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

Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

.pdf
Скачиваний:
189
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
18 Mб
Скачать

где Qi — количество подведенной теплоты, равное количеству теплоты, ко­ торая теоретически может быть получена при сгорании всего топлива, введен­ ного в цилиндр за цикл, Дж,

Связь между и r\t определяется индикаторным относительным

кпд

 

Чй = — •

(Ю.З)

 

4 t

 

Таким образом,

учитывает степень приближения

действи­

тельного цикла двигателя к идеальному» Абсолютное значение для дизелей т|го = 0,7 -f- 0?85.

Среднее индикаторное давление р г по аналогии со средним дав­ лением идеального цикла pt также представляет собой удельную работу цикла:

где

Lf — работ а д<ействител ьного цикла, называемая

индикаторной, Дж;

Va —■Vc

Vs р азность

максимального и минимального объемов рабоче-

го

ХЁДд_в_^илиндре дви

е ' равная рабочему объему

цилиндра. м37^ ...

Далее рассматриваются рабочие процессы, составляющие дей­ ствительный цикл, и более подробно разбираются показатели эко­ номичности и эффективности цикла; излагаются основные положе­ ния метода расчета цикла.

10.3. Процесс газообмена

Общие сведения* Для осуществления рабочего цикла необходимо после завершения процесса расширения удалить из цилиндра про­ дукты сгорания и заполнить его к началу сжатия зарядом свежего воздуха, Эти задачи решаются в процессе газообмена. Схема газо­ воздушного тракта двигателя с наддувом и обозначения параметров воздуха и газов в отдельных его элементах показаны на рис. 10.2*

Параметры воздуха и газов на выпуске и впуске. Заданную сте­ пень форсирования рабочего процесса обусловливает давление над­ дува ps, которое представляет собой давление^ воздуха в ресиве­ ре непосредственно перед впускными органами. Давление воз­ духа ph, создаваемое наддувочными агрегатами (см. рис. 10.2), должно быть выше давления р$ на значение сопротивления возду­

хоохладителя

Aps = 0,002 -f- 0,004 МПа.

В свою

очередь pk =

= pQn k (где

n k степень повышения

давления

в наддувочных

агрегатах). В двигателе без наддува давление воздуха перед ци­ линдром определяется давлением окружающей среды.

Среднее давление газов за цилиндром

выпускном

 

патрубке)

рг или р Т в двигателях с наддувом находится в прямой

зависимо­

сти от давления воздуха перед цилиндром

(в ресивере) р$ и сопро­

тивления ■продувочно-вьшускнош тракта

цилиндра,

в

основном

200

определяемого сопротивлением продувочно-выпускных окон или клапанов

 

 

 

 

 

Рт = ^шРзу

 

(10.5)

где

gn — коэффициент потери

давления

(для двухтактных

дизелей

 

■=»

0,88 ^ 0,96).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В отличие от двухтактных

двигателей,

в которых давление p s

всегда больше

р т?

четырехтактные

могут работать с

разными

со­

отношениями давлений, В большинстве случаев ps >

рт, но в це­

лях

повышения

мощности

турбины .не исключена

возможность

работы при р т>

ps.

 

в атмосферу давление р г зависит от

 

В двигателях с выпуском

сопротивлений

выпускного

трубопровода,

утилизационного

кот­

ла и

глушителя шума на выпуске и лежит в

пределах абсолютного

давления р г =

0,103 -г 0,105 МПа. Такое же давление характери-

зует

условия в выпускном

трубопроводе за

турбиной

в двигателе

сгазотурбонагнетателем (ГТН).

Температура наддувочного воздуха

T h~ Г0

(10.6)

где Г у — температура наддувочного воздуха, иС;

= p j p 0 степень

повышения давления в наддувочных агрегатах; nh — показатель политропы

сжатия воздуха в нагнетателе (для

центробежных нагнетателей

= 1,6 т

1,8, для поршневых насосов

1,45 ~ 1,6),

 

В современных дизелях Тк достигает 130 °С.

Температура воздуха перед цилиндром (в ресивере) Ts (после сжатия в наддувочных агрегатах воздух обычно направляется в воздухоохладитель и лишь затем поступает в ресивер)

T 8 min = T B3+ ( \ 0 +

15),

(Ю.7)

где Твэ — температура забортной воды на

входе

в воздухоохладитель, °С.

В двигателях без наддува температура, воздуха перед цилиндра­ ми определяется температурой охлаждающей среды Т0.

