Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 15 16 17 [ 18 ] 19 20

С момента открытия выпускных органов происходит истечение продуктов сгорания из цилиндра в выпускную систему в условиях надкритической обла- сти до тех пор, пока давление в цилиндре не снизится до критического.

С падением давления ниже критического скорость истечения уменьшается более интенсивно, чем во время истечения в надкритической области.

В быстроходных двигателях в результате влияния ускоренных масс в^азов уменьшение скорости замедляется; давление же в цилиндре снижается быстрее и достигает более низких значений, чем при скоростях истечения, подчиняющихся законам установившегося движения.

В начале открытия продувочных органов воздух обычно в цилиндр не соступает, так как давление в цилиндре в этот момент, как правило.

Фиг. 90 Схема цилиндра и трубопровода двуктактного двигателя.

выше давления в ресивере. Выпуск продолжается вследствие разности давлений в цилиндре и выпускной системе и влияния ускоренных масс газов. Большая площадь открытия выпускных органов и интенсивное падение давления в цилиндре в начале открытия продувочных органов способствуют уменьшению заброса продуктов сгорания в ресивер. С некоторого момента воздух из ресивера начинает поступать в цилиндр, вытесняя продукты сгорания через выпускные органы в выпускной трубопровод. Воздух движет-ся в цилиндре по определенной траектории, зависящей от схемы продувки, конструкции и размеров продувочных органов, формы поршня, отношения давления в цилиндре и в смежных с ним системах.

В начале процесса происходит главным образом вытеснение и замещение Т1родуктов сгорания воздухом, вследствие чего в выпускную систему поступают продукты сгорания. По мере течения процесса воздух интенсивнее перемешивается с продуктами сгорания в цилиндре, и в выпускную систему попадает их смесь Воздух при движении внутри цилиндра обычно не захватывает некоторой части полости цилиндра. Для любой схемы газораспределения следует констатировать наличие застойных и вихревых мешков. Первые чаще образуются у головки цилиндра, вторые - над днищем поршня.

Применяющиеся в двухтактных двигателях схемы продувки могут быть разделены на петлевые (петлеобразные) и прямоточные.

Петлевые схемы (поперечные, эксцентричные и др.) характеризуются поворотом основного потока воздуха при его движении внутри цилиндра таким образом, что он образует.петлю. Во многих схемах петля образуется движением потока по контуру цилиндра, поэтому такие схемы называются иногда контурными. В петлевых схемах управление обеими системами органов распределения (продувочными и выпускными) производится поршнем.

Основное преимущество петлевых схем - сравнительная простота конструкции, отсутствие клапанов и привода к ним, удобство осуществления реверса.

Петлевые схемы характеризуются в большей мере, чем прямоточные наличием непродутых зон в цилиндре.

Рассмотрим характер потоков в обычной поперечной петлевой схеме в которой выпускные окна расположены против впускных, а оси окон (на поперечном разрезе цилиндра) параллельны (фиг. 91) Вид потока в цилиндре

в значительной степени зависит от величины открытия окон, формы днища поршня, а также от наклона окон к оси цилиндра.

В начале открытия впускных окон потоки поступающего в цилиндр воздуха поднимаются круто вверх, направляясь к головке по стенке цилиндра, на которой расположены продувочные окна. По мере движения поршня к н. м. т. поток воздуха отклоняется от стенки и направляется к противоположной стороне цилиндра. Сзади этого основного потока образуется вихревой поток (движущийся по часовой стрелке, если считать, что впускные окна расположены справа, как показано на фиг. 91). Не являясь устойчивым, основной поток при дальнейшем движении поршня изменяет направление в сторону выпускных окон; когда поршень достигает н. м. т., образуется почти плоский поток, т. е. перетекание воздуха от впускных окон к выпускным происходит по наиболее короткому пути. При движении поршня вверх основным1 потоком остается этот последний, имеющий форму дуги, степень выгнутости которой меняется; под. потоком происходит вращательное движение газов. Если поступление воздуха в цилиндр начинается лишь после того, как поршень открыл окна на значительную величину (30-40% от длины), струя ие поднимается вдоль стенки цилиндра, а сразу же устремляется вкось и далее очень быстро отклоняется к поршню, образуя плоский поток в первой же стадии процесса наполнения - продувки. Угол подъема потока сравнительно мало зависит от того, под каким углом расположены впускные окна. Угол наклона влияет главным образом на степень выгнутости потока, под которым образуется вращающийся, вихрь.

