Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20

П.араметры, характеризующие рабочий цикл Среднее теоретическое индикаторное давление по формуле (142)

-T37br(>-w)] = 0-6 м

Среднее расчетное индикаторное давление по формуле (145) p = pp.cojj= 10,16.0,97 = 9,86 кгюм.

Индикаторный к. п. д. по формуле (152)

Расход топлива на индикаторную силу в час 632 632 ,

Среднее эффективное давление по формуле (167)

= т,р^ = 0,88-9.86 = 8,67 кг/см.

Эффективный к. п. д. по формуле (169)

yig = tl- 7 . = 0,88 0,43 = 0,378.

Расход топлива па эффективную силу в час по формуле (175)

632 632 п 1ГУ ,

= 10000.0.378 -6

Определим основные размеры рабочего цилиндра: рабочий объем цилиндра

900Л' 900-1000 оо глч Л= 8,67.750.6 = 23,07 л\

принимаем= 1,1, тогда диаметр цилиндра

.-ХОД поршня

5= 1,Ш = 299.1,1 =329 мм. Окончательно принимаем: D = 300 мм; 5 = 330 мм.

Пример 2

Тепловой расчет четырехтактного карбюраторного двигателя для легко-вого автомобиля:

мощность Ng = 70 л. с; число оборотов п = 4400 в минуту; число цилиндров / = 4; топливо - бензин с октановым числом 80 следующего состава (по весу): С 0,850 и Н = 0,150; низшая теплотворная способность Л„ 10 500 ккал/кг; trij = 114.

В соответствии с назначением, мощностью, числом оборотов бала двигателя .и качеством топлива выбираем:

Степень сжатия е.......................... 8

Коэффициент избытка воздуха о................... 0,9

Подогрев от стенок ДГ в °С................... 12

Температура остаточных газов Ту ъ ° абс.............. 950

Давление остаточных газов Pj. в кг/см............... 1,2

Коэффициент использования теплоты kz в точке г . . . ,..... 0,90

Механический к. п. а,. \...................... 0,76

Температура окружаю1цей среды Т^ в °абс.............. 288

Давление окружающей среды в кг/см.............. 1.033

Давление в начале сжатия р^ в кг/слА............... 0,8

Параметры рабочего тела

Для принятого состава топлива теоретически необходимое количество воздуха по формуле (19)

г I / С , Н 0\ 1 /0,85 , 0,15\

0 = 021 (Т2 + -4- - ж) = 0-ДТ Ы + -) = гию ь сг топлива.

Количество свежего заряда

Ml ==aLo-4---= 0,9-0,516-f-г|- = 0,473 кгмоль/кг топлива. т/- .114

Количество продуктов сгорания для топлива принятого состава при а < 1 по формуле (59)

., С , Н , , 0,85 , 0,15 , = 72 + 2 + 0,79aLo = -72-+ - +

-f 0,79.0,9.0,516 = 0,513 кгмоль/кг топлива.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси Принимаем

0,513 ,

k = 0,5.

Число молей СО в продуктах сгорания Mco = 2--0.21Lo-=2 -0,21-0,516 = 0,0146 кгмоль/кг топлива.

Число молей СО2 в продуктах сгорания

УМ С о по, ; 0.85 1-0,9

МСО.-72-т+-о--п2--т+о:5><.

X0,21 -0,516 = 0,0563 кгмоль/кг топлива.

Число молей Hg в продуктах сгорания

УИн. = 2k 1 0,21 Lo = 2 - 0,5-i=;- 0,21 0,516 =

= 0,0073 кгмоль/кг топлива.

Число молей HgO в продуктах сгорания

= 2-0,Б .±=.0,21.0,516 = 0,0678 кгмоль/кг топлива

Число молей Ng в продуктах сгорания

MN = 0,79aLo = 0,79-0,9.0,516 = 0,3669 кгмоль/кг топлива.

Параметры очистки и наполнения цилиндра

Коэффициент остаточных газов при pc:::ipQ (Го + ДГ)р, (288 +12)1.2 ~ Тг (гро - Рг) 5U (8- 1.U33-1.2) ~

Температура начала сжатия при TTq

T,+ T + T, 288+12 + 0054.950 gg I + Т 1 + 0,054

Коэффициент наполнения

Ра То 8 0.8 288 п 7Р5

е-1 Го 4-+ уТг ~ 8-1 1,033 288+ 12-f 0.054-950

Показатель политропы сжатия выбираем = 1,37. Давление конца сжатия по формуле (108)

р^ = р^е =0,8-8= 13,8 кг/см

Температура конца сжатия

Tg = 7 е - = 334 - 8- = 722° абс.

