Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 ... 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20

рабочего процесса мало зависит от скоростного режима. Экономичность двигателей с вихревыми камерами мало зависит от числа оборотов вала.

При наличии вихревой камеры увеличивается отношение суммарной поверхности камеры сгорания к ее объему и создаются вихревые движения, что уменьшает экономичность двигателя. Однако относительно умеренная скорость газов приводит к тому, что это снижение экономичности невелико. По сравнению с двигателями, имеющими неразделенные камеры, снижение экономичности соответствует увеличению удельного эффективного расхода на 10-15 г/л. с. ч. при номинальном режиме. Те же причины приводят к затрудненности пуска холодного двигателя. Поэтому, как правило, транспортные двигатели с вихревыми камерами снабжаются специальными приспо-

Фиг. 249. Шаровая вихревая камера.

Фиг. 250. Цилиндпическая вихревая камера.

соблениями, облегчающими пуск. Разделение камеры сгорания и впрыск топлива в отделенную ее часть предохраняют поршень от быстрого нарастания давления над ним; двигатели с вихревыми камерами работают обычно с умеренными максимальными давлениями в цилиндре

Несмотря на несколько пониженную экономичность и затрудненный пуск, двигатели с вихревыми камерами широко применяются для автомобилей, тракторов, тепловозов и других транспортных машин.

Конструктивно вихревые камеры выполняют в ряде модификаций. Широко распространена камера шарообразной формы с каналом, лежащим в осевой плоскости цилиндра (фиг. 249), нижняя часть камеры образована особой вставкой, которая вследствие затрудненного теплообмена с охлаждающей водой при работе двигателя сильно нагревается, что содействует сокращению периода задержки воспламенения. Соединительный канал выполняется с круговым сечением или с сечением, меняющимся по длине канала, причем оно делается все более растянутым в горизонтальном направлении. Этим усиливается увлечение в круговое движение содержимого камеры, находящегося в боковых ее частях.

Объем камеры составляет до 70-80% от полного объема сжатия. Следует отметить стремление уменьшить объем камеры до 50-60% от объема сжатия и делать углубление в поршне под местом выхода соединительного канала

Камера цилиндрической формы с каналом, выходящим в цилиндр в тангенциальном направлении, показана на фиг. 250. Таким расположением

камеры достигается круговое движение заряда в цилиндре во время хода расширения.

Для уменьшения потерь на перетекание газа из цилиндра в камеру во время хода сжатия можно увеличивать сечеиие соединительного канала, частично перекрывая его к концу хода сжатия поршнем. На фиг. 251 изображена такая камера шаровой формы, расположенная в блоке цилиндров. Соединительный канал прямоугольной формы частично перекрывается при

гзЭД-1-и WAh р.

Ш

Фиг. 251. Вихревая камера, расположенная в блоке цилиндра.

Фиг. 252. Схема органов смесеобразования предкамерного двигателя.

приближении поршня к в. м. т. во время хода сжатия. Вследствие получающегося уменьшения проходного сечения канала увеличиваются скорость Перетекающего воздуха и интенсивность вихреобразования.

Предкамерное смесеобразование. При предкамерном смесеобразовании для распределения топлива по заряду воздуха используются потоки, создающиеся при перетекании части заряда из цилиндра в предкамеру во время хода сжатия и из предкамеры в цилиндр во время хода расширения. Как правило, эти потоки создают неорганизованную турбулентность. Объем предкамеры выполняется относительно малым и составляет 25-37% от полного объема камеры сгорания. Топливо впрыскивается в предкамеру (фиг. 252). Вследствие того, что в камере находится лишь часть воздушного заряда, топливо при больших нагрузках полностью сгореть в ней не может. Получающееся как результат сгорания части топлива повышение давления в предкамере вызывает истечение продуктов сгорания вместе с еще несгоревшим топливом в надпоршневое пространство цилиндра и интенсивную турбулизацию заряда в нем. Это создает хорошее перемешивание топлива с воздухом, находящимся в цилиндре. Проходное сечение каналов, соединяющих цилиндр с предкамерой, выполняется таким, чтобы во время хода сжатия и во время хода расширения между цилиндром и камерой создавался значительный перепад давления (до 6-8 кг/см при ходе сжатия), вызывающий истечение газов со значительной скоростью.