Качество процесса можно улучшить, применяя поршни с козырьками (выступами). Недостатком этой конструкции является тепловая напряженность выступа поршня и неблагоприятная (в отношении смесеобразования) форма камеры сгорания.

Экспериментальные работы по определению наиболее рационального расположения продувочных окон показали, что соответствующее их расположение (эксцентричное или видоизмененное эксцентричное) позволяет значительно улучшить качество процессов очистки, наполнения и смесеобразования при петлевой схеме.

Наилучшее качество указанных процессов получается при прямоточных, схемах. В этом случае обычно воздух (смесь) входит с одного конца цилиндра а продукты сгорания выходят с другого.

Фиг. 91. Цилиндр двухтактного двигателя с петлевой поперечной схемой продувки.

Протекание процесса в цилиндре 179

Прямоточные схемы характеризуются таким направлением движения главного потока воздуха в цилиндре, при котором в отличие от петлевых схем поток пересекает в одном направлении (в одной зоне) любую плоскость, перпендикулярную к оси цилиндра. При этом поток воздуха почти не вклинивается между потокадми продуктов сгорания и лишь в малой степени размывает их и смешивается с ними. В результате этого получаются относительно небольшие непродутые области и вихревые мен!ки.

Прямоточные схемы большей частью отличаются тангенциальным расположением продувочных окон, вызывающим спиральное движение воздуха, что способствуют улучшению процесса очистки и смесеобразования. За исключением отдельных случаев, прямоточные схемы характеризуются несимметричиой диаграммой распределения, связанной в той или иной степени с раз делением процессов очистки и зарядки.

Прямоточные схемы, в отличие от петлевых, требуют более сложной передачи, что, однако, не снижает их значения для быстроходных двигателей.

Как в двухтактных двигателях, так и в четырехтактных в начале открытия выпускных органов возникают внезапные изменения давления, вызывающие колебательные процессы.

В двухтактных двигателях эти процессы имеют следующий характер.

Процесс течения газов, устремляющихся в выпускную систему, связан с интенсивным падением давления (позади их движущейся массы) в цилиндре. Несколько позже начала открытия впускных органов давле1П1е в цилиндре повышается, а затем опять может несколько понизиться. Дальнейшие волны имеют меньшие амплитуды, иногда же почти совсем исчезают.

Одновременно в цилиндре возникают колебания иного характера: местное изменение давления около выпускных органов при их открытии распространяется по длине цилиндра со скоростью, близкой к скорости звука. В результате этого образуются волны давления, отражающиеся попереме1шо от головки цилиндра и поршня. Эти волны влияют на величину давлений в цилиндре лишь в отдельных конструкциях, характеризующихся большой величиной SID. Влияние открытия впускных органов в этом отношении менее значительно.