Crop ан и е

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Р-о + 7 1.083 + 0.054 , -~Т+Т--П054 -

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания

ДЯ = 2 4 0,21. Lo (67 500 + 57 500fe) =

= 2 0,21 0,516 (67 500 + 57 500- 0,5) 14С0 ккал/кг топлива.

Температура конца сгорания определяется по уравнении;

жоторое после подстановки известных величин принимает вид

0.9(10 500-1400) 2330 4- 0,054-3533 , ryjojf (1 -h 0,054) 0,474 + 1 -h 0,054 ~ U<z,

и г= 17 320.

Уравнение обращается в тождество при 1 = 2ЪЪ°С или 72 = 2728° абс. .Давление конца сгорания по формуле (132)

p, = Y-Pc=\m-\3,8 = 56,3 кг1см\

Степень повышения давления

Х 53 4 08.

Рс 13.8

.Действительное давление конца сгорания

р1 0,85р2 = 47,8 кг/см .

Расширение

Выбираем показатель политропы расширения .2=1,23, .Давление конца расширения по формуле (134)

Температура коит расширения по формуле (136)

Среднее индикаторное расчетное давление по формуле (142)

пР = [ А /1 L \1 =

13.8 8-1

/1 L \ L /i-

1,23-1 I . . I i

1,23-1 \ 8i23-i; 1.37-1 \ 81.37-1 j

Среднее индикаторное давление по формуле (145)

р. = o pf - Др, = 0,95.10,7-0,4 = 9,8 кг1см.

Индикаторный к. п. д. по форму.пе (152)

1 905 AiP/Tq j 005 0.474.9.8-288 33 - 1 . -3 я, - 1 10 500.0.725.1,033

Расход топлива на одну индикаторную силу в час

632 632

Щ^ 10500-0.337- О'Z-

среднее эффективное давление по формуле (167)

Ре = -ПиР/ = 0.76 9,8 = 7,45 кг/см.

= 10,7 кг/см.

Эффективный к. п. д. по формуле (196)

т, = .. = 0,337.0,76 = 0,254.

Расход топлива на одну эффективную силу в час по формуле (175)

632 632 0-7 /

= Т^= 10 500-0.254 Z-

Основные размеры цилиндра определим из формулы

ж, ОООЛе 900-70 ,q\

= 7.45.4400.4 =

Принимаем - = 0,9:

У 0.785 4-

у- 0.481 0 880 дм.

V 0.785.0,9

Принимаем D=88,0 мм. Тогда ход поршня

5 = 0.9-0,88 = 0,792 дм.

Окончательно принимаем:

D = 88 мм\ 5 = 80 мм.

ГЛАВА VJJ

ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ДВИГАТЕЛЯХ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Двухтактные двигатели применяются в различных отраслях промышленности и транспорта и используются в широком диапазоне мощностей и скоростных режимов В маломощных мотоциклетных, лодочных и стационарных двигателях господствует двухтактный цикл; то же относится к крупным судовым и стационарным двигателям. При средних мощностях для судовых, стационарных, тепловозных и других установок применяются как четырехтактные двигатели, так и двухтактные.

Двигатели, применяющиеся в качестве силовых установок машин безрельсового транспорта, до настоящего времени строятся преимущественно четырехтактными. Отсутствие широкого опыта в области создания быстроходных двухтактных транспортных двигателей, отставание их в отношении простоты конструкции и стоимости по сравнению с четырехтактными, необходимость преодоления значительных трудностей при их постройке и доводке является причиной недостаточного еще развития этих двигателей.

Область применения двухтактных двигателей в ближайшем будущем, несомненно, расширится. Наибольшие перспективы имеют двухтактные двигатели с внутренним смесеобразованием.

Для быстроходных судов различного назначения, тягачей, грузовых автомобилей большого тоннажа и других машин наземного транспорта требуются двигатели значительных удельных и общих мощностей, экономичные, обеспечивающие большой радиус действия. В данном случае (при установке поршневых двигателей) рационально применять двигатели с воспламенением от сжатия, отличающиеся наилучшей экономичностью. Там, где радиус действия не оказывает большого влияния, целесообразно работать также и над созданием двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и принудительным зажиганием.

