Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 ... 20

Например, при многоструйных форсунках смесь между факелами беднее, чем по их осям. Количество топлива, вводимого за цикл, ограничено условиями полного сгорания даже в той части объема камеры сгорания, в которой его концентрация наиболее высока. Поэтому минимально допустимый средний за цикл коэффициент избытка воздуха больше, чем при равномерном перемешивании компонентов смеси. Камера данного типа характеризуется сравнительно умеренными значениями достижимых величин среднего индикаторного и эффективного давлений.

При отсутствии интенсивных вихревых движений заряда во время процессов сжатия, сгорания и расширения и относительно компактной форме камеры, характеризующейся пониженным отношением ее поверхности к объему, создаются условия, при которых теплоотдача невелика. Это положение, а также быстрое сгорание топлива при достаточном избытке воздуха опреде-

Фиг. 237. Неразделенная камера сегментной формы. Фиг. 238. Неразделенная камера.

ляют условия протекания рабочего процесса с высоким индикатррным к. п. д. Двигатели с этим методом смесеобразования дают высокую экономичность.

При изменении скоростного режима двигателя меняются давление впрыска, качество распыливания, длина факелов топлива и период задержки воспламенения. Все это приводит к тому, что согласованность всех факторов, определяющих смесеобразование и сгорание, нарушается с изменением скоростного режима двигателя. Это особенно влияет при работе с высокими нагрузками, вследствие чего качественные показатели протекания рабочего процесса, высокие при оптимальном скоростном режиме, ухудшаются при изменении режима. Двигатель становится чувствительным к изменению скоростного режима.

При вспьннке топлива, связанной со значительным повышением давления в полости, непосредственно замыкаемой поверхностью днища поршня, максимальное давление сгорания передается последнему. Кривошипный механизм двигателя подвергается воздействию высоких и быстро нарастающих нагрузок. Механическая напряженность работы двигателя получается высокой. Компактность камеры сгорания, работа без искусственно вызываемых вихревых движений заряда связаны с малой теплоотдачей в стенки во время сжатия и создают условия, благоприятные для получения первых вспышек при пуске холодного двигателя. Поэтому двигатели с камерами рассматриваемого типа обладают повышенными пусковыми качествами.

Камеры рассматриваемого типа, однако, не удовлетворяют требованиям транспортного двигателя, поэтому в автотракторных двигателях такие камеры

встречаются сравнительно редко. Они широко используются в судовых и стационарных двигателях, где высокие нагрузки получаются только при одном скоростном режиме, а экономичность имеет доминирующее значение.

Вихревые потоки, создающиеся при вытеснении части заряда из зазора между поршнем и головкой, используются при камере, расположенной в поршне или головке. При расположении камеры в поршне уменьшается

теплоотдача в стенки при сгорании.

Скорость и энергию воздуха, вытесняемого из зазора между днищем поршня и головкой, можно приближенно подсчитать в предположении, что температура и давление в каждый данный момент неизменны по объему всего заряда и, следовательно, удельный вес последнего также постоянен по объему.

Вес заряда в объеме зазора (объем полого цилиндра с диаметрами D и d высотой Sq + по фиг. 239)

G = G

где - полный вес заряда цилиндра;

Vx - объем зазора в произвольный момент времени по ходу поршня; - полный объем цилиндра в тот же момент.

Дифференцирование этого выражения дает

dG .= G,

Вместе с тем dG ~wf,ixdt = -wf,

dt,

где w - скорость вытекания заряда из зазора;

в lopZ:r h = (S + SJ - сечение, через которое

вытекает заряд.

Знак минус учитывает, что при положительном значении скорости вес заряда в зазоре уменьшается.

Сопоставление двух выражений для dGj дает возможность определить скорость

W = -

dV, ~dt

(312)

Для подсчетов выражение (312) целесообразно преобразовать, используя обозначения фиг. 239:

v.=Vc + PSx==vJ

f (?)

где

ную величину хода поршня.