Для лучшего распределения топлива в заряде воздуха в надпоршневом пространстве цилиндра предкамеру в большинстве случаев снабжают несколькими каналами, расположенными так, чтобы направление струй, выходящих из предкамеры, согласовывалось с формой камеры над поршнем, в ре-

Фиг. 253. Предкамера, смещенная с оси цилиндра.

dE= ff I2gn

23 орлин и др. 2146

зультате чего улучшается смесеобразование. Из этих соображений наиболее рациональным является осевое расположение предкамеры, которое чаще всего встречается в стационарных двигателях. Такое расположение предкамеры, однако, стесняет размещение клапанов в четырехтактных двигателях, что ухудшает наполнение цилиндра, особенно при высоких скоростных режимах. Поэтому в транспортных двигателях чаще встречается смещенное расположение предкамеры (фиг. 253). При этом соединительные отверстия должны быть расположены неравномерно по окружности и размеры отверстий должны соответствовать количеству воздуха, находящегося перед каждым из них.

Перетекание продуктов сгорания вместе с топливом из предкамеры в цилиндр вызывает дополнительное распыливание топлива, поэтому давление впрыска может быть умеренным (80-150 iIcm})

Значительный перепад давления между надпоршневым пространством и предкамерой во время ходов сжатия и расширения и разница в температурах в этих объемах не позволяют распространять уравнение состояния на весь заряд цилиндра, что чрезвычайно затрудняет термодинамическое изучение процессов и их расчет.

Качество смесеобразования в двигателе предкамерного типа зависит от энергии, затрачиваемой на перемешивание топлива с воздухом. Качество смесеобразования в предкамере определяется кинетической энергией газа, поступающего в предкамеру во время хода сжатия, смесеобразование же в цилиндре зависит от кинетической энергии газов, вытекающих из пред- камеры во время хода расширения. Для работы с малым коэффициентом избытка воздуха заряда эта энергия должна быть не менее определенной величины, вместе с тем избыточное количество этой эпергии, связанное с затратой работы, ведет к ухудшению экономичности рабочего цикла, не компенсируемого улучшением использования воздуха заряда.

Задачей рационального конструирования органов предкамерного сме-,сеобразования является, таким образом, нахождение таких соотношений объемов, проходных сечений и форм камер сгорания, которые, обеспечивая достаточно хорошее смесеобразование, не вызывают чрезмерных затрат энергии на создание вихревых движений заряда.

Кинетическая энергия газа, перетекающего из цилиндра в предкамеру и обратно, может быть определена приближенно по индикаторным диаграммам с надпоршневой полости и предкамеры.

Кинетическая энергия газа, проходящего через соединительный канал

предкамеры за элемент времени dt = причем

dG = fwidt = ,

где If - удельный вес газа в сечении, для которого определяется скорость W.

Для обычных в предкамерах отверстий постоянной величины по длине скорость и удельный вес могут быть, взяты для выходного сечения отверстия. Следовательно,

И вся энергия протекающего газа

\2gn

9ш

Пределы интегрирования следует брать в соответствии с положениями кривошипа в начале и конце рассматриваемого процесса.

Если и р^ - текущие значения давлений соответственно в цилиндре и предкамере, а - температура газа на выходе из отверстий, то

RT,

При повышении давления в цилиндре вследствие сжатия до давления р^ при процессе изменения состояния в нем по политропе с показателем т^* температура поднимается до

где р^ и - давление и температура в цилиндре в начале сжатия.

Понижение давления с р^ до р^ во время перетекания из цилиндра в предкамеру связано с понижением температуры, так что

от - 1

где - показатель процесса истечения через соединительный канал предкамеры. Таким образом.

от -1 ГЦ

от -1

- RTa \Ри ) \

Если принять /77 = /72, ТО

RT \ р. )

от. от.

Ра Р,

Скорость перетекающего газа

* Этот показатель отличен от показателя линии сжатия в цилиндре, записываемой индикатором так как процесс протекает с переменным количеством газа.

Если подставить в это выражение приведенную выше связь между текущими давлениями и температурой в цилиндре и начальными параметрами процесса сжатия, то

ИЛИ, если принять т^ = т^.

т-1 -1

= I/ 2g

Как видно, все переменные, входящие в подинтегральную функцию энергии перетекания, выражены через давления в цилиндре и предкамере.

£ кгм

Р

Фиг. 254. Индикаторная диаграмма цилиндра и предкамеры:

/ - давление в цилиндре; 2- давление в предкамере

		м

270 300 330 360%

Фиг. 255. Энергия вихреобразования в предкамере за процесс сжатия.

Следовательно, зная из индикаторных диаграмм изменение давления в цилиндре и предкамере во время сжатия, можно построить подинтегральную функцию

dE fxfcyY

dtf Vlgn

в зависимости от угла поворота кривошипа и, графически проинтегрировав эту функцию, определить энергию смесеобразования в предкамере за ход сжатия.