В двигателях с внештшм смесеобразованием (карбюраторных) двухтактный процесс вызывает большие потери смеси через выпускные органы. Подобные двигатели имеет известный смысл строить с простым щелевым распределением для маломощных установок, когда простота конструкции и обслуживания являются более важными по сравнению с экономичностью (малолитражные автомобили, мотоциклы, лодки). В данном случае может быть создана удачная конструкция, если осуществить раздельный впуск воздуха и смеси. Однако это связано с необходимостью рационального решения вопроса о конструкции группы распределения.

Кривошипно-камерная продувка, применяемая в двухтактных двигателях с воспламенением от сжатия промышленного назначения или в карбюраторных двигателях мотоциклетного и лодочного типа, не является рациональной для транспортных двигателей с повышенной литровой мощностью.

Основные особенности двухтактных двигателей 173

Основные недостатки двигателей с кривошипно-камериой продувкой - низкий коэффициент подачи криво!иипной камеры, служащей продувочным насосом, изменение давления воздуха на впуске во время процессов очистки и наполнения, попадание в цилиндр смазочного масла через продувочные окна из кривошипной камеры.

Эти недостатки и обусловливают низкое качество процессов газообмена и сгорания, в результате чего получаются низкое значение среднего эффективного давления, повышенный расход топлива, смазочного масла и относительно быстрый износ двигателя

Сравнение четырехтактных и двухтактных быстроходных двигателей позволяет сделать следующие выводы.

Разница в литровых мощностях двигателей при одинаковых числах оборотов, условиях на впуске, индикаторных к. п. д. -fi,. и коэффициентах избытка воздуха а определяется числом тактов и средним индикаторным давлением р,.. Последнее в двухтактном двигателе обычно ниже, чем в четырехтактном вследствие наличия части хода поршня, занятой окнами На величину р, влияет также несколько худшая очистка цилиндра от продуктов сгорания, присущая большей части двухтактных двигателей. Можно считать, что при прочих равных условиях литровая мощность двухтактного двигателя на 50- 70% больше литровой мощности четырехтактного, что является основным преимуществом двухтактного двигателя, так как вследствие этого уменьшаются его габариты и вес.

Получение повышенной удельной мощности в двухтактном быстроходном двигателе связано с преодолением значительных трудностей, на которых следует остановиться.

Большую сложность представляет решение проблемы очистки и наполнения цилиндра на высоких числах оборотов при наличии переменного скоростного и нагрузочного режимов работы. Это касается, в первую очередь, двигателей наземного транспорта, характеризующихся широким диапазоном изменения чисел оборотов.

Данная задача может быть решена экспериментальным путем на опытных двигателях или на одноцилиндровых установках. При этом выбираются расположение и конструкция продувочных и выпускных органов и устанавливаются значения параметров процесса, соответствующие различным режимам работы двигателя.

В двигателе с V-образным расположением цилиндров, особенно с шатунным механизмом, имеющим прицепной шатун, законы движения которого не одинаковы с главным, рационально строить двухцилиндровый (V-образный) отсек.

Известную помощь могут оказать также опыты на специальных моделях, особенно, если размеры последних и параметры процессов, в пих протекающих, будут определяться с учетом законов газодинамического подобия.

Вторая трудность вопроса создания двухтактного двигателя повышенной мощности заключается в более высокой средней температуре процесса вследствие наличия рабочего хода при каждом обороте коленчатого вала. Это ведет к повышению тепловой напряженности поршня, стенок цилиндра и головки цилиндра, а также влияет на работу поршневых колец, в особенности первого (считая от камеры сгорания). Для двигателей повышенной литровой мощности необходимо применять специальные конструкции указанных узлов и особые меры для их интенсивного охлаждения. Особенно это касается поршневой группы двигателей с воспламенением от сжатия повыщенной мощности, где высокое давление сгорания способствует прорыву газов между поршнем и цилиндром, что ухудшает теплопередачу от поршня стенкам цилиндра. В результате указанных явлений температура корпуса поршня

И поршневых колец повышается, что приводит к прогару поршня, к потере упругости колец и их пригоранию.

На тепловую напряженность поршня известное влияние оказывает также неравномерное распространение пламени, вызывающее местные перегревы поршня, а в некоторых конструкциях и догорание в ходе расширения. Одностороннее воздействие давления газов способствует уменьшению подвижности колец в канавках поршней двухтактных двигателей, вследствие чего образуется нагар в канавке, и кольца прихватываются .

По мнению Т. М. Мелькумова, одной из основных причин пригорания колец в быстроходных двигателях с воспламенением от сжатия, наряду с влиянием высокого давления газов, является наличие в цилиндре свободного кислорода в течение относительно большого промежутка времени, что способствует процессу окисления масла, который может начаться уже в конце сжатия при высоких давлениях в цилиндре.