1 - cos о -- -JT sin ср

- функция, определяющая огноситель-

Поэтому

1/3 , = (D2 - d) (5о + 5J = 1 (1 - а^) 5 (4-ч-) =

где а = --относительная величина диаметра горловины камеры;

X = - относительная величина зазора между днищем поршня и

головкой в в. м. т. После дифференцирования выражений для объемов Vj и Vj полу-

чается:

где (ср) = sin ср -f -g-sin 2ср - функция, определяющая зависимость относительной скорости поршня от угла поворота кривошипа. Проходное сечение зазора

4а

/з = Ы,{8о + SJ = a-KDS [X + /(?)] =-Уп[Х + П9Я

После подстановки последних выражений в выражение (312) получается

(1 - а2) D ,

а^) D 240а

(313)

где

У = с},(ср)

1 н-М.)

Кинетическая энергия вытекания заряда определяется из выражения

dE = ~dG. .

Подставив в это выражение'-величины dG и w, определенные выше, получим

-f/(?)

(1-Q) 2562

тп ГТТТ ~~ 256i

(314)

+ /(<f)

где

dep.

Величины Y и Z для данного двигателя являются функциями угла поворота кривошипа и зависят от конструктивных параметров двигателя через степень сжатия е, относительную величину зазора х отношение длины

кривошипа к длине шатуна

входящую в функции f (<f) и ф(9).

Численные значения функций 2/(ср) и (jj(cp) приводятся в таблицах руководств по кинематике кривошипного механизма для подсчета пути и скорости поршня.

360 у?

Фиг. 240. Изменение величины Y по углу поворота кривошипа за ход сжатия.

Фиг. 241. Изменение величин Z углу поворота кривошипа за ход сжатия.

На фиг. 240 и 241 приведены графики величин У и 7 и производной

по углу поворота кривошипа за ход сжатия, подсчитанные для е = 16, X = V4 н двух значений относительного зазора х-

Как видно, уменьшение относительного зазора поршня связано с увеличением скоростей и энергии смесеобразования. По этим графикам, например, легко подсчитать, что для двигателя с размерами D~ 120 и 5= 140 мм,

Г 15

зазором между поршнем и головкой в\,Ъмм X ~ щ 0,0107

сжатия е= 16, > и отношением а=- =0,33 максимальная

как результат вытеснения заряда при п = 2000 об/мин составляет

степенью

(1 -(10,332)-0,12-209,5 со . /

а энергия смесеобразования на единицу веса заряда Е (1 - у (o2D2 0,8913.209,52, о, 122

256-9,81.0,332

35 = 57,2 кгм/кг.

Формулы (313) и (314) показывают, что скорость вытеснения заряда и его энергия возрастают с увеличением числа оборотов, что соответствует условиям работы двигателей, имеющих переменный скоростной режим. Благоприятным является также то, что турбулизация создается к концу хода сжатия.

Улучшить смесеобразование и ослабить его зависимость от скоростного режима можно также упорядочением турбулизации потока, создающейся во время впуска.

Воздуху, поступающему в цилиндр, придают направленное движение, скорость которого имеет тангенциальную слагающую относительно цилиндра, вследствие чего заряд к концу заполнения цилиндра приобретает круговое движение, сохраняющееся до конца сжатия и содействующее смесеобразованию. В четырехтактных двигателях для этого применяются так называемые экранированные впускные клапаны, снабженные козырьком (ширмой), охватывающим угол, равный примерно 120-180° окружности клапана, и перекрывающим часть входного сечения для поступающего воздуха (фиг. 242). В случае экранирования впускного клапана улучшается смесеобразование, но ухудшаются условия наполнения цилиндра, так как экран уменьшает проходное сечение для поступающего воздуха. Поэтому экранирование клапанов целесообразно в том случае, когда улучшение смесеобразования дает положительный эффект, больший, чем вредное влияние увеличения сопротивления впуска из-за установки экрана.

