Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Другое / Презентации / Конспект лекции "Схемы газообмена двухтактных дизелей."

Конспект лекции "Схемы газообмена двухтактных дизелей."



  • Другое

Поделитесь материалом с коллегами:

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. 10.1 и 10.2.

Контурные схемы. Типичная для контурной схемы организация газообмена заключается в том, что поступающий через продувочные окна поток продувочного воздуха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описывают контур цилиндра. Сначала воздух по одной стороне цилиндра поднимается, у крышки поворачивается на 180° и опускается к выпускным окнам. Так организован газообмен в односторонней щелевой (петлевой) схеме фирмы МАН (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 1. Моментами их открытия и закрытия управляет поршень.


Момент газораспределения, ° п. к. в.

Доля потерян-ного хода пор-шня к момен-ту закрытия органов

Двигатель

Открытие органов

Закрытие органов

продувочных

выпускных

продувочных

выпускных

продувочных

выпускных

МАН-B&W(БМЗ)







VT2BF (ДКРН2)

41

92

41

56

0,0967

0.178

KGF (ДКРН4)

41

95

41

55


LGFCA(ДКРН7)

41

72

41

78

0,086

LMC (ДКРН10)

41

70

41

80

0,086

Зульцер:







RD

48

68

48

60

0,126

0,218

RND

51

67

51

67

0,14

0,25

МАН:







KZ

48

68

48

68

0,079

0,26

KSZ

42

62

42

62

0,096

0,27

Выпускные окна при рабочем ходе поршня вниз открываются первыми, и начинается процесс свободного выпуска. Продукты сгорания под действием перепада давлений (рц - рТ) покидают цилиндр. Затем открываются продувочные окна и наддувочный воздух устремляется вверх, вытесняя из цилиндра продукты сгорания через открытые выпускные окна. В своем движении в цилиндре воздух описывает характерную для двигателей МАН петлю, поэтому такой тип продувки часто называют петлевой. Существенным недостатком газообмена в двигателях МАН KZ является наличие заброса газов из цилиндра в ресивер в начале продувки, когда только открываются продувочные окна. Нередко это является причиной пожаров в ресиверах. Качество очистки цилиндров хорошее (hello_html_m16565635.gif) при относительно небольших расходах воздуха на продувку (hello_html_m7ce5eb1a.gif).

В двигателе Зульцер продувочные окна занимают большую часть окружности цилиндра, поэтому петлевой характер тока воздуха менее выражен, наблюдается большее перемешивание входящего в цилиндр воздуха с вытесняемыми им продуктами сгорания. Отсюда и несколько хуже очистка цилиндра (hello_html_36219077.gif hello_html_411b6118.gif) Перемешиванию способствует и интенсивное поступление воздуха в цилиндр в начале продувки из-за

Схема газообмена


Продувочные окна

Выпускные окна

Выпускной клапан

ks

bs

hb

bb

Dкл/D

Hкл/D

Контурная

(0,08— 0,15)S

(0,2-0,4)πD

(0,16- 0,25)S

(0,18-0,25)πD



Прямоточная

(0,08— 0,15)S

(0,55- 0,78)πD

(0,16-0,20)S

(0,50-0,62)πD

0,5

0,22- 0,27

создаваемого в этот момент подпоршневым насосом большого перепада давлений, необходимого для избежания заброса газов в ресивер в начале продувки. Подпоршневой насос в двигателях серии RD к моменту открытия продувочных окон поднимает давление перед ними с 0,17 МПа (давление наддува) до 0,21 МПа.