Конструирование поршневой группы двухтактных двигателей повышенной мощности является особо сложной проблемой, требующей для своего-решения специальных экспериментальных работ, которые целесообразно' проводить на одноцилиндровых установках. Одним из удачных решений вопроса следует признать применение чугунных или стальных поршней.

Длина поршня двухтактного двигателя определяется, в первую очередь,

величиной отношения ~ . При больших значениях этого отношения длина

поршня, а также и габариты цилиндра в направлении его оси могут получиться большими, чем у четырехтактного двигателя. Таким образом рационально применять конструкции с укороченным ходом поршня.

Заметим, что схемы с гильзовым распределением позволяют осуществить конструкцию с длиной порншя примерно на 20% меньшей хода поршня. Поршни с малой длиной могут быть осуществлены в двигателях с крейцкопфом и с ресивером продувочного воздуха в виде коробки, в которую опущен цилиндр.

К недостаткам двухтактных двигателей следует отнести более тяжелые по сравнению с четырехтактными двигателями условия работы шатунных и коренных вкладышей и подншпника поршневого пальца из-за плохого отвода тепла от трущихся поверхностей: при односторонней нагрузке уменьшается количество масла, прокачиваемого между поверхностями. Это заставляет увеличивать подачу и давление масла. Следует, однако, отметить более-благоприятный характер нагружения подшипников вследствие односторонней нагрузки, обусловливающей уменьншние опасности ударного воздействия.

Топливоподающая система двухтактных двигателей с воспламенением= от сжатия характеризуется тем что валик топливного насоса почти всегда вращается с числом оборотов, вдвое большим, че.м у четырехтактного двигателя. В результате этого получаются большие скорости и ускорения плунжера, что необходимо учитывать при ко[1струировании кулачка и передачи от кулачка к плунжеру насоса Увеличение давления впрыска заставляет обратить внимание на силовую схему насоса. Кроме этого, следует отметить большие, чем в случае четырехтактных двигателей (при той же мощности), возможности нарушения равномерности подачи на режимах малых чисел оборотов и нагрузок из-за малого количества подаваемого за цикл топлива.

В двухтактных двигателях с продувкой и наддувом габариты нагнетателей, как правило, больше, чем у нагнетателей четырехтактных двигателей вследствие иных условий протекания процессов очистки и наполнения, требующих большего избытка подаваемого воздуха.

Энергия выпускных газов недостаточна для привода турбонагнетателя при малых нагрузках двигателя: мощность турбины выпускных газов недо-

Основные Особенности двухтактных двигателей 175

статочна для подачи в цилиндр необходимого количества воз духа;, затрудняется пуск двигателя. Путем комбинирования турбонагнетателя с приводным (обычно в этих случаях первой ступенью служит турбокомпрессор, а второй- приводной центробежный нагнетатель) можно решить задачу применения турбонагнетател я.

Пониженная температура выпускных газов в двухтактных двигателях способствует повышению надежности работы деталей турбины, но в то же-время снижению ее мощности. Применение газотурбонагнетателя осложняется также затруднительностью пуска. Повышенное противодавление на выпуске вызывает ухудшение качества газообмена.

Вопрос применения турбонагнетателя без наличия приводного нагнетателя исследуется в последние годы. Уже созданы отдельные конструкции, в которых газотурбонагнетатель при пуске приводи гея в движе]п^е пусковым воздухом.

Выпускная и впускная системы влияют на качество процессов очистки и наполнения в большей степени в двухтактных двигателях, че.м в четырехтактных. В последних при наличии наддува и продувки камеры сгорания в период, соответствующий одновременно открытым впускным и выпускным органам, составляет 15-20% всего периода открытия распределительных органов, в двухтактных двигателях он равен 60-80%. Процесс продувки - наполнения осуществляется в основном продувочно-наддувочиым агрегатом. Выталкивающее и всасывающее действие поршня почти отсутствует. На протекание процесса в цилиндре значительное влияние оказывает вся цепь элементов, направляющих поток воздуха и газов (впускная система - впускные органы - цилиндр - выпускные органы - выпускная система). При некоторых условиях динамические явления в выпускной системе значительно меняют характер очистки и наполнения.

При малых значениях избытка продувочного воздуха выпускные клапаны двухтактных двигателей находятся в несколько более тяжелых тепловых условиях, чем выпускные клапаны четырехтактных двигателей. Уменьшить тепловую напряженность клапанов можно путем увеличения их числа и различными конструктивными изменениями (увеличение диаметра стержня, применение охлаждения, рациональная форма головки клапана и т. д.). В случае применения клапанно-щелевой схемы, особенно в быстроходных конструкциях, получаются большие ускорения и, следовательно, большие инерционные силы деталей привода.

