Воробьев_Теория судовых двигателей

Принужденный выпуск осуществляется под действием поступающего в цилиндр воздуха. Заканчивается после закрытия продувочных окон. Теоретически необходимое «время-сечение» принужденного выпуска

где τк – время окончания свободного выпуска, с; Gs – масса воздуха, поступающего в цилиндр за цикл через продувочные окна, кг.

Масса газов Gs = Gcв – продувка.

Масса газов, вытекающих из цилиндра за период принудительного выпуска, Gв = Gs – Gcв. Допущение ргц = const = рн; ψs = f(рт/рн) = const; Тгц = const; vгц = const, тогда

где Rг – газовая постоянная, кДж/(кг К); νв – коэффициент расхода с пропорциональным множителем, учитывающим отклонение расчетного процесса от действительного (νв = µв); рн – давление в цилиндре в начале продувки.

Масса газов, вытесняющих из цилиндра за период свободного выпуска, кг

Gсв = Pвоvво − рнvн , RгTво RгTн

где Тн – температура газов в начале продувки.

Тгср на выпуске Тгср = Тн −ТТа , где Та – температура заряда в начале

ln н

Та

сжатия. В процессе принудительного выпуска функция истечения

или определяется графически.

Продувка протекает одновременно с принудительным выпуском. Начинается в момент открытия продувочных окон (ра ≤ рн), заканчивается в

61

момент закрытия продувочных окон. «Время-сечение» должно быть достаточным для качественной очистки цилиндра от отработавших газов.

Теоретически необходимое «время-сечение»

где vs – удельный объем в ресивере, м3/кг; при рs = const: рт = const и ψs =

где Rs – газовая постоянная для воздуха; ψs (определяется из справочника). Функция истечения через продувочные окна

«Время-сечение» потери заряда и дозарядки не определяют из-за сложности.

Для обеспечения качественного газообмена «время-сечение» располагаемое должно быть равно теоретически необходимому.

Располагаемое «время-сечение» зависит от фаз газораспределения и размеров продувочных выпускных окон или клапанов. Для его определения применяют графоаналитический метод расчета (рис. 7.7). Если окна имеют прямоугольную форму, элементарное «время-сечение» определяется fdτ = bhdτ; f – суммарная площадь окон, м2; h – высота открытия в определенный момент времени, м.

При n = const dτ = ds/6n, n – частота вращения, об/мин. fdτ = (b/6n) hds.

Располагаемое «время-сечение» определяют

62

где τ1 и τ2 – время начала и окончания рассматриваемого периода газообмена, с; s1 и s2 – углы поворота кривошипа, соответствующие началу и окончанию рассматриваемого периода газообмена, п.к.в.

s2

Значение интеграла открытия окон ∫hdϕ для каждого периода га-

s1

зообмена находят методом графического интегрирования по диаграмме в-с. Она представляет собой совместную диаграмму линейных размеров окон втулки цилиндра и кривой пути поршня как функции угла п.к.в. Рассмотрим диаграмму с поперечнощелевой продувкой.

Принимают масштабы размеров высоты окон и углов п.к.в. m =

φ/L [град/мм, R = S/2], К = hд/hч, и поправка Брикса – ОО1 = R²/2L.

На уровне кромки поршня проводят горизонтальную линию, которую принимают за ось абсцисс диаграммы в-с. Проводят горизонтальные линии на уровне верхних и нижних кромок продувочных и выпускных окон. Далее от оси абсцисс откладывают отрезок BО, соответствующий радиусу кривошипа в принятом масштабе, и строят бицентровую диаграмму Брикса. Справа строят кривую пути поршня в прямоугольной системе координат h-φ. Ординаты h1, h2, h3 и т. д. представляют собой линейные ординаты открытия выпускных окон в масштабе чертежа при соответствующих углах п.к.в. Расстояние между кривой пути поршня и горизонтальными линиями, проведенными на уровне верхних кромок окон,

– это линейные размеры открытия окон. Площадь диаграммы, ограниченная кривой пути поршня, уровнем верхней кромки окон и ординаты, соответствует площади «время-сечение».