Газообмен в четырехтактном дизеле. На газообмен в четы­ рехтактном цикле отводятся два хода поршня, В действительности для более полной очистки цилиндра от продуктов сгорания и луч­ шего наполнения свежим воздухом впускные и выпускные клапа­ ны, как это видно из диаграммы газораспределения (рис, 10,5), приходится открывать раньше, а закрывать позже» В итоге продол­ жительность газообмена занимает более двух ходов поршня и со­ стоит из следующих периодов: свободного выпуска bbf; выпуска i?Y; продувки r"rrf; наполнения га и дозарядки а!а.

Для более подробного ознакомления с процессами газообмена рассмотрим рис. 10.6, на котором приведены кривые изменения давлений в цилиндре рц, в выпускном патрубке рт и в реси&ере ps в функции утла поворота вала. Здесь же нанесены моменты: откры­ тия и закрытия клапанов.

201

Свободный выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана, осуществляемого на 20—50° п. к. в. до прихода поршня в НМТ, поэтому расширение газов в цилиндре заканчивается ра­ нее — в точке Ь. Давление в цилиндре в этот момент равно 0,88 МПа, а давление в выпускном патрубке — 0,16 МПа. Столь значитель­ ная разница способствует тому, что, несмотря на продолжающееся движение поршня вниз, газы с большой скоростью устремляются из цилиндра в выпускной патрубок. Из-за малого объема патрубка и выпускного тракта, по которому газ направляется к газовой тур-

вмт

Рис. 10.5. Фазы газообмена четырех­

 

тактного дизеля

Рис. 10.6. Изменение давлений в про­

цессе газообмена в четырехтактном среднеоборотном дизеле

202

бине, давление в нем резко поднимается и возникает импульс дав­ ления (на рисунке отмечен цифрой 1). Продолжительность свобод­ ного выпуска bbf приблизительно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана а г (см. рис. 10.5).

Выпуск условно начинается в НМТ и продолжается в течение всего хода поршня к ВМТ. В начальной фазе восходящего движе­ ния поршня эффект выталкивания невелик, так как около мертвой

точки мала скорость поршня, и истечение из цилинра

происходит

в основном вследствие перепада давлений (рц — р т).

В дальней­

шем скорость поршня увеличивается, в средней части достигает максимума, растет и масса выталкиваемого газа. Это приводит к вторичному повышению давления (цифра 2, см. рис. 10.6) в вы­ пускном патрубке, на которое существенно влияет также пер­ вый импульс давления.

В силу увеличивающегося сопротивления истечению газа из ци­ линдра падение давления в нем в это время замедляется. Изменение

массы заключенного в

цилиндре газа характеризуется

кривой

Gw .

 

 

Продувка начинается

с открытием впускного клапана

(ориен­

тировочно за 30—50° п. к. в. до прихода поршня в ВМТ) —■г" и за­ канчивается в момент закрытия выпускного клапана (40—70° п.к.в. за ВМТ) — г '. К моменту полного открытия выпускного клапана давление рц оказывается равным, а затем и ниже давления возду­ ха в ресивере ps —- точка 3, благодаря чему он получает возмож­ ность поступать в цилиндр, несмотря на продолжающееся движение поршня вверх. Давление в выпускном патрубке р т еще ниже (рт< < Рц < ps); оставшиеся в камере сжатия газы вытесняются воз­ духом и уходят вместе с ним в выпускной тракт.

Падение давления в цилиндре и выпускном патрубке продолжа­ ется на протяжении всего периода продувки, и разность давлений Ps —■Рц наибольшего значения (4) достигает в то время, когда пор­ шень, двигаясь вниз, приобретает максимальную скорость. Это спо­ собствует еще большему поступлению воздуха в камеру сжатия и ее продувке.

Благодаря продувке обеспечивается возможность заполнения воздухом не только объема цилиндра, описываемого ходом поршня, но и объема камеры сжатия. Наличие периода продувки способст­ вует также снижению температур стенок камеры, выпускного кла­ пана и его седла, температуры выпускных газов, а это положи­ тельно сказывается на ресурсе газовой турбины.

Поэтому в двигателях с высоким наддувом, где проблема теплонапряженности особенно остра, идут на увеличение фазы перекры­ тия клапанов: в отдельных двигателях она достигает 150° п. к. в.

Наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха фактически на­ чинается вблизи ВМТ и вначале, до закрытия выпускного клапа­ на г \ протекает одновременно с продувкой. Окончание напол­ нения совпадает с приходом поршня в НМТ.

203

После закрытия выпускного клапана значение и характер из­ менения давления в выпускном тракте несущественны. Не оказы­ вает влияния и то обстоятельство, что к патрубку в этот момент подходит волна давления (5), возникшая благодаря начавшему­ ся свободному выпуску и появлению импульса давления в цилиндре, объединенном с рассматриваемым общим выпускным трактом,

К окончанию наполнения давление в цилиндре рц поднимает­ ся и достигает значения ps.

Дозарядка продолжается от НМТ, и, хотя поршень пошел вверх, воздух продолжает поступать через открытый клапан в цилиндр вследствие отсасывающего действия столба движущегося по инер­ ции по впускному тракту воздуха, а также вследствие существования положительной разности ps — рц. В последней фазе дозарядки из-за движения поршня вверх давление в цилиндре рц начинает расти, несмотря на все еще открытый впускной кла­ пан. Здесь сказывается дросселирование воздуха в уменьшающей­ ся щели под клапаном (поскольку он начал закрываться). С закры­ тием впускного клапана (а) дозарядка и газообмен завершаются* Общая продолжительность газообмена четырехтактного двигателя составляет 400—500° п. к. в.

Газообмен в двухтактном дизеле. Особенности осуществления процессов очистки и наполнения цилиндров двухтактных дви­

гателей сводятся к следующему:

 

процессы газообмена происходят лишь

в конце рабочего хода

поршня и в начале хода сжатия, занимая

всего 140— 150° п. к, в,

(рис. 10.7, а);

 

невозможность использования в двухтактном дизеле всасывающего и выталкивающего действия поршня требует для осуществлен мня газообмена предварительного сжатия воздуха в наддувочном агрегате до давления, по крайней мере превышающего сопротив­ ление выпуску*

204

Рис. 10.8. Процесс газообмена в двухтактном дизеле МАН — Бурмейстер и

Вайн МС

В двухтактном двигателе процесс газообмена условно прини­ мают состоящим из трех периодов (рис, 10.7, б): свободного выпус­ ка bd; принудительного выпуска, продувки и наполнения da'd'; потери или дозарядки d'a.

При построении диаграммы по оси ординат откладывают сече­ ния f открытия окон или щели под клапаном, а по оси абсцисс— время открытия или ф° п. к. в. Поэтому площади под кривыми (рис. 10.8) представляют собой время X сечение открытия органов газообмена в соответствующие периоды, определяющие их про»

пускную

способность (I —•свободного выпуска;

II — принуди­

тельного

выпуска; I I I — продувки; IV — потери

заряда). Пред­

ставленная диаграмма построена применительно к прямоточно­ клапанной схеме газообмена двигателей типа МС. Здесь продувоч­ ные окна расположены в нижней части цилиндра, фазы и закон их открытия и закрытия определяются поршнем. Фазы откры­ тия и закрытия выпускного клапана, высота его опускания зада­ ются профилем кулака распределительного вала.

Согласно диаграмме (см. рис. 10.7, б) первым в точке Ъ с опере­ жением в 70° открывается выпускной клапан и начинается процесс свободного выпуска. В цилиндре к этому моменту заканчивается рас­ ширение продуктов сгорания, давление составляет ~ 1,0 МПа,

205

а давление

в выпускном коллекторе р т ~ 0,29 МПа (см.

рис. 10.7, б,

10.8), Поэтому продукты сгорания с большой скоростью

устремляются в выпускную систему, давление в цилиндре рц резко падает и к моменту, когда поршень, двигаясь вниз, открывает про­ дувочные окна, оно выравнивается с давлением ps в ресивере про­ дувочного воздуха. Условие достижения в точке d равенства рц = = ps или Рц < ps обязательно, так как только тогда будет возмож­ ным поступление воздуха из ресивера в цилиндр, определяющее начало продувки, В противном случае, если в первый период от­ крытия продувочных окон рц > pg, может произойти заброс горя­ чих газов из цилиндра в ресивер и вызвать в нем пожар, обуслов­ ленный сгоранием накопившихся в ресивере паров масла. Поэтому важно, чтобы участок I (bd) обеспечивал пропуск за этот период та­ кого количества продуктов сгорания, при котором в точке d дости­ гается рц = ps. Более позднее начало открытия клапана, умень­ шение щели под ним приведут к отрицательному результату. Проду­ вочные окна открываются за 40° до НМТ, по мере опускания поршня в цилиндре время и сечение их открытия увеличиваются и дости­ гают максимума в НМТ,

Давление рд? достигнув значения ps, продолжав! падать и, несмотря на начавшееся поступление в цилиндр воздуха, умень­ шается даже ниже давления в выпускном коллекторе рт. Отмечае­ мый на участке 1— 2 провал давления объясняется эжектирующим действием движущегося с большой скоростью потока газов в па­ трубке за выпускным клапаном. Однако продолжающееся заполне­ ние цилиндра воздухом из ресивера приводит к повышению давле­ ния в нем, давление рц приближается к р8. В этот период на уча­ стке dd' через открытый клапан продолжается выпуск из цилиндра продуктов сгорания под действием вытесняющего их воздуха. На участке 2—3 происходит продувка цилиндра в сочетании с прину­ дительным выпуском.

Реализация перечисленных процессов возможна при сохране­ нии следующего соотношения давлений ps > р ц > р т. В точке d! через 40° после НМТ продувочные окна закрываются, наполне­ ние цилиндра воздухом прекращается, и давление в нем начина­ ет падать, снова сказывается эжектирующее (отсасывающее) дей­ ствие потока газов и воздуха, движущихся по выпускному кана­ лу, На участке 3—4 снова рд < р т? но постепенно, по мере закры­ тия выпускного клапана, сечение щели под ним уменьшается, кла­ пан начинает дросселировать вытесняемый из цилиндра поршнем поток газов. В итоге давление в цилиндре начинает расти и к мо­ менту закрытия клапана —■окончания газообмена (точка а) давление рц на 0,01-—0,015 МПа оказывается выше р&. Последняя фаза процесса газообмена (участок d'a) представляет собой поте­

рю

заряда,

 

Как видно из рис» 10.8, давление в выпускном коллекторе р т?

как

и давление в ресивере р89 сохраняется на одном уровне, Не­

206

большие колебания обусловлены волновыми явлениями, вызывае­ мыми циклическим поступлением газов в выпускной коллектор из цилиндров. Постоянство давления газов, в колллекторе определяет и постоянство давления газов перед турбинами турбонаддувочного агрегата, поэтому реализуемый в двигателях этого типа наддув яв­ ляется наддувом при р т = const.

Качество газообмена, Качество газообмена определяют с по­ мощью коэффициентов, значение которых поясняет анализ изме­ нения содержания в цилиндре двигателя за период газообмена про­ дуктов сгорания Сцг (см. рис. 10.6), массы поступающего через

впускные органы воздуха

д ц$

и массы остающегося в цилиндре

воздуха Gm , Разница между

и бцв дает возможность в любой

момент определить массу

воздуха, затрачиваемую на продувку

и представляющую собой ту часть воздуха, которая в период газо­ обмена проходит через цилиндр в выпускной тракт. Из рассмотре­ ния кривых следует, что масса находящихся в цилиндре продуктов сгорания Сцг с момента открытия выпускных органов и до момента их закрытия неуклонно снижается» Поступление в цилиндр свеже­ го воздуха начинается с запаздыванием примерно на 30° по отноше­ нию к моменту открытия впускного клапана (точка 3), так как дав­ ление рц до точки 8 оставалось выше ps.

Поступающий воздух Gns частично заполняет цилиндр — GiIBt часть воздуха, равная Gm — Сцв, выходит с выпускными газами—

тратится на продувку. В точке г' выпускной

клапан

закрывается,

и продувка прекращается, масса воздуха,

равная

GAS — Gm , в

дальнейшем остается неизменной. Наполнение цилиндра продолжа­ ется, кривая Сцв идет вверх. К моменту окончания газообмена (точка а) цилиндр оказывается заполненным воздухом массой GB и оставшимися в нем продуктами сгорания Gr. Масса израсходован­ ного воздуха на наполнение и продувку равна Gs, Эти данные хмогут быть использованы для оценки качества газообмена, однако в теории ДВС обычно прибегают к их относительным значениям, представляющим собой коэффициенты продувки, остаточных га­ зов и наполнения цилиндра.

Коэффициент продувки

Gs

где Gs масса воздуха» поданного в цилиндр за цикл (прошедшего через

продувочные окна); GB — масса заряда воздуха, оставшегося в цилиндре к моменту окончания газообмена >— началу сжатия,

характеризует затрату воздуха на продувку и наполнение цилин­ дра. Чем он выше, тем, следовательно, больше расход воздуха на газообмен и затрата энергии на привод наддувочного агрегата.

В двухтактном двигателе без наддува сра = 1,15 ~ 1,25. В дви­ гателе с наддувом увеличение давления воздуха ps приводит к ро­ сту потерь на продувку и <рЛ ==■ 1,6 ~ 1,65, В определенной степе­

207

ни это благоприятно сказывается на снижении теплонапряженно» сти ЦПГЭтак как чем больше воздуха продувается через цилиндр, тем больше он отбирает от нагретых поверхностей теплоты. В че­ тырехтактном двигателе сра — 1 ~ 1,2*

Непосредственно о затратах воздуха на продувку и наполнение цилиндров двигателя можно судить по удельному расходу воздуха

где G&— расход воздуха на весь двигатель, кг/(кВт-ч).