Поскольку при восходящем движении поршня сначала закрываются продувочные окна и в течение некоторого времени остаются открытыми выпускные, возможна потеря части заполнившего цилиндр воздуха. Это нежелательно, поэтому фирма прибегает к установке в выпускных каналах за окнами 2 заслонки 3 (см. рис. 10.9, б). Фазы движения заслонок подобраны таким образом, чтобы при подходе поршня к верхней кромке продувочных окон (при движении его вверх) заслонка, разворачиваясь, перекрывала канал за выпускными окнами, изолируя цилиндр от выпускной системы. Таким образом, газообмен заканчивается одновременно с окончанием продувки. Долю потерянного на газообмен хода поршня hello_html_48b58c21.gif при наличии заслонки необходимо принимать с учетом высоты только продувочных окон (для двигателей RD принимают hello_html_1efb9d94.gif) Необходимость в заслонках диктуется также наличием у поршней двигателя RD короткой юбки. Действительно, когда поршень находится в верхней части цилиндра, выпускные и продувочные окна оказываются открытыми, и если бы заслонка не перекрывала выпускной канал, то продувочный воздух, поступая в цилиндр под поршень, свободно уходил бы из цилиндра в выпускную систему.D:\AMИ\3 СЭУ\Kонспект СЭУ\67 Схемы газообмена Основные параметры заряда воздуха. Весовой заряд воздуха. Факторы, влияющие\1 002.jpg

Наличие заслонок и привода к ним усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя. В двигателях серий RND и RLB фирма применила наддув с турбинами постоянного давления, удлинила юбку поршня, и это дало возможность отказаться от заслонок. Контурные схемы газообмена были широко распространены в судовых малооборотных двигателях, выпускавшихся до 80-х годов фирмами МАН, Зульцер, Фиат, «Русский Дизель» и др. В дальнейшем в связи с ростом форсирования рабочего процесса наддувом, увеличением отношения S/D контурные схемы, несмотря на свою конструктивную простоту, не смогли конкурировать с прямоточными. Этим объясняется, что в настоящее время выпускаются исключительно двигатели с прямоточными схемами газообмена. В этом сыграли решающую роль недостатки контурных схем:

худшее качество очистки цилиндра, особенно верхней части, с увеличением высоты цилиндра при увеличении отношения S/D;

больший расход воздуха на продувку, увеличивающийся с ростом наддува и связанной с этим плотности продувочного воздуха;

несимметричное распределение температур у втулки цилиндра и поршня, а отсюда и неравномерная их деформация, так как в зоне выпускных окон температура выше, чем в зоне продувочных окон; с ростом наддува и необходимостью более раннего отбора газов на ГТН неравномерность температурного поля усиливается, что приводит к задирам ЦПГ, появлению трещин.

Прямоточные схемы. Характерным для прямоточной схемы газообмена является наличие прямого тока воздуха вдоль оси цилиндра, преимущественно с послойным вытеснением продуктов сгорания. В результате хорошей организации газообмена судовые двигатели с прямоточной схемой продувки имеют наиболее низкие значения коэффициента остаточных газов (hello_html_7240487c.gif).

Прямоточно-клапанная схема газообмена (рис. 10.10) применена в двухтактных двигателях БМЗ, МАН—Бурмейстер и Вайн, Зульцер RTA.

Продувочные окна расположены в нижней части втулки равномерно по всей окружности цилиндра, что обеспечивает большие проходные сечения и малое сопротивление окон, а также равномерное распределение воздуха по сечению цилиндра. Тангенциальное расположение окон 2 в плане способствует закручиванию потоков поступающего через патрубок 3 в цилиндр воздуха. Вихревое движение воздуха в цилиндре сохраняется до конца такта сжатия, и при впрыске топлива его частицы захватываются вихрями и разносятся по пространству камеры сгорания, вследствие чего существенно улучшается смесеобразование. D:\AMИ\3 СЭУ\Kонспект СЭУ\67 Схемы газообмена Основные параметры заряда воздуха. Весовой заряд воздуха. Факторы, влияющие\23 001.jpg

Выпуск газов из цилиндра происходит через клапан 1 в крышке цилиндра (привод клапанов осуществляется от распределительного вала). Профилированием кулака клапана можно легко подбирать и устанавливать необходимые фазы газораспределения: прежде всего, открывать его с большим опережением (hello_html_m2b06bddc.gif), что дает возможность отбирать газ из цилиндра при повышенном давлении (hello_html_m1db4bb66.gif=0.7hello_html_63d6f970.gif МПа) и тем самым увеличивать мощность газовой турбины. Клапан начинает закрываться после перекрытия поршнем продувочных окон (hello_html_m4b55686a.gif). Окончание газообмена и начало процесса сжатия можно считать совпадающими с моментом закрытия поршнем продувочных окон, и относительная величина потерянной части хода поршня в этом случае определяется высотой продувочных окон.