Рис. 7.7. Диаграмма «время-сечение» двухтактного двигателя

Представляют величину интеграла и площади открытий окон в масштабе. Действительную величину его определяют путем умножения площади на масштаб линейных размеров и масштаб углов п.к.в.:

63

s∫2 hds = FKm , F – площадь диаграммы, мм2.

s1

С учетом (1 мм2 = 10–6 м2) и уравнений [м2 с] A = 6bn FKm 10−6.

Значение суммарной ширины окон b и площади диаграммы F подставляют в зависимости от периода газообмена. Для периода предварения выпуска располагаемое «время-сечение»

AI' = 6bnв FI'km 10−6 ,

где bв – суммарная ширина выпускных окон, мм2; FI' – площадь диаграммы, соответствующая в-с предварения выпуска, мм2.

В зависимости от располагаемого в-с предварение выпуска AI' мо-

жет быть определено давление в цилиндре в момент открытия продувочных окон pd.

Когда располагаемое в-с предварения выпуска равно теоретически необходимому pd = pн, то можно выразить pd. По pd/ps можно оценить возможность заброса газов в ресивер. pd/ps > 1 – возможен заброс газов в реси-

вер, т. к. AI' – недостаточно для сводного выпуска. Для МОД и СОД pd/ps ≈ 0,95–1,4, для высокооборотных равно 1,1–1,8.

При pd ≤ pн свободный выпуск заканчивается в момент открытия продувочных окон, а располагаемое в-с свободного выпуска равно располагаемому в-с предварения выпуска. При pd > pн свободный выпуск заканчивается позже момента открытия продувочных окон.

Располагаемое в-с свободного выпуска

AI' = 6bnв

где FI – площадь диаграммы, соответствующая в-с свободного выпуска, мм2 (она неизвестна). Ее определяют из условия АI = II:

FI = bn I2 10−6 ,

bвKm

где FI на диаграмме определяют подбором ординат. Располагаемое в-с принудительного выпуска определяют по формуле

AII = 6bnв FII Km 10−6 ,

где FII – площадь диаграммы в-с принудительного выпуска, мм2. АII/III = 1,3–1,6. Располагаемое в-с продувки определяют по формуле

AIII' = 6bnп FIII Km 10−6 ,

64

где bп – суммарная ширина продувочных окон, мм; FIII – площадь диаграммы, соответствующая в-с продувки.

При проектировании дизеля варьируют высотой и суммарной шириной окон.

Для дизеля с прямоточно-клапанной продувкой располагаемое в-с определяют с помощью совмещения диаграмм подъема клапана и угла п.к.в. Располагаемое в-с предварения выпуска

AI' = πdkik cosγ FI'Km 10−6 , Gn

где ik – количество выпускных клапанов в крышке цилиндра; FI – площадь диаграммы подъема выпуска.

Располагаемое в-с принудительного выпуска

AII = πdkik cosγ Gn

где FII – площадь подъема клапана для принудительного выпуска, мм.

В качестве критериев для выбора размеров органов газообмена при проектировании и оценки соответствия размеров органов газообмена режиму работы двигателя применяют скорости истечения через окна и клапаны: для свободного выпуска МОД, СОД и ВОД.

На основе соотношений А/I и w составляют заключение о фазах газораспределения и размеров органов газообмена.

7.6. КОЭФФИЦИЕНТ НАПОЛНЕНИЯ

При газообмене цилиндр очищается от продуктов сгорания и наполняется воздухом, который является окислителем при сгорании топлива в очередном цикле. При оценке качества газообмена и параметров воздушного заряда в конце наполнения цилиндра количество воздуха, которое могло бы поместиться в цилиндре, принимают за теоретическое Ps, Ts, Vs, js. В действительности это количество оказывается меньше.

65

Факторы, влияющие на ηv.