Фиг. 242. Экранированный Фиг. 243. Образование кру-кланан. гового движения заряда

в двухтактных двигателях.

Фиг. 244. Камера с двойны.\{ вихреобразованисм, расположенная в поргпне.

В двухтактных двигателях круговое движение воздуха создается во время продувки путем придания продувочным окнам тангенциального наклона (фиг. 243). В этом случае в результате роста давления продувочного воздуха угловая скорость кругового движения также возрастает с увеличением числа оборотов коленчатого вала, при этом зависимость качества смесеобразования от скоростного режима двигателя уменьшается.

При данном методе улучшения смесеобразования моменты создания вихревых дБИженкй (процесс впуска) и использования их (конец сжатия и начало расширения) разделены по времени почти всем процессом сжатия, что связано с неизбежным затуханием турбулентности и скорости вращения заряда и некоторой потерей энергии, затраченной на создание вихревых движений.

Оптимальные результаты получаются на каждом скоростном режиме двигателя при определенном значении угловой скорости движения заряда. Эта угловая скорость примерно соответствует условию равенства углового расстояния между двумя соседними факелами топлива угловому перемещению заряда воздуха за период впрыска при полной нагрузке.

Для улучшения распределения топлива в осевых плоскостях камеры сгорания часто дополнительно используют вытесняющее действие поршня. Так, камера, изображенная на фиг. 244, имеет форму тела вращения, образованного окружностью. Форсунка дает четыре факела, распределенные равномерно в одной плоскости. Экранирование обоих впускных клапанов вызывает круговое движение заряда, а вытеснение воздуха-из зазора между поршнем и днищем вызывает круговое движение в осевой плоскости цилиндра, складывающееся с первым.

При наличии закономерных движений заряда улучшается смесеобразование, возможна работа с низкими значениями коэффициента избытка воздуха без видимого ухудшения качества протекания процессов. Это позволяет получать высокие значения среднего эффективного давления. Некоторое усложнение формы камеры сгорания, увеличивающее отношение поверхности к объему, а также наличие вихревых движений заряда приводит к усилению теплоотдачи в стенки и незначительному ухудшению экономичности процесса. Отмеченная выше зависимость скорости кругового движения от числа оборотов вала двигателя делает процесс двигателя малочувствительным к изменению скоростного режима. При наличии закономерного движения воздуха к моменту впрыска топлива улучшаются условия теплообмена между зарядом и топливом, что сокращает период задержки воспламенения, смягчает работу двигателя и снижает механическую напряженность работы кривошипно-шатунного механизма. Несмотря на увеличение теплоотдачи от заряда цилиндра к стенкам, условия получения первых вспышек при пуске остаются достаточгю благоприятными.

Таким образом, неразделенная камера при искусственном создании или упорядочении турбулентного потока заряда может обеспечить качество смесеобразования, мало зависящее от изменения скоростного режима. Это определяет широкое использование таких камер в автомобильных и тракторных двигателях.

Разделенные камеры

В разделенных камерах движение заряда создается во время основных процессов цикла (сжатия, сгорания и расширения). Турбулизация заряда связана с затратой энергии на создание скорости и эта затрата только частично возмещается в виде работы цикла; вихреобразование при раздельных камерах вызывает понижение экономичности двигателя.

Повышение интенсивности турбулентности целесообразно до тех пор, пока повышение эффективности процесса за счет вихрей оправдывает понижение экономичности из-за затраты энергии на вихреобразование и увеличение теплоотдачи стенкам.

Разделенные камеры можно разбить на две группы:

1-. Турбулентный поток в камере, используемый для смесеобразования, имеет организованный, заранее определенный характер. При этом скорость перетекания газа из одной полости в другую может быть умеренной и вызываться небольшими перепадами давления между полостями. Такое смесеобразование называется вихрекамерным.

2. Турбулентный поток в камере имеет неорганизованный характер, скорость перетекания имеет большое значение и между полостями создается значительный перепад давления. Такое смесеобразование называют пред-камерным.