Прямоточно-щелевую схему газообмена применяют в судовых и тепловозных двигателях с противоположно движущимися поршнями Оксфорд, Д100). Характерной особенностью является расположение продувочных и выпускных окон по концам цилиндра. При этом один поршень (нижний или верхний) управляет фазами открытия и закрытия выпускных, а другой — продувочных окон. Поскольку для обеспечения фазы свободного выпуска выпускные окна должны открываться раньше продувочных, то управляющие ими поршни движутся с опережением по отношению к противоположно перемещающимся поршням. Это достигается взаимным смещением кривошипов верхнего и нижнего рядов поршней на угол 6—12° п. к. в.

Организация потоков воздуха и газов в цилиндре такая же, как в рассмотренной схеме, качественные показатели продувки также подобны.

Прямоточные схемы газообмена по сравнению с контурными имеют некоторые преимущества: лучшее качество газообмена и меньшие потери воздуха на продувку; наличие управляемого выпуска, благодаря чему имеется возможность варьирования энергией газов, направляемых в ТК; симметричное распределение температур во втулке цилиндра и головке поршня и др.

Коэффициент наполнения. Заряд воздуха в цилиндре

Основная задача газообмена состоит в наполнении цилиндров двигателя зарядом свежего воздуха. В идеальном случае в цилиндре двигателя может быть размещено hello_html_m29bd4a27.gif воздуха. Для этого необходимо, чтобы весь рабочий объем был заполнен только воздухом при параметрах hello_html_me05305.gif и hello_html_4bf2a4ed.gif. В действительности количество размещающегося в цилиндре свежего заряда hello_html_m701b62e0.gif всегда меньше теоретически возможного hello_html_m29bd4a27.gif. Причины этого в основном сводятся к следующим двум факторам.

Первый фактор, определяющий снижение заряда воздуха, состоит в уменьшении давления и повышении температуры поступающего в цилиндр воздуха в процессе наполнения.

Давление в цилиндре в конце наполнения hello_html_m9c50fa7.gif, как правило, меньше давления перед цилиндром hello_html_me05305.gif вследствие потерь на перетекание воздуха из ресивера в цилиндр и составляет в двигателях четырехтактном hello_html_ba28e29.gif, двухтактном hello_html_m2954da32.gif Верхние пределы характерны для двигателя с импульсным наддувом. Причина случаев, когда hello_html_65776b53.gif изложена в § 10.3.

Температура воздуха в цилиндре в конце наполнения Та выше температуры Ts, так как во время наполнения воздух нагревается от стенок цилиндра на hello_html_2b994333.gif и в цилиндре смешивается с находящимися в нем остаточными газами, имеющими температуру hello_html_m45249ebd.gif 700hello_html_m41b4a685.gif.

Температура

hello_html_m7641f853.gif (10.8)

где hello_html_12baab54.gif

Из уравнения состояния pV = RT, которое может быть также записано hello_html_7801303f.gif=RT, находим плотность hello_html_m6df75cd9.gif. Отсюда плотность воздуха в ресивере hello_html_m28fcfbda.gif, в цилиндре hello_html_m6ff64e15.gif.

Поскольку ра < рs; Та > Тs, то плотность воздуха в цилиндре ра меньше плотности воздуха перед цилиндром рs (в ресивере). В результате масса заряда воздуха, попавшего в период наполнения в цилиндр, находится в прямой зависимости от плотности и будет меньше массы, которую можно было бы разместить, если бы параметры воздуха оставались равными рs и Тs.

Второй фактор, определяющий сокращение заряда воздуха, состоит в невозможности полного использования рабочего объема цилиндра для размещения в нем воздуха. Часть объема занимают оставшиеся после газообмена продукты сгорания (остаточные газы), которые полностью удалить из цилиндра не удается.

Количество остаточных газов характеризуется коэффициентом γг = Gr/GB, значение которого зависит от совершенства процессов очистки цилиндра от продуктов сгорания и газообмена в целом.

