Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Воробьев_Теория судовых двигателей

.pdf
Скачиваний:
358
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.45 Mб
Скачать

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 (рsрт) 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:

 

 

 

 

 

 

 

 

ks 1

 

 

 

 

 

 

ks

 

рг

ks

 

 

 

 

2RsTs

 

 

 

3

,

ωs =

 

 

1

 

 

 

10

 

k 1

рs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ks – показатель адиабаты воздуха.

Перепад давлений при наполнении (рsрг) 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.

 

Фазы газораспределения 4-тактных дизелей

Таблица 7.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпускной клапан

Впускной клапан

Угол

 

Дизель

 

открытие

закрытие

открытие

закрытие

перекрытий

 

 

 

до НМТ

за ВМТ

до ВМТ

за НМТ

клапанов

 

Без наддува

 

20–50

15–25

15–20

20–50

30–40

 

С наддувом

 

40–50

50–60

50–80

40–50

100–140

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

k1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

рг

k

 

 

 

2RгTг

 

 

 

3

ω=

 

 

1

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

 

рт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

53

а

б

Рис. 7.4. Диаграмма изменения давления в системе газообмена двухтактного двигателя

.

54

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

других.

 

 

 

Размеры органов газообмена

 

 

Контурная схема:

 

 

Высота

продувочные окна

выпускные окна

 

h = (0,08 0,15)S

h

= (0,16 0,26)S

 

п

в

 

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

ϕ

s

=

Gs

, где G

= 60Gk ,

 

 

 

vs js

s

izn

 

 

 

 

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:

ϕa

=

Gs ; ϕa

=

Gs

vs jsηv

 

 

GL

 

(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:

α =

Gs

 

,

28,97L g

 

 

0

ц

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

57

а

 

б

 

 

 

 

 

 

в

 

г

 

 

 

д

 

е

 

з

ж

Рис. 7.6. Схемы газообмена двухтактных дизелей

58

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

= 0,004) необходимо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L0

=

1

 

C

+

H

+

S

O

 

; L0

= 0,495 кмоль/кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

0,21

 

4

32

32

 

 

12

 

 

 

 

 

 

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,

м3/кг;

f

площадь проходного

сечения, м2; τ

время, с, выразим

fdτ=

dG

 

. Методы расчета

теоретического

«времени-сечения»

µψ

p

 

 

v

 

 

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».

τ

G

dG

 

 

 

I1 = н

fвdτ = св

 

 

,

µвψв

p

 

τво

0

v

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:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψв

= ψmax

=

 

 

 

 

k1

 

2

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

k

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После достижения ркр режим становится подкритическим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

k +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

pт

k

 

 

 

 

pт

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψв =

 

= 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 p v

 

 

k 1

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для упрощения: v

=

vво + vd

; p

т

= const; k = m =1,3. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сp

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,115

 

 

 

 

 

 

 

 

τк

 

 

 

vср

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

I1 =

fвdτ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

0,496 +0,102

 

 

 

 

 

 

 

 

 

во

 

 

 

 

0,59 0,09ln

 

 

,

 

 

T

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

τво

µ

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

во

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

во

 

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.

Для контурной продувки

 

 

 

 

 

v

= v

+

vs

1

cos

 

+ λL sinα

 

,

 

во

во

во

c

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

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).

Коэффициенты расхода.

 

νв = 3µв

а

Схема

µв

µs

Контурная

0,65–0,75

0,7–0,75

0,3–0,7

0,3–0,5

Прямоточно-клапанная

0,6–0,8

0,7–0,75

0,8–1,2

0,5–0,9

Прямоточно-щелевая

0,65–0,75

0,7–0,75

0,5–12

0,4–0,7

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

60

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.