При двух сообщающихся полостях усложняются термодинамические процессы двигателя. Рабочий цикл можно рассчитывать на основе элементарной теории процессов двигателя (гл. V) только в первом приближении, при этом, чем силь[1ее вихреобразование, тем менее обосновано применение Основных уравнений теории рабочего процесса.

Вихрекамерное смесеобразование. При данном методе смесеобразования, как указано было выше, скорости перетекания заряда из одной полости в другую невелики, в связи с этим перепад давления между полостями, особенно при ходе сжатия, мал. Экспери.менты показали, что во время хода сжатия перепад давления не превышает 1 кг/см; при анализе процесса сжатия этим перепадом давления можно пренебречь и считать, что, несмотря на разделение камеры на две полости и наличие соединительного

канала, весь заряд цилиндра в каждый данный момент находится под одинаковым давлением. Если принять, что и температура в обеих полостях в каждый данный момент одинакова и, следовательно, одинаковы удельные веса, то можно приближенно определить скорости протекания газов из одной полости в другую во время хода сжатия и найти угловую скорость движения заряда в камере.

Схема двигателя с вихревой камерой сгорания изображена на фиг. 245. Камера имеет форму тела вращения, причем соединительный канал, наименьшее сечение которого /, а коэффициент истечения н-, имеет направление, тангенциальное в камере. Форма камеры и направление соединительного канала обеспечивают получение закономерного вращательного движения к концу сжатия. Расстояние оси соединительного канала от оси камеры Tj.

Угловую скорость кругового движения газа в камере о) определяют из условия равенства момента количества движения М газа, заключенного в камере, интегралу момента количества движения газа, поступающего в камеру за интервал времени от начала сжатия до данного момента:

М

= J RiW dm = Ri wdm.

(315)

где w - скорость газа, поступающего в камеру;

dm - масса газа, поступающего в камеру за бесконечно малый угол поворота кривошипа dep.

Скорость воздуха в соединительном канале при том же допущении определяется из условия, что из объема воздуха Fc opdt, вытесняемого поршнем, в камеру попадает его доля, соответствующая отношению объема камеры к суммарному объему цилиндра Vj в данный момент. Вместе с тем объем газа, поступающего в камеру, равен lifwdt.

Поэтому

W = -77-7- .

Фиг 245. Схе.ма двигателя с вихревой камерой.

(316)

Масса элементарного количества газа, поступающего в камеру 3:1 бесконечно малый интервал времени.

dm = nfw -dt = Fcop dt.

(317)

гдс^ - удельный вес газа в данный момент; g - ускорение силы тяжести; - суммарный объем заряда в начале сжатия (н. м. т.); Тй - удельный вес заряда в этот момент. На основании отношений (315), (316) и (317)

M = R

Р Спорок fCnopVfcVaKa

t.(318)

Если принять, что круговое движение газа в камере совершается с угловой скоростью (й^. так, что скорость газа в цилиндрическом слое, лежа-

щем на расстоянии z от оси вращения, равна ш^г, то момент количества движения (фиг. 246)

М

= 1 zwdm,= J

т

Интеграл гМУ^ представляет собой момент инерции объема камеры. Если обозначить через R2 радиус инерции объема камеры, то

(319)

Для камеры шаровой формы R2 - 0,633 /?, для камеры цилиндрической формы R9, = 0J07Rj, где R - радиус максимального сечения камеры, перпендикулярного к оси вращения газа. Приравнивая выражения (318) и (319), получаем

(320)

Скорость поршня

Фиг. 246. Схема движения заряда в камере.

где для сокращения обозначено

(jj (ср) = sin ср -f- sin2cp.

Суммарный объем

где

/(9) = = - - coscp + -sincp

Таким образом, имея п виду, что dt = FS = Vf и обозначая долю-

суммарного объема пространства сжатия, приходящуюся па камеру, через 9,. так, чтс:

получаем

rI 4/(в 1)

4- / (ср)

dep. (321)

Отношение G скорости вращения -заряда в камере к скорости вращения вала двигателя w называется вихревым отношением. Для смесеобразования в вихревой камере используется круговое движение воздуха, создающееся во время хода сжатия, поэтому нижний предел интегрирования = тс.