Для двухтактного МОД g s = 8,8 -f- 10,8 кг/(кВт«ч), для че~ •тырехтактного СОД gs = 6,8 -f- 8?2 кг/(кВт-ч).

Критерием количественной оценки совершенства процессов очи­ стки цилиндра от отработавших газов и наполнения его зарядом служат коэффициенты остаточных газов и наполнения цилиндра.

Коэффициент остаточных газов

 

Gr

 

Т г= ~о7’

г.де Gr ■—■количество

оставшихся в цилиндре к концу газообмена газов, м3;

G B заряд свежего

воздуха, м3.

Чем меньше уг, тем меньше остается газов в цилиндре и тем качественнее очищается цилиндр от продуктов сгорания и тем боль­ ший его объем освобождается для заполнения воздухом»

■Согласно опытным данным, уг имеет следующие значения для двигателей.

Четырехтактные:

Уг

0,06—0,04

без наддува . . . . . . . . . . .

с наддувом . . . . . . . . . . .

0,04—0,02

Двухтактные с продувкой:

0,04—0,08

прямоточной . . . . . . . . . .

петлевой фирмы МАН . . . . . .

0,08—0,09

То же фирмы

«Зульцер» . . . . . .

0,09—0,12

Двухтактные

с поперечной продувкой

0,120,14

.Загрязнение выпускного тракта и связанное с ним увеличение противодавления выпуску р т? закоксовывание продувочных и вы­ пускных окон, падение давления продувочного воздуха вызывают увеличение коэффициента уг.

Коэффициент наполнения

где GB — действительное количество

воздуха,

заполнившего

цилиндр в про­

цессе наполнения; Gv

——количество

воздуха,

которое могло бы поместить-

S

Vs при параметрах,

характеризующих состояние воз­

с я в его рабочем объеме

духа на впуске (р0, Т 0

для двигателей без

наддува, p Ef T s

для двигателей

с наддувом).

 

 

 

 

 

208

Коэффициент цш характеризуется степенью использования объе­ ма цилиндра в процессе наполнения,Чем выше т|ш тем эффекта в» нее используется рабочий объем, тем больший заряд свежего воздуха 0 Шв нем размещается к концу газообмена. Знание массы воз­ духа Gs, поступившего в цилиндр за цикл, дает также возможность определить суммарный коэффициент избытка воздуха:

В малооборотных .двухтактных двигателях асум = 2,8 ^ 4. Предпосылкой высокого качества процесса газообмена явля­

ется наличие достаточных: проходных сечений продувочных и вы­ пускных окон или клапанов, обеспечивающих минимальные сопро­ тивления воздуху и газам. Расположение, конфигурация и размеры окон должны создать такие направления и скорости потоков внутри цилиндра, при которых будут происходить вытеснение воздухом, газов и минимальное их перемешивание. Непродутые и застойные зоны., образующиеся над поршнем, у стенок цилиндра, под клапана­ ми, должны быть незначительными. Существенное влияние на качество газообмена оказывают также параметры состояния возду­ ха и газов в ресивере, цилиндре, выпускной системе, перед турби­ ной и другие факторы,

10.4. Схемы газообмена двухтактного дизеля — -

Общие сведения. Схемы газообмена дизелей в зависимости от направления движения потоков воздуха внутри цилиндра подразделяют на два основных типа —- контурные и прямоточные. Размеры окон и выпускных клапанов, фазы их открытия даны в табл, ЮЛ. и 10.2.

Контурные схемы. Типичная для контурной схемы организация газообмена заключается в том, что поступающий через продувоч­ ные окна поток продувочного воздуха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описывают контур цилиндра. Сначала воздух по одной стороне цилиндра поднимается, у крышки повора­ чивается на 180° и опускается к выпускным окнам. Так организован газообмен в односторонней щелевой (петлевой) схеме фирмы МАИ

(рис.

10.9, а)

или

в близкой к

ней схеме

фирмы «Зульцер»

(рис.

10.9, б).

Здесь

для прохода

воздуха и

газов служат окна,

выфрезерованные во втулке на одной стороне цилиндра, верхний

ряд занимают выпускные 2, а нижний

продувочные L Момента­

ми их открытия и закрытия управляет

поршень.

Выпускные окна при рабочем ходе поршня вниз открываются первыми, и начинается процесс свободного выпуска. Продукты сго­ рания под действием перепада давлений (рц — рТ) покидают ци­ линдр. Затем открываются продувочные окна и наддувочный воз­ дух устремляется вверх, вытесняя из цилиндра продукты сгорания

209

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]