Применение воздушного охлаждения цилиндров и головки в двухтактном двигателе встречает большие трудности, чем в двигателях четырехтактных.

Основные причины этих трудностей - большая тепловая напряженность указанных деталей, а также меньшая поверхность цилиндра, которая может быть оребрена вследствие наличия впускных и ввтускных аппаратов (окон в цилиндре, каналов в камерах и т. д.).

Конструирование блока в двухтактном двигателе осложняется из-за наличия впускных и выпускных каналов, В случае прямоточной клапанно-щелевой схемы конструкция блока получается несколько менее сложной и более надежной вследствие наличия только вплткных каналов.

Двухтактные двигатели характеризуются большей частью повышенным расходом смазочного масла по сравнению с четырехтактным. Вследствие повышенной подачи масла к трущимся парам двухтактного двигателя в цилиндр попадает относительно большое его количество, увлекаемое потоком продувочного воздуха через выпускные органы в выпускную систему. Расход масла в двухтактных транспортных двигателях в отдельных случаях, достигает 10-12 г/л. с. ч. При удачном решении вопросов конструкции масляной системы расход масла может быть снижен..

§ 2. ПРОТЕКАНИЕ ПРОЦЕССА В ЦИЛИНДРЕ

Наибольшую трудность для расчета представляет процесс газообмена в двухтактных двигателях, качество которого к тому же обычно (за исключением конструкции с противоположно движущимися поршнями) ниже качества процесса газообмена в четырехтактных двигателях Рассмотрим протекание процесса в цилиндре двухтактного двигателя и в смежных с ним системах.

На фиг. 90 дана схема цилиндра двухтактного двигателя, выпускной и продувочной камер и трубопроводов и характер изменения давления воздуха и газов в системе.

Подаваемый продувочным насосом воздух попадает в ресивер 1, откуда по подводящему трубопроводу 2 поступает в камеру 3 и далее через впускные (продувочные) органы в цилиндр 4 двигателя. Продукты сгорания, сначала в результате процесса свободного выпуска, а далее под влиянием продувочного воздуха, поступают через выпускные органы в выпускную систему: выпускную камеру 5, трубопровод 6 и выпускной ресивер 7. Некоторые из звеньев этой цепи могут отсутствовать. Так, например, нередко длина впускного трубопровода практически равна нулю.

Тепловые потери в двухтактных двигателях несколько меньше, чем в четырехтактных, так как время между процессами сгорания в двухтактном двигателе меньше, чем в четырехтактном, а цилиндры двухтактных двигателей охлаждаются продувочным воздухом.

Иа уменьшение тепловых потерь влияет также и более быстрый выпуск продуктов сгорания в двухтактных двигателях. Особенно незначительны тепловые потери в двухтактных двигателях с противоположно движущимися поршнями.

Как уже было отмечено, основным преимуществом двухтактных двигателей является большая литровая мощность по сравнению с четырехтактными, обусловливающая уменьшение габаритов и веса двигателя при условии удачно выбранных геометрических и конструктивных параметров.

К преимуществам двухтактных двигателей необходимо отнести также большую равномерность протекания диаграммы крутящих моментов по углу поворота кривошипа.

Шатуны и коленчатые валы двухтактных двигателей испытывают нагрузку с меньшими амплитудами, поэтому запас прочности при сохранении остальных условий получается большим.

Двигатели с щелевым распределением (с петлевой схемой) характеризуются простотой конструкции, отсутствием клапанов, а также удобством осуществления реверса.

Вследствие отмеченных преимуществ двухтактные двигатели широко, применяются в качестве судовых, тепловозных и других транспортных силовых установок. Вопрос о перспективах применения двухтактных двигателей в автомобильном транспорте является дискуссионным. До настоящего времени двухтактные автомобильные двигатели практически оказываются не только менее экономичными, но часто и более тяжелыми, чем четырехтактные Наличие продувочных и выпускных каналов в блоке цилиндров, нагнетателя с соответствующим приводом, а иногда и неправильный выбор конструктивных и геометрических параметров (в частности величин 8Ю] обусловливают увеличение габаритов и веса, а также усложнение конструкции двигателя.

Устранение этих и других отмеченных выше недостатков позволит шире применять двухтактные двигатели в автомобильном транспорте.

1 ... 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20