Интеграл

можно определить -графически. Для

этого строят подинтегральную функцию, используя табличные значения {о) и 2/ (ср), и планиметрируют ее интегральную площадь в намеченных пределах.

Мерой турбулентности, используемой для смесеобразования, может служить вихревое отношение в конце хода сжатия й^, которое определяется при подстановке в интеграл, входящий в выражение (321), верхнего предела интегрирования ср. = 2ж. При этом сомножитель

Таким образом.

Rl V(B-1)2

[Ф Ш

dep.

(322)

Как показали эксперименты, оптимальные условия работы двигателя с вихревой камерой получаются при й = 34--40. Таким образом, если задаться долей объема камеры О при известных конструктивных формах камеры и соединительного канала, определяющих значения Ri и R, при заданном значении Н- (iJ- = 0,7 -f- 0,8), может быть определена величина проходного сечения канала *

Rl 4p<2,(B-l)2

(323)

Этот вывод, сделанный с рядом допущений, является приближенным. Структура формулы не отражает влияния числа оборотов вала, фактически влияющего на перепад давления, который не был принят во внимание. Несмотря на это, при определении размера проходного сечения канала по приведенным выше выводам, основывающимся на оптимальном значении вихревого отношения Q, конструктор получает руководящее указание при разработке камеры.

Выражение для скорости перетекания заряда (316) после подстановки выражений для с и принимает вид

2fx/(e-I)

S - 1

+ /(f)

(324)

О характере изменения вихревого отношения и скорости перетекания можно судить по изменению множителя, зависящего от угла поворота кривошипа. Для примера на фиг. 247 дан график величины Z, пропорциональной скорости перетекания, в зависимости от угла поворота кривошипа для

случая А = 0,25 и е = 16, а на фиг. 248 - график, определяющий величину У, пропорциональную вихревому отношению для тех же параметров двигателя.

Как видно из этих графиков, скорость воздуха в горловине камеры постепенно возрастает во время хода сжатия, достигая максимума за ~25 до в. м. т. и далее падая до нулю. Вихревое отношение также постепенно возрастает от нуля, достигая максимума за -13 до в. м. т., а затем лишь незначительно уменьшается до в. м. т. Таким образом, наиболее интенсивное круговое движение воздуха в камере получается во время впрыска топлива и подготовки его к воспламенению.

4,0 3,0 1,0 1.0

			/-ч
	л-0,25		Л

Фиг. 247. График функции

5,0 4,0 3.0 2.0

	-0.25 c-f6
			Г

Фиг. 248. График функции

Б. Г. Либрович в результате экспериментов над рядом двигателей пришел к выводу, что оптимальное соотношение параметров получается при

условии, что величина X =

А лежит в пределах 1,8-2,2. В это

выражение должны подставляться: 1/ в л, / - в мм , п - в об/мин, причем /г = 0,6 0,7 п^. Фактор

При закономерном движении заряда в вихревой камере к моменту впрыска в нее топлива можно получить хорошее смесеобразование и высокое использование кислорода заряда при сгорании. Перетекание части заряда из камеры сгорания в цилиндр под действием перепада давления между камерой и цилиндром, созданного горением топлива в камере и увеличением объема цилиндра из-за движения поршня во время хода расширения, вызывает интенсивное вихреобразование, вследствие чего используется часть воздуха, находящегося в цилиндре в конце хода сжатия. Указанные моменты позволяют осуществлять полное сгорание топлива при низких значениях коэффициента избытка воздуха. В свою очередь, малый коэффициент избытка воздуха определяет высокое значение среднего эффективного давления.

Угловая скорость вращения вихря практически почти пропорциональна числу оборотов коленчатого вала двигателя, вследствие чего протекание

1 ... 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 ... 20