1.Аэродинамические потери во впускном патрубке, выпускных клапанах и в продувочных окнах. Из-за них давление в цилиндре в начале сжатия в большинстве случаев оказывается ниже ps и ниже js;

2.Подогрев воздуха от стенок цилиндра, поршня, клапанов и продувочных окон. Из-за этого дополнительно снижается плотность воздуха

иуменьшается его количество в сравнении с теоретическим;

3.Неполная очистка цилиндра от ОГ. К началу сжатия в цилиндре всегда остаются ОГ, занимающие часть объема цилиндра, который мог бы занять свежий заряд;

4.Перемешиваясь, воздух с отработавшими газами уменьшает свою плотность и количество заряда.

В результате названых факторов действительное количество возду-

ха оказывается меньше при ра и Та, чем теоретическое при ps и Ts. Вследствие меньшего количества воздуха может сгореть меньшее количество топлива – меньше будет мощность. Критерием оценки наполнения явля-

ется коэффициент наполнения ηv – это отношение количества воздуха, поместившегося в цилиндре, к теоретически возможному при параметрах воздуха перед цилиндром:

ηv = GL ,

vs js

где ηv зависит от ра и Та – в начале сжатия, jr и Tr.

В целях упрощения математической зависимости ηv от основных факторов вводят допущения: процесс заканчивается без дозарядки; кинетическая энергия = 0; абсолютная работа, совершаемая газами, = 0; теплоемкость воздуха и ОГ при температуре заряда в начале сжатия одинаковы. Количество заряда в начале сжатия равно сумме количества воздуха и остаточных газов

Ма = L + Mг = L(1 + jг);

где L– количество воздуха в составе заряда, кмоль; Mг – количество газов, кмоль.

Из характеристического уравнения соотношения

где ра, Та – давление и температура газа в начале сжатия; vа – объем; рs, Ts – давление и температура воздуха перед цилиндром,

66

Действительная степень сжатия ε = отношению объема цилиндра в начале сжатия к vc:

εD = va = vc + vs (1−ψa ), vc vc

где ψа – доля потерянного хода на окна для 2-тактных дизелей. У 4-тактных εд = εг, тогда vа = εvc,

В эксплуатации масса воздуха в составе заряда зависит от js и ηv, но js = рs/RsTs. Чем выше ps и ниже Ts, тем больше будет масса заряда. Для повышения ps применяют наддув, снижают температуру применением промежуточного охлаждения.

В тропиках и с влажным климатом снижается ηv. С увеличением ε/(ε – 1) – ηv снижается.

ра/рs показывает влияние аэродинамических потерь на ηv: чем ра/рs выше, тем ниже ηv. К увеличению аэродинамических потерь приводит загрязнение газовоздушного тракта отложениями продуктов сгорания. Тs/Та показывает влияние подогрева заряда от стенок цилиндра и пере-

При проектировании и доводке дизелей добиваются максимального ηv на номинальном режиме. Уменьшение n приводит к росту потери заряда, а повышение n увеличивает потери на аэродинамические сопротивления и уменьшает время газообмена.

67

ЛЕКЦИЯ 8 ПРОЦЕССЫ НАПОЛНЕНИЯ И СЖАТИЯ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

8.1.ра и Та – параметры цикла в начале сжатия.

8.2.Процесс сжатия.

8.1. ра И Та – В НАЧАЛЕ СЖАТИЯ

Та и ра являются важнейшими параметрами наполнения, их принимают за отправные точки расчёта процесса сжатия. Они определяются из расчёта или из опытных данных. Изменение Т и р в процессе газообмена зависит от интенсивности теплообмена со стенками цилиндра, изменения объёма, состава и массы рабочего тела (зависят от характера истечения газов и воздуха в органах газообмена).

При теоретическом исследовании рабочих процессов дизелей изменение основных параметров определяют из системы уравнений

где Q – количество теплоты, полученное газом при теплообмене со

кДж/(кмоль К); Т – температура газов в цилиндре, К; р – давление газов в цилиндре, Па; v – объём цилиндра, м3; M’ – количество воздуха в смеси газов в цилиндре, кмоль; M’’ – количество продуктов сгорания в смеси газов; Ms – количество поступающего в цилиндр воздуха; Mв – количество выходящих газов, кмоль.