Вследствие импульса втекающих в камеру выпускных газов в начале выпуска давление в камере в области, с.М1Жной с выпускными органами цилиндра, повышается. Повьнненное дар,ле:-!ие передается по длине выпускного трубопровода в виде волпы давления, движущейся со скоростью, кото-зую при малых величинах давления можно считать равной скорости звука. 1о достижении крайнего сечения (Г/ фиг 90), граничащего с выпускным ресивером, атмосферой и т. д., волна отражается. При отражении меняется знак и уменьшается величина амплитуды давления. Отраженная волна дви-жется непрерывно со скоростью зв\ка в обратном направлении (к цилиндру), и ее амплитуды суммируются с амплитудами волны, движущейся от цилиндра. При достижении отраженной волной сечения ВВ, граничащего с камерой (от которой началось движение первоначальной волны), волна вновь отражается от сечения ВВ. В камеру же проходит часть волны (ймплитуды). влияя на величину давления в камере и далее в цилиндре. Аналогичные блуждающие волны возникают и в подводящей системе; отражение водн происходит от сечений АА и ББ.

С уменьшением объема ка.меры возрастает влияние ускоренного столба выпускных газов на процесс в цилиндре. Если камера имеет большой объем и плавно переходит в трубопровод, то повышение давлений при втекании

Отражение волны происходит и от других сечений, в частности, от сечений выпускных н впускных органов.

Продуктов сгорания относительно невелико, в особенности, если сечение выпускного трубопровода значительно.

Следовательно, состояние в цилиндре и смежных системах при процессах очистки и наполнения изменяется в основном в результате течения газов через переменные по времени сечения органов распределения при воздействии ускоренных масс газов и при распространении блуждающих волн в смежных с цилиндром системах и в самом цилиндре.

Аналогичные динамические процессы возникают и при очистке и наполнении четырехтактных двигателей. На протекание процесса в смежных системах в этом случае оказывает значительное влияние движение поршня. Однако при этом выпускная система влияет значительно менее, чем в двухтактных двигателях даже при наличии больших перекрытий впускных и выпускных органов.

§ 3. СХЕМЫ ОРГАНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Петлевые схемы продувки

В наиболее старых типах двухтактных двигателей, а также в некоторых из современных применяется поперечная петлевая схема, характеризующаяся параллельным расположением впускных и выпускных окон (фиг. 92, схема /). В качестве примеров можно указать двигатели заводов Коммунист и Вортингтон.

Направление продувочных окон в плане в отдельных случаях вьшолняется тангенциальным (фиг. 92, схема 2).

Экспериментальные работы в области определения наиболее рационального расположения окон, проведенные на моделях и двигателях, показали, что соответствующее расположение окон позволяет значительно улучшить качество протеса очистки и смесеобразования. В частности, можно указать конструкцию завода 3. Нобеля (ныне Русский дизель ), в которой было применено эксцентричное расположение продувочных окон, обеспечивающее хорошее качество процесса очистки - наполнения цилиндра.

Протекание процесса в рассматриваемом случае можно представить себе приблизительно так. Поступающие через продувочные окна в цилиндр струи воздуха движутся к центру цилиндра и, встретившись на некотором расстоянии от поршня, вследствие наличия наклона окон к оси цилиндра протекают к головке цилиндра и далее, описывая петлю и очищая периферию, выходят в выпускные окна. По мере движения поршня к н. м. т. при определенной величине открытия окон имевшееся между потоками воздуха равновесие нарушается; к головке продолжает двигаться по прежней траектории только часть воздушных потоков, которая способствует вытеснению и перемещению продуктов сгорания, остальные отклоняются к днищу поршня, частично перемеипгваясь, частично вытесняя продукты сгорания. Последние выходят в выпускные окна, в результате чего в той или иной степени очищается средняя зона цилиндра. Подобное течение процесса наблюдается и при движении поршня к в. м. т.

На схеме 3 (фиг. 92) показано подобное расположение окон для двигателя небольшой мощности.

На схемах 4 и 5 приведены другие виды эксцентричного расположения окон: системы Шнюрле и Крупна, показавшие также хорошие результаты в отношении очистки и наполнения цилиндра. В случае схемы 4 потоки воздуха в цилиндре, встречаясь один с другим и со стенкой цилиндра, движутся вдоль стенки и далее описывают петлю, как в схеме 3.

