре понижается до ркр. Скорость течения в минимальном сечении равна скорости звука в данной среде и определяется по формуле

ωкр = 2RгTг k k+1 103 ; примерно (500–700 м/с).

От ркр до поступления воздуха в цилиндр – подкритический режим.

53

Заканчивается этот режим, когда рг = рs и составляет небольшую долю в газообмене.

Предварение выпуска от момента открытия продувочных окон до НМТ. В ДВС с наддувом при рт = const выпуск в большой объем и пульсации давлений при газообмене незначительны.

Изменение давления в системе наддува в период газообмена для 2-тактных дизелей показаны на рис. 7.4.

Период от момента открытия продувочных окон до начала поступления воздуха называется забросом газов в ресивер (нежелательное явление, т. к. приводит к закоксовыванию окон и пожару в ресивере).

Рис. 7.5. Изменение давления в системе газообмена двухтактного двигателя

Принудительный выпуск – от начала поступления воздуха в цилиндр до момента закрытия продувочных окон (рис. 7.5). Протекает при рs > рг > рт. Газы уходят из цилиндра под давлением воздуха.

Продувка протекает одновременно с процессом принужденного выпуска.

55

Потеря заряда или дозарядка – в ДВС, у которых верхняя кромка выпускных окон ниже верхней кромки продувочных окон. Это явление снижает Ne и ge, для его уменьшения делают управляемый выпуск с помощью заслонки или клапанов. Если кромка у продувочных окон выше, то будет дозарядка при рs > рт.

На процессы выпуска влияют волны давления в выпускном коллекторе.

7.3. СХЕМЫ ГАЗООБМЕНА В 2-ТАКТНЫХ ДИЗЕЛЯХ

Контурная схема. В ней воздух движется по цилиндру от продувочных окон вверх к крышке, далее от крышки вниз к выпускным окнам. Доля потерянного хода ψd = h/S, где h – высота верхней кромки выпускных окон над НМТ. Достоинство такой продувки – простота и надежность.

Поперечно-щелевая с дозарядкой цилиндра у «Фиата» и «GМТ» (рис. 7.6г). Продувочные окна выше выпускных, и в ресивере устанавливаются невозвратные пластинчатые клапаны (нет заброса) и нет потери заряда.

Петлевая схема у фирм «MAN» и «Зульцер» (рис. 7.6д, е, ж, з).

У Зульцера продувочные окна по всему периметру. Коэффициент остаточных газов jг = 0,1.

Прямоточные схемы. jг = 0,05–0,09. Продувочные окна и выпускной клапан, более качественный газообмен без перемешивания. Такие схемы имеют «B&W», «Сторк», «Гетаверкен» (рис. 7.6в), «Мицубиси» (рис. 7.6а, б, в). Окна по периметру, с традиционным поворотом для закручивания потока и улучшения смесеобразования. Клапанов в крышке до 4. Управляются открытием через рычаги или с помощью гидравлики.

Прямоточно-щелевая схема у дизелей фирмы «Доксфорд», Д100 и

Суммарная ширина bп = (0,2–0,4)πD и bв = (0,18–0,35)πD.

Прямоточная схема:

Высота hп = (0,08–0,15)S и hв = (0,16–0,2)S. Ширина Σв bп = (0,55–0,78)πD и bв = (0,16–0,2)πD.

Выпускные клапаны:

Max подъем hk = (0,24–0,32)dk, dk = (0,42–0,49)D.

Проходное сечение f = bh sinβ cosα для окна.

56

7.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ГАЗООБМЕНА

Gs – масса воздуха, поступающего в цилиндр; G – часть удаляется из цилиндра с ОГ;

GL – остается в цилиндре;

Gг – часть оставшихся ОГ.

В цилиндре смесь воздуха и газов Ga = GL + Gг. Масса продуктов сгорания Gм = Ga + gц. Газы, удаляющиеся из цилиндра Gт = Gг + G.

Коэффициент остаточных газов

jг = Gг = Mг , GL L

где Мг – масса остаточных газов; L – масса свежего заряда. Коэффициент наполнения ηv – отношение массы воздуха, остаю-

щегося в цилиндре, к массе воздуха теоретической, которая могла бы поместиться в цилиндре при параметрах воздуха перед цилиндром

ηv = GL ,

vs js

где js – плотность воздуха.

js = RрsTs s ; GL = vs jsηv .

Коэффициент избытка продувочного воздуха – отношение массы воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, которая бы могла поместиться в цилиндре при параметрах воздуха перед цилиндром

где Gk – секундный расход воздуха через цилиндр; i – число цилиндров; z – коэффициент тактности; n – частота вращения, об/мин.

Коэффициент продувки – отношение массы воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, остающегося в составе заряда к началу сжатия:

(для СДВС ϕа = 1,45–1,65).

Суммарный коэффициент избытка поступающего воздуха – отно-

шение массы воздуха, поступающего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, теоретически необходимого для сгорания цикловой порции топлива:

где 28,97 – молекулярная масса воздуха; для СДВС α = 2,8–3,6.

57

Для сгорания 1 кг топлива среднего состава (С = 0,87; Н = 0,126; О

Для сжигания 1 кг топлива необходимо 14,3 кг воздуха:

L’ = L0 28,97 = 14,3 кг/кг.

Коэффициент избытка воздуха для сгорания

α = L L0 =GL 28,97 L0 gц .

Коэффициент остаточных газов γг = Мг/L, где Мг – масса остаточных газов; L – масса свежего заряда.

7.5. «ВРЕМЯ-СЕЧЕНИЕ»

Для оценки соответствия размеров органов газообмена (окон и клапанов) режиму работы при проектировании и при анализе эксплуатации дизелей используется комплексный показатель «время-сечение». Этим показателем учитывают частоту вращения КВ и величину проходных сечений окон и клапанов. Существуют понятия теоретического и располагаемого «времени-сечения». Теоретическое «время-сечение» определяют в зависимости от расхода газа или воздуха (скорости истечения) через выпускные или продувочные окна или клапаны за рассматриваемый период газообме-

на. Из уравнения расхода газа dG = µψ p fdτ, где µ – коэффициент рас- v

хода; ψ – функция истечения; р – давление газа, Па; v – удельный объем,

предложены проф. А. С. Орлиным.

В период свободного выпуска давление понижается от рво до рн (начало продувки). Для такого понижения давления должны быть достаточное проходное сечение и время открытия органов газообмена. Теоретическое необходимое «время-сечение».

где τво – время начала свободного выпуска, с; τн – время окончания свободного выпуска и начала принудительного выпуска и продувки, с; Gсв – масса газов, вытекающих из цилиндра за период свободного выпуска, кг.

Выпуск продуктов сгорания в период свободного выпуска представляет процесс истечения газов из цилиндра при переменном объеме

59

через окна и клапаны при изменяющихся давлениях в цилиндре и выпускной системе. Вначале истечение носит надкритический характер. Функция истечения ψв достигает максимального значения, которое зависит только от физических свойств газа и не зависит от перепада давлений:

где vср – средний объем за период свободного выпуска, м3; µв – коэффициент расхода выпускных окон или клапанов; Тво – температура газов в момент открытия выпускных окон; рт – давление в выпускном коллекторе, кПа; рн – давление в начале принудительного выпуска; рво – давление в момент открытия выпускных окон или клапана, кПа; vd – объем цилиндра в момент открытия продувочных окон, м3; vво – объем цилиндра в момент открытия выпускных окон – клапана, м3.

где αво – угол п.к.в. после ВМТ момента открытия выпускных окон –

клапана; λL = r/L.

Объем цилиндра в момент открытия продувочных окон vd = vc + vs(1 – ψп).

Давление в период принудительного выпуска приближенно оценивается рн = рт + а(рs – рт), где а – коэффициент, учитывающий аэродинамическое сопротивление продувочных окон.

60