Мерой количественной оценки процесса наполнения цилиндров воздухом служит коэффициент наполнения ηн = GВ/GVs — отношение массы оставшегося в цилиндре к окончанию газообмена заряда воздуха GB к массе воздуха GVs которая теоретически могла бы заполнить рабочий объем цилиндра Vs при параметрах перед цилиндром ρs и Тs. Для более глубокого анализа и расчетов можно воспользоваться выражениями

hello_html_21d52548.gif (10.9)

hello_html_50bf189c.gif (10.10)

где ε — действительная степень сжатия.

Выражения составлены исходя из предположения, что при наполнении используется полезный объем цилиндра Vs. Поэтому если необходимо ηн отнести ко всему рабочему объему V's, то необходимо выражение умножить на отношение Vs/V's = 1—ψs (где ψs — относительные значения потерянного хода поршня на газообмен).

Зная коэффициент наполнения ηн, нетрудно определить массу заряда воздуха GB = GVs ηн. В свою очередь GVs = ρsVs тогда

hello_html_6085adb5.gif (10.11)

К снижению заряда воздуха GB, а именно оно может отрицательно отразиться на мощности и экономичности двигателя, приводит уменьшение коэффициента наполнения ηн и плотности воздуха ρs. Коэффициент наполнения мало меняется при изменении режима работы двигателя (частоты вращения и нагрузки), практически не зависит от параметров окружающей среды, но может существенно понизиться при загрязнении впускного и выпускного трактов двигателя, продувочных и выпускных окон. Плотность воздуха ρs в противоположность ηн существенно зависит от состояния окружающей среды—давления р0 и температуры Т0 атмосферного воздуха, его влажности φ, температуры забортной воды Tвз. Уменьшение плотности ρs возможно, когда падает давление ps и растет температура Ts

hello_html_6020f0d9.gif

hello_html_37d65ccf.gif

где πк — степень повышения давления в ГТК; Δрво — падение давления в воздухоохладителе вследствие его сопротивления (Δрво ~ 0,001 - 0,002 МПа); ΔTохл — температурный напор в воздухоохладителе ΔTохл - 10 - 12 °С).

Из представленных выражений видно, что давление ра находится в прямой зависимости от р0 и с его падением соответственно снижается, приводя к уменьшению плотности воздуха ps и заряда воздуха в цилиндрах GB.

Однако само изменение атмосферного давления не столь уж велико - обычно 96—105 кПа (720—780 мм рт. ст.). Более существенно изменение температуры воздуха Т0, которая в тропиках может увеличиться до 35°С, соответственно до 32—33°С возрастает температура забортной воды. Если воздухоохладитель обладает достаточно развитой поверхностью охлаждения и находится в технически исправном состоянии, он будет поддерживать температуру воздуха перед цилиндрами Та на необходимом уровне вне зависимости от изменений Т0 и Твз. Это означает, что в таком двигателе плотность ρs и заряд воздуха GB оказываются независимыми от внешних условий. Иначе, если воздухоохладитель не обладает необходимым запасом охлаждающей способности, на изменение температуры окружающей среды будет реагировать двигатель. У такого двигателя при переходе судна в тропики температура воздуха за турбокомпрессорами Тк будет расти пропорционально росту Т0, следуя зависимости hello_html_6d334234.gif. Будет увеличиваться и температура за воздухоохладителями Тs, а это, как уже отмечалось, приведет к падению ps и снижению заряда воздуха GВ.

Как будет дальше показано, уменьшение заряда воздуха в цилиндрах отрицательно сказывается на сгорании топлива и влечет за собой рост температур и температурных напряжений в ЦПГ. Поэтому приходится идти на снижение мощности двигателя путем сокращения подачи топлива в цилиндры. Существенное влияние на воздух оказывает его влажность, характеризуемая относительной влажностью

hello_html_1184833a.gif

где ρп — плотность водяного пара во влажном воздухе; ρп max — максимально возможная плотность пара при данных давлениях и температуре смеси

Таблица 10.3

hello_html_m309f0dca.gifсодержащегося в воздухе пара. Для пересчета можно воспользоваться формулой

hello_html_261b9344.gif

где d = Gп/GB — влагосодержание (здесь Gп — масса водяного пара, табл. 10.3).

6


Автор
Дата добавления 06.12.2015
Раздел Другое
Подраздел Презентации
Просмотров350
Номер материала ДВ-235673
Получить свидетельство о публикации

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх