Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 ... 20

Для приближения условий протекания процесса внутри цилиндра модели к условиям внутри цилиндра работающего двигателя модель выполняют динамической.

Кривошипный (или какой-либо другой) механизм приводится в движение от электродвигателя. Привод может быть осуществлен также при помощи сжатого воздуха, падающего груза и т. д. Качество процесса определяется наиболее часто методом анализа газов. Перед опытом модель наполняют угле-

Фиг 104. Динамическая модель для исследования очистки и наполнения.

кислотой или другим газом, заменяющим продукты сгорания. После этого через специальный клапан из цилиндра берут пробу в газоанализатор. Далее цилиндр продувается воздухом или газом, заменяющим продувочный воздух, после чего вновь берут пробу.

Цилиндр может быть изготовлен из прозрачного материала, как и при исследовании статических моделей. Данный метод не является единственным. Потоки газов могут быть сделаны видимыми одним из указанных выше способов.

Примером динамической модели непрерывного действия служит модель для исследования петлевой продувки (фиг. 10-1).

Размеры цилиндра модели: D = 140 мм, S = 140 мм; число оборотов вала модели 500 в минуту (число оборотов вала двигателя 2000 в минуту).

Ци.линдр модели выполнен из двух частей. Для наблюдения и фотографирования потоков верхняя часть цилиндра изготовлена из плексигласа, нижняя часть -.из стали. Обе части обхвачены буксой, притягиваемой к кар-

теру шпильками. Верхние концы последних притягивают головку цилиндра к верхней его части. Головка цилиндра, изготовленная из плексигласа, прижимается к цилиндру гайкой- Четыре пружины разгружают цилиндр от растягивающих напряжений. Б головке установлены автоматический клапан перепуска, золотник наполнения, датчик индикатора, газоотборник и штуцеры для присоединения измерительных приборов. Поршень, выполненный из алюминиевого сплава, имеет два кольца; верхнее уплотнительное, состоящее из трех пружинящих стальных колец, обшитых кожей, и нижнее - маслосбрасывающее. Верхнее кольцо скользит по плексигласу, нижнее - по стальной части цилиндра.

Вал модели приводится в движение электродвигателем. При движении поршня к в. м. т. открывается автоматический клапан перепуска для выпуска воздуха из цилиндра, чтобы предотвратить повышение давления и температуры в цилиндре до величин, опасных для прочности плексигласа. При нахождении поршня около в. м. т. открывается золотник наполнения, получающий вращательное движение от валика топливного насоса двигателя.

Для получения повышенного давления в цилиидре к моменту открытия выпускных окон (приближающегося по величине к давлению в двигателе) золотник закрывается за 2-3° до начала открытия окон. Моменты открытия и закрытия золотника можно регулировать; продолжительность открытия при этом остается постоянной. Клапаном перепуска можно регулировать максимальное давление и температуру воздуха в цилиндре модели. Процесс пуска протекает в следующем порядке: открывают задвижку на подводящем воздух трубопроводе, переводят трехходовой кран иа питание золотника воздухом из общей воздушной магистрали и пускают в ход электродвигатель, соединенный с валом модели. После этого устанавливают требуемое число оборотов (по тахометру), а затем при помощи задвижек - необходимое давление продувочного воздуха во впускной системе и противодавление на выпуске.

Индицирование проводится электропневматическим индикатором. При питании углекислым газом подачу воздуха выключают при помощи трехходового крана. В этом случае углекислый газ поступает из баллона в специальный ресивер, а затем к золотнику.

Остановку модели осуществляют закрытием задвижки на впускной магистрали и выключением электродвигателя.

На модели проводились исследования по улучшению наполнения за счет изменения конструкции и формы окон.

Не менее актуальными являются модели одноциклового действия. Примерами могут служить модели, построенные Саймонсом (фиг 105) и в МВТУ, позволяющие воспроизводить процесс газообмена в двигателе с петлевой продувкой. Цилиндр модели выполнен из прозрачного материала. Скорость поршня и закон его движения осуществлены аналогичными таковым Б двигателе во время процессов газообмена.

Впускные и выпускные трубопроводы соединены с продувочным и выпускным баками, внутри которых расположены небольшие уравнительные баки: продувочный и вьшускной (на фиг. 105 не виден). В уравнительных баках перед продувкой цилиндра поддерживается давление, равное давлению в основных баках. После осуществления процесса продувки давление в дополнительных баках сохраняется прежним вследствие отключения их перед началом процесса, в то время как в основных баках давление падает. При известном (измеренном) перепаде давлений и объеме баков определяют расход воздуха.

Перед продувкой цилиндр и выпускной бак наполняют воздухом под давлением, несколько превышающем давление в выпускной системе; продувочные баки наполняют углекислым газом из баллона. Температура воздуха и углекислого газа близка к температуре окружающей среды.

Отбор проб газа в газоанализатор производят через кран в головке цилиндра.

Коленчатый вал соединен с маховиком, который приводится в движение от электродвигателя. Последовательность действия и ее регулировка, а также подключение маховика к коленчатому валу осуществляются с помощью^ электромагнитной фрикционной муфты, состоящей из трех основных частей: вращающегося электромагнита, установленного на приводном валу маховика, тормозного неподвижного электромагнита, расположенного иа стенке

Фиг. 105. Установка одноциклового действия для изучения продувки цилиндра.

кривошипной камеры, и диска, размещенного между этими электромагнитами на валу на скользящей шпонке.

При включении в электрическую цепь вращающегося электромагнита коленчатый вал подключается к маховику. Одновременное размагничивание вращающегося электромагнита и намагничивание неподвижного обусловливает притягивание диска к неподвижному электромагниту, остановку коленчатого вала и его фиксирование в данном неподвижном положении (а также и после испытания при вращающемся маховике).

При фотографировании потоков в цилиндре в качестве трассирующего вещества используется порошкообразная фарфоровая глина, вдуваемая в цилиндр воздухом под избыточным давлением через трубку, расположенную около одного из впускных окон.

Для фотографирования применяется фотокамера со скоростью съемки 3000 кадров в секунду.

В отличие от описанной модели модель, построенная в МВТУ, позволяет имитировать все фазы процесса, в том числе процесс предварения выпуска при давлениях, равных давлениям в работающем двигателе.

До настоящего времени исследования на моделях проводились, как правило, без достаточно строгих обоснований; не было разработано теории моделирования применительно к рассматриваемой проблеме. Таким образом, особой задачей является установление теории моделирования как метода решения вопроса о выборе рациональных конструктивных и термодинамических параметров, влияющих на процесс очистки и наполнения цилиндра двухтактного двигателя.

Основными условиями моделирования, вытекающими из положения общей теории подобия, необходимо считать следующие условия, при которых движение газов в модели будет подобным движению газов в двигателе:

1. Геометрическое подобие основных звеньев продувочной цепи: цилиндр - выпускные и продувочные органы - выпускная и подводящая система.

2. Подобие параметров начального состояния процессов.

3. Подобие физических параметров: равенство отношений плотностей в сходственных точках модели и двигателя.

4. Равенство критериев подобия для сходственных сечений.

Этим условиям (за исключением первого) удовлетворить в полной мере чрезвычайно трудно, поэтому могут быть допущены те или иные приближения.

Проводятся специальные исследования для того, чтобы выяснить, какие именно, в какой форме и с какими опытными коэффициентами справедливы критерии газодинамического подобия. Исследование данного вопроса может быть проведено на модели и опытном двигателе, позволяющих изменять в широких пределах величины давлений в ресивере и цилиндре и число оборотов.

Для выявления указанных критериев необходимо определить значение перепадов давлений Ар и скорости w течения газов как в модели, так и в двигателе.

Из-за исключительной сложности явлений эти величины предварительно можно отнести к движению газов непосредственно через органы распределения и определять их как усредненные. Опыты следует проводить для разных чисел оборотов и разных давлений в ресивере и цилиндре.

Одной из основных частей экспериментальных работ является снятие индикаторных диаграмм с цилиндра двигателя и модели для более точного определения значений Ар и w основных фаз процесса. Наиболее сложно определить скорости газов для процессов течения через выпускные органы, где трудно установить конец периода свободного выпуска. Вопрос осложняется еще тем, что на конец этого периода и начало периода наполнения - продувки :особенно сильно влияют явления неустановившегося движения, затрудняющие определение указанных параметров. Основные факторы, которыми можно руководствоваться при сравнении результатов экспериментов на двигателе и модели: степень очистки цилиндра от продуктов сгорания газов t\Q и коэффициент использования продувочного воздуха расход воздуха и протекание индикаторных диаