Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia
.pdfгде 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 (в |
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 |
0,12—0,14 |
.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