На фиг. 254 для примера приведена индикаторная диаграмма, снятая

с цилиндра и предкамеры, а на фиг. 255 - диаграмма изменения величин

и Е для хода сжатия.

Определение энергии смесеобразования во время ходов сгорания и расширения затрудняется тем, что определение температуры в предкамере может быть сделано только приближенно в результате определенных допущений.

В выражении для энергии перетекания, так как истечение происходит из камеры в цилиндр.

где ntp - показатель процесса истечения из предкамеры в цилиндр. Следовательно,

pi (р^\

RT, \ Ри }

Скорость перетекающего газа в этом случае

Из этих выражений видно, что энергия перетекающего газа определяется давлением в цилиндре и предкамере и температурой в предкамере. Наличие индикаторных диаграмм, снятых с цилиндра и предкамеры, и кривой температуры в предкамере позволяет аналогичным изложенному выше методом определить кинетическую энергию перетекающего газа, создающую в цилиндре турбулизацию заряда.

По ориентировочным подсчетам, сделанным с допущениями о характере процесса в цилиндре и предкамере, можно судить о ведцрне энергии перетекания.

Эти подсчеты показывают, что суммарная энергия смесеобразования (во время ходов сжатия и расширения) велика и превышает значения, получающиеся при пневматическом распыливании топлива, причем энергия во время хода расширения больше, чем при ходе сжатия. Этой энергии достаточно для получения интенсивной турбулизации и хорошего перемешивания топлива с воздухом заряда.

Перепад давления между цилиндром и предкамерой при ходе сжатия зависит от числа оборотов коленчатого вала двигателя. Вместе с тем, перепад давления между предкамерой и цилиндром в начале хода расширения, как определяющийся в основном сгоранием топлива в предкамере, мало зависит от скоростного режима двигателя. Уменьшение перепада давления между предкамерой и цилиндром после окончания сгорания вследствие уменьшения числа оборотов вала мало влияет на энергию смесеобразования в цилиндре, так как эта часть энергии составляет лишь незначительную часть полной энергии смесеобразования при ходе расширения. Кроме того, турбулизация во время хода расширения после окончания основного процесса истечения газов из предкамеры не имеет существенного значения для протекания сгорания в цилиндре, так как последний процесс уже в основном закончен.

Эти соображения приводят к выводу, что процесс вихреобразования, имеющий наибольшее влияние на смесеобразование и сгорание, а именно, процесс, вызывающийся истечением газов вместе с топливом, ие сгоревшим в предкамере, в начале хода расширения под влиянием значительного перепада давления, вызванного вспышкой в предкамере, мало зависит от скоростного режима двигателя. Это делает предкамерные двигатели малочувствительными к изменению скоростного режима.

Большая энергия смесеобразования, вызывающая хорошее перемешивание топлива с зарядом воздуха, позволяет осуществлять процесс предка-

мерного двигателя с удовлетворительным сгоранием при малых значениях коэффициента избытка воздуха.

Однако затрата энергии на необратимые процессы перетекания из цилиндра в-предкамеру и обратно уменьшает экономичность процесса. В том же направлении влияют развитие поверхностей камеры сгорания и интенсивное турбулентное движение заряда па том участке цикла, на котором разность температур газов и стенки достигает максимума; оба эти фактора усиливают теплообмен между газом и стенками. Поэтому э(ффективный удельный расход топлива предкамерных двигателей при прочих равных условиях выше, чем двигателей с камерами ранее описанных типов.

Пониженная экономичность цикла влияет также на величину получающегося среднего индикаторного и эффективного давления. Несмотря на возмолчность работы с малым коэффициентом избытка воздуха, среднее эффективное давление при качественном протекании процесса (бездымном выпуске) в предкамерных двигателях автотракторного типа удается довести до 6,5-6,8 кг1см}.

Усиленный теплообмен между зарядом цилиндра и его стенками влияет особенно сильно при пуске холодного двигателя, вследствие этого условия пуска предкамерного двигателя особенно неблагоприятны. Даже при нормальной температуре атмосферного воздуха пуск предкамерного двигателя без особых мероприятий, улучшающих условия получения первых вспышек, представляет большие трудности или даже невозможен. Поэтому предкамер-ные двигатели транспортного типа снабжаются особыми пусковыми приспособлениями. Чаще всего в предкамере устанавливают спираль, нагреваемую перед пуском электрическим током в течение 40-50 сек., или в камеру перед пуском вводят патрон с тлеющей плотной бумагой.