Известное улучшение очистки и наполнения цилиндра может быть получено в результате введения дополнительных выпускных и продувочных

окон при значительном усложнении канализации выпускных газов. Для удаления вихрей, образующихся вдоль стенок цилиндра над продувочными окнами и под головкой цилиндра, непосредственно над продувочными окнами в одной из конструкции двигателей Крупп сделаны небольшие добавочные окна (схема 6). В этом случае вихри оказались выведенными в выпускную систему, а в цилиндре получен поток продувочного воздуха, омывающий верхнюю часть цилиндра. Кроме того, два небольших дополнительных продувочных окна служат для очистки пространства над днищем поршня.

Односторонняя петлевая схема, в которой впускные и выпускные окна расположены на одной стороне цилиндра, применялась заводами Красное Сормово , MAN и др. (фиг. 92, схемы 7 и 5) в двигателях простого и двойного действия.

В конструкции по схеме 9 выпускные каналы перекрываются золотниками до закрытия продувочных окон, что связано с наличием фазы дополнительной зарядки. Эта мера позволяет повысить среднее эффективное давление. Главный недостаток этой схемы - наличие золотников, омываемых выпускными газами, в результате чего получается перегрев золотников и уменьшается надежность работы. Это особенно относится к двигателям транспортных машин повышенной мощности. Двигатели с данной схемой могут быть выполнены и как двигатели простого действия. В частности, в настоящее время находятся в эксплуатации судовые двигатели Зульцер, имеющие такую схему.

Фонтанная продувка (схема 10) особого пояснения не требует. В отношении величины время-сечения и, следовательно, потерянного хода она имеет преимущества перед предыдущей схемой продувки. Данная схема применялась в легких двигателях автомобильного типа.

На схеме показана усложненная петлевая продувка. Продувочный воздух подается через два ряда окон, расположенных на поверхности рабочего цилиндра против выпускных окон. Верхний ряд окон управляется специальными устройствами: автоматическими клапанами или золотниками. Открытие этих устройств происходит несколько позже начала открытия нижних продувочных окон. Клапаны закрываются после того, как поршень закроет верхние продувочные окна, что указывает на наличие фазы дозарядки.

Схема 12 отличается от предыдущей лишь тем, что автоматические клапаны управляют открытием двух рядов окон. Оба ряда продувочных окон могут быть соединены в один, как это выполнено в двигателях стцрых конструкций завода Русский дизель .

Прямоточные схемы продувки

Прямоточные схемы могут быть разделены на с едующие основные группы:

а) клапанно-щелевые;

б) с двумя поршнями в одном цилиндре;

в) золотниковые;

г) с цилиндрами, расположенными параллельно (или под углом) и общей камерой сгорания.

Клапанно-щелевая схема, в которой выпуск продуктов сгорания осуществляется через окна, а воздух или смесь подается через расположенные в крышке цилиндра клапаны, как уже отмечалось ранее, интереса не представляет вследствие крупных недостатков, присущих этой схеме. Из клапанно-щелевых схем единственной актуальной следует признать схему с выпуском продуктов сгорания через клапаны в крышке цилиндра и впуском воздуха через окна (фиг. 92, схемы 13 и 14).

Сечение по ДД

Фиг. 92. Основные схемы газорэспреде

ZzzL

ODD oh

У7±

ОООЙп

геения двухтактных двигателей.

Идея подобной схемы была предложена впервые русскими инженерами в 1906-1907 гг. Данная схема характеризуется сравнительно хорошими условиями работы поршня, омываемого воздухом при процессе продувки, и выгодно отличается этим от других прямоточных схем, в частности, от предыдущей, а также и от петлевых схем. Данная схема имеет также ряд других преимуществ. В частности, кривые изменения площадей открытия впускных и выпускных органов по углу поворота кривошипа протекают благоприятно: в конце процесса наполнения имеется значительная избыточная площадь кривой открытия впускных органов по сравнению с площадью кривой открытия Бьшускных, характеризующая в большой, степени зарядку цилиндра.