Уравнение состояния связывает р, Т и v. dQ – из уравнения теплообмена;

dV – из уравнения кинематики движения;

∂Ms и ∂Mв – по уравнениям расхода газов и истечения через клапаны и окна.

Расчётом определяют влияние на качество газообмена ps, Ts, размеров окон и клапанов, фаз газообмена, частоты вращения КВ.

По методу Гриневецкого – Мазинга pa определяют из опытных данных по соотношению pa/ps.

68

Та – вначале сжатия может быть определена из уравнения теплового баланса заряда

LCν' (Ts + ∆T) + MгC"νв = (L + Mг) Cν' в Ta,

где ∆Ts – подогрев воздуха от стенок, К; Тг – температура остаточных газов, К.

Ts + ∆Ts + jгTг = (1 + jг)Ta Ta = (Ts + ∆Ts + jгTг)/(1 + jг)

Подогрев ∆Ts у 2-тактных ≈ 5–10 К, у 4-тактных – 10–20 К. Температура остаточных газов Тг ≈ 700–800 К.

8.2. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

Теплообмен в процессе сжатия.

Задачей процесса сжатия является повышение температуры заряда в цилиндредотемпературывоспламенениявпрыскиваемоготоплива(рис. 8.1).

Рис. 8.1. График процесса сжатия

При отсутствии протечек заряда и теплообмена со стенками цилиндра процесс сжатия подчинялся бы закону адиабатического сжатия

pvk = const,

где k – показатель адиабаты.

69

Действительный процесс сжатия сопровождается переменным по знаку и интенсивности теплообменом между зарядом и стенками цилиндра. Имеются протечки заряда через неплотности клапана и поршневые кольца, поэтому в действительности сжатие – политропный процесс с переменным показателем.

Вначале, когда температура заряда ниже tст, теплота подводится к заряду. При этом показатель политропы сжатия n > k, и политропа идёт круче адиабаты. По мере сжатия заряда и увеличения температуры теплоотдача от стенок к заряду уменьшается, и температуры сравниваются (мгновенный адиабатный процесс). Потом, когда температура заряда становится выше температуры стенок и теплота отводится от заряда к стенкам, n < k, политропа идёт более полого относительно адиабаты. Изза этого давление в конце сжатия в действительном цикле ниже рс конца сжатия по адиабате.

Показатель политропы сжатия у СДВС изменяется от 1,1 до 1,5 в конце. В расчетах цикла для упрощения берут усредненный n (по равен-

ству работ) у МОД 1,34–1,38, у СОД и ВОД n = 1,38–1,42.

Значение n зависит от частоты вращения S и D, нагрузки, интенсивности охлаждения и плотности колец. С увеличением оборотов показатель политропы возрастает и, наоборот, из-за увеличения времени на теплообмен приближается к изотермическому n ≈ 1,1, при этом pc и Tc уменьшаются, ухудшаются условия самовоспламенения топлива, это учитывается при конструировании СДВС, что важно при низкой частоте вращения на маневрах. Так же резко снижается показатель политропы в ДВС с малыми размерами S и D из-за увеличения относительной площади теплообмена при сжатии; этим объясняются трудности пуска малых дизелей. Это обстоятельство учитывается конструкторами увеличением степени сжатия дизеля при проектировании.

В эксплуатации для лучшего пуска судовой дизель прогревают горячей водой. Воду либо подогревают, либо подают из системы охлаждения работающих дизель-генераторов.

С увеличением нагрузки показатель политропы увеличивается, при этом увеличивается температура стенок. В начале сжатия к рабочей смеси теплоты подводится больше, а в конце сжатия ее отводится меньше, чем при пониженной нагрузке.

Мероприятия по интенсификации охлаждения поршня и цилиндра уменьшают показатель политропы сжатия, поэтому при маневрах необходимо поддерживать температуру охлаждающей воды на верхнем пределе. Утечки заряда через клапаны и кольца снижают показатель политропы. При исследованиях рабочих процессов значение среднего показателя политропы сжатия определяют из условия равенства давления в

70