Дросселирование в соединительных каналах предкамеры сильно замедляет повышение давления в надпоршневом пространстве. Наиболее резкое и значительное повышение давления при сгорании происходит в предкамере, но оно ие передается на поршень. Максимальное давление в цилиндре при работе без наддува часто не превышает 45-50 кг/см. Вследствие этого кривошипно-шатупный механизм предкамерного двигателя работает в относительно благоприятных условиях. Работа двигателя на слух мягкая. Поэтому предкамерный метод смесеобразования соответствует требованиям работы транспортных двигателей. Малая чувствительность процесса к изменению скоростного режима позволяет эксплуатировать предкамерные двигатели в широком диапазоне чисел оборотов.

Важным преимуществом двигателей с предкамерным смесеобразованием является возможность работы его на топливе более низкого качества.

В о 3 д у DJ н о-к ам. ерное смесеобразование. Воздушно-камерный метод смесеобразовагшя на первых этапах (1930-1933 гг.) развития транспортных двигателей с воспламенением от сжатия имел весьма большое распространение. Этот метод смесеобразования позволил резко повысить номинальный скоростной режим и, вместе с тем, обеспечить качественное протекание рабочих процессов в широком диапазоне изменения чисел оборотов коленчатого вала. Однако появление новых методов смесеобразования (вихревые камеры, испапь-зование вихревых потоков при неразделенных камерах) и совершенствование ранее разработанных методов (предкамера) привели к тому, что в настоящее время показатели двигателей с рассматриваемым методом смесеобразования стали неудовлетворительными. В настоящее время лишь в небольшом количестве типов двигателей применяется воздушно-камерное смесеобразование. -

Органы смесеобразования воздушно-камерного двигателя показаны на фиг. 256. Камера, объем которой составляет около 70% общего объема сжатия, расположена в головке. Камера соединена с цилиндром горловиной, образованной двумя усеченными конусами, сложенными меньшими основаниями. Форсунка направляет струю топлива к горловине со стороны цилиндра.

Во время хода сжатия происходит перетекание газов из цилиндра в камеру. Этот поток увлекает первые порции топлива, подаваемые форсункой. Вспышка этого топлива в камере вызывает повышение давления в ней, вследствие чего меняется направление потока газа, и

Фиг. 256. Воздушная камера с осью параллельной оси цилиндра.

Фиг. 257. Воздушная камера с осью, перпендикулярной к оси цилиндра.

Так, для примера иа фиг. 257 изображена камера, характеризующаяся уменьшенным объемом отделенного пространства и созданием закономерного вихревого движения е- надпоршневом пространстве во нремя расширения Клапаны расположены в днище углубления в головке, имеющего вид восьмерки. Горизонтально расположенная форсунка направляет струю топлива через суженную часть углубления к отверстию камеры, ось которой также горизонтальна и объем составляет -20% от полного объема камеры сгорания.

В конце хода сжа1ия впрыскивание топлива вследствие направления струи к соединительному отверстию и перетекания заряда увлекается в камеру. Вспышка в последней создает перепад давления, вызывающий интенсивное перетекание из камеры в надпоршневое пространство, форма которого способствует образованию закономерного кругового движения в каждой из выемок под клапанами, что улучшает смесеобразование.

дальнейшее горение может происходить в горловине. Поток газов из камеры в надпоршневое пространство после перехода поршнем в. м. т. поддерживается перемещением последнего.

Характерным в протекании процесса является то, что к концу сгорания к камере должно оставаться некоторое количество неиспользованного воздуха. Двигатели этого типа должны работать со значительным коэффициентом избытка воздуха и соответственно пониженным средним индикаторным и эффективным давлениями.

Некоторое, хотя и oi раниченное распространение, имеют методы смесеобразования, являющиеся дальнейшим развитием принципов воздушно-камерного смесеобразования.

ГЛАВА XII

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

§ 1. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания может работать при различных числах оборотов коленчатого вала. Ограничителями диапазона возможных скоростных режимов могут быть различные факторы. Максимальное допустимое число оборотов вала может быть ограничено, например, условиями качественного протекания рабочих процессов двигателя, возрастанием инерционных усилий, снижением коэффициента наполнения, термическим перенапряжением деталей, подвергающихся воздействию пламени, и рядом других факторов. Минимальный возможный скоростной режим определяется условием устойчивой работы двигателя.

На каждом скоростном режиме крутящий момент двигателя может меняться от нуля (холостой ход) до максимального момента, который может развивать двигатель. Поэтому совокупность возможных режимов двигателя (поле возможных режимов) в координатах, где по оси абсцисс отложено число оборотов, а по оси ординат - мощность или крутящий момент двигателя, изображается некоторой площадью. Мощность или крутящий момент двигателя при заданном числе оборотов вала изменяют путем перестановки органа управления. Таким органом в карбюраторном двигателе является дроссельная заслонка, а в двигателях с воспламенением от сжатия - деталь топливного насоса, при помощи которой изменяется подача топлива за цикл. Все поле возможных режимов двигателя можно представить себе заполненным линиями, представляющими зависимость между мощностью или крутящим моментом двигателя и числом оборотов вала при различных положениях органа управления. В качестве примера на фиг. 258 показан соответствующий график для карбюраторного двигателя. Каждая из приведенных кривых /-5 соответствует определенному положению дроссельной заслонки.

Механическая энергия, отдаваемая двигателем, используется для тех или иных целей. Например, при работе на электростанции потребителем энергии двигателя является электрогенератор, который, преобразовав полученную энергию в электрическую, через сеть распределяет ее в места непосредственного ее использования. Потребитель (электрогенератор) также может работать при различных числах оборотов его вала, при этом меняется количество поглощаемой им энергии. При каждом числе оборотов вала поглощаемая генератором мощность зависит от общего сопротивления внешней электросети.

В случае работы двигателя на автомобиле вырабатываемая им энергия используется для перемещения автомобиля. При обычных схемах трансмиссии автомобиля скорость вращения колес, связанных через сцепление с валом двигателя, примерно пропорциональна скорости движения авто-

В данном случае рассматриваются средние значения за цикл, Небольшие изменения этих параметров в пределах одного цикла в связи с неравномерностью крутящего момента двигателя и потребителя, а также случайные небольшие их отклонения от среднего значения во внимание не принимаются.

мобиля, от которой зависит сопротивление движению автомобиля. Поэтому мощность, затрачиваемая на движение при определенном состоянии пути (уклон дороги, сила и направление ветра относительно направления движения, качество покрытия дороги и т. д.), зависит от числа оборотов приводного вала трансмиссии. В зависимости от состояния пути на каждой скорости движения сопротивление может меняться, вследствие чего меняется и потребляемая автомобилем мощность.

В общем случае свойства потребителя могут характеризоваться совокупностью линий, представляющих связь между потребляемой мощностью и числом оборотов приводного вала при различных условиях работы (например, различных сопротивлениях внешней сети электрогенератора или различных уклонах и состояниях пути, по которому движется автомобиль). Примерный вид такого графика показан на фиг. 258 пятью линиями /-V зависимости мощности потребителя от числа оборотов при различных условиях его работы.

Установившимся режимом на-зывается такой режим работы двигателя, при котором параметры его работы (число оборотов, крутящий момент, мощность и другие показатели) на рассматриваемом участке времени постоянны . Такой режим работы возможен только ~п в том случае, когда мощность двигателя и потребителя равны. При непосредственной связи дви-Фиг. 258. Характеристики гателя С потребителем, если число оборотов вала двигателя и потребигеля. потребителя равно числу оборотов вала двигателя, режимы работы могут быть найдены наложением графика потребителя на график двигателя (фиг. 258). Точка пересечения любой кривой графика двигателя с любой кривой графика потребителя определяет один из возможных установившихся режимов работы системы. На каждом заданном режиме орган управления двигателя находится в определенном положении, а потребитель работает при определенных условиях. Поэтому из всех линий, характеризующих работу двигателя и потребителя, имеют значение только две, соответствующие заданным условиям (например, кривая 2 для двигателя и кривая для потребителя). В этом случае режим определяется точкой а. Если изменятся условия работы потребителя (изменится, например, сопротивление внешней сети электрогенератора, сопротивление и уклон дороги для автомобиля), то соотношение между мощностью, поглощаемой потребителем, и числом оборотов также изменится и будет характеризоваться другой кривой (например, кривой /). При ранее установившемся числе оборотов баланс энергии, отдаваемой двигателем и поглощаемой потребителем, нарушится, избыток мощности, представляемый отрезком аЬ, будет затрачиваться на увеличение кинетической энергии системы, связанное с повышением числа оборотов, до тех пор, пока вновь не восстановится баланс энергии в точке с, которая будет характеризовать новый установившийся режим Аналогично происходит переход с одного режима на другой при изменении положения органа управления двигателя.

В некоторых случаях потребитель имеет однозначную связь между потребляемой мощностью и числом оборотов. Примером может служить

1 ... 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20