Охлаждение головки цилиндра с размещенными в ней выпускными клапанами можно выполнить проще, чем охлаждение перемычек выпускных окон в обращенной схеме. Выпускные окна можно выполнять с тангенциальным расположением в поперечной плоскости, вследствие чего обеспечивается вращательное движение воздуха,-необходимое для очистки цилиндра! и смесеобразования.

В числе построенных и эксплуатируемых двигателей, имеющих рассматриваемую схему, следует упомянуть двигатели Дженерал-Моторс, Зюдверке (Крупп), Коломенского завода и Ярославского автомобильного завода.

Основным недостатком схемы, кроме наличия напояженных головкгй цилиндра, выпускных клапанов и деталей передачи, следует считать трудность обеспече1шя необходимой величины время-сечения выпуска без повышения напряженности клапанных пружин, о одна из главных причин ограничения возможности форсирования двигателей с клапанно-щелевой схемой по оборотам. Было бы неверно, однако, считать данную схему нерациональной, основывая это отдельными неудачами ее применения для двигателей с высоким числом оборотов.

Схема 15 (фиг. 92) газораспределения двигателей с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре, из которых один управляет впуском, а другой выпуском, отличается высоким качеством процессов очистки - наполнения и смесеобразования. Высокое качество этих процессов является следствием расположения продувочных и выпускных око№ по концам цилиндра и формы впускных органов, обеспечивающей организацию спирального движения потоков воздуха в цилиндре. При этом время-сечения впуска и выпуска осуществляются достаточными. Кроме того, для улучшения очистки и наполнения используются динамические явления при движении газов. Схема позволяет осуществить несимметричную диаграмму распределения, связанную с возможностью получения фазы дозарядки. С этой целью кривошипы поршней (расположенных в одном цилиндре) смещаются на угол, превышающий 180° на 10-15°.

К преимуществу двигателей с данной схемой следует отнести также возможность получения большой монцности при умеренных габаритах. Кроме того, эти двигатели характеризуются отсутствием клапанов и головок цилиндров и уменьшенной теплоотдачей в воду и масло. Наконец, следует отметить наличие большого опыта по построению двигателей данной конструкции, в том числе повышенной мощности и быстроходности.

В этих двигателях еще не использованы возможности уменьшения отношения S/D (до определенного предела, близкого, по-видимому, к единице).

К основным недостаткам данной схемы относится сложность создания; надежной конструкции поршня (находящегося в тяжелых условиях), управляющего выпуском, а также простой и надежной конструкции остова и дета-

лей крепления. Двигатели с рассматриваемой схемой применяются в про-мьпнлеиных и транспортных установках.

Золотниковое распределение в четырехтактных двигателях применяется очень давно. Двухтактных двигателей внутреннего сгорания с золотниковым распределением известно немного, хотя они имеют то преимущесгво перед четырехтактными, что один возвратно-поступательно движущийся золотник может обеспечить процессы очистки и наполнения.

Большого внимания заслуживает схема с гильзовым распределением. Гильза получает движение от кривошипно-шатунного механизма или кулачковой ншйбы. При этом окна целесообразно располагать, как в двигателях со встречно движущимися поршнями, т. е. по обоим концам цилиндра. Выпускные окна целесообразно открывать и закрывать при помощи только-золотников, впускные окна - золотником и кромкой поршня. Одна из возможных схем показана на фиг. 92 (схема 16).

Поршень в этих конструкциях управляет только впуском, что необходимо отнести к преимуществам схемы. Кроме сложности конструкции, трудности обеспечения надежной смазки и охлаждения золотниковых устройств, необходимо отметить как недостаток почти полное отсутствие опыта работы с подобными двигателями.

Двигатели с поршневыми (золотниковыми) клапанами (схема 17), используемыми обычно в качестве выпускных органов, имеют много общего в отношении протекания процессов наполнения - очистки с двигателями с двумя поршнями в цилиндре. В рассматриваемой схеме продувочный воздух поступает через окна, расположенные по всей окружности цилиндра. Выпускные окна, расположенные в верхней части цилиндра, имеющей меньший диаметр, управляются поршневым клапаном. Привод клапана чаще всего осуществляется от коленчатого вала посредством дополнительного кривошипа или эксцентриков. Данная конструкция так же, как и предыдущие, позволяет осуществить дозарядку.

При наличии тангенциального наклона окон поступающий в цилиндр воздух отбрасывается центробежной силой к стенкам цилиндра. В результате этого образуется воздушный конус с основанием, обращенным в сторону камеры сгорания. Внутри этого конуса находятся более легкие продукты сгорания, вытесняемые через выпускные органы. Вследствие сужения цилиндра к головке поток воздуха замедляет движение, основание конуса уменьшается, что содействует лучшей очистке, а также и лучшему наполнению. При больших числах оборотов вала в результате увеличения торможения потока создается опасность ухудшения процессов очистки и наполнения.

Применение рассматриваемой схемы может дать хорошие результаты для транспортных, в частности, для автотракторных двигателей, которые должны развивать большой крутящий момент на пониженных числах оборотов.

Схема с двумя параллельными цилиндрами и общей камерой сгорания (схема 18) характеризуется наличием продувочных окон, размещенных по окружности одного из пары цилиндров, выпуск происходит через окна, расположенные по окружности другого цилиндра. Для получения фазы дополнительной зарядки кинематические соотношения подбираются так, чтобы продувочный поршень, как и в двигателе с противоположно расположенными поршнями, запаздывал в своем движении относительно выпускного. Качество процесса при этой схеме уступает качеству процесса предыдущих схем вследствие потерь в сечении между цилиндрами, а также вследствие изменения направления движения воздуха.

Кроме перечисленных схем, имеются и другие, представляющие собой в большинстве случаев видоизменения или сочетания предыдущих.

dw dw 1 др

Ш ~ г

др , до , dw г.

(217)

я-де . р - давление; р - плотность; W - скорость газа;

X - координата, характеризующая положение движущейся частицы газа;

п - показатель политропы; t - время

Уравнения использованы рядом исследователей при установлении зависимостей, касающихся процессов в цилиндре, выпускной и подводящей системах

Наиболее актуальным (и в то же время сложным) является установление влияния ускоренных масс газа при процессе выпуска в двухтактных двигателях.

Уравнение движения можно переписать в следующем виде:

dw , , dw , i dp J

w -r-ax -i- ax =---f- ax.

dx df p dx

Интегрируя вдоль линии тока и считая не зависящим от коорди--наты X, получаем

VD , ,dw J /0 10\

- 1- = - vdp, (2]8)

*де / - в простейшем случае длина трубопровода;

V - удельный объем;

W - относится к крайнему сечению, например, сечению Г Г или ББ иа фиг. 90:

Р] - р1 - перепад давлений между соответствующими сечениями (цилиндр - выпускная система или подводящая система - цилиндр).

Использование уравнения (218) для построения расчетных формул пред--ставляет большие трудности.

Обычно расчет основных фаз процесса, связанный с определением раз-;меров проходных сечений органов распределения, проводится по уравнениям установившегося движения.

Как известно, аналитически это выражается в том, что производные от скорости и давления по времени равны нулю.

Таким образом, уравнение (218) принимает вид

vdp.

§ 4 ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ГАЗООБМЕНА

Решение задачи о расчете процессов газообмена быстроходного двигателя (в особенности двухтактного) в общем виде представляет огромные трудности. В этом случае следуе! обращаться к дифференциальным уравнениям движения, уравнениям неразрывности и состояния:

1 ... 15 16 17 [ 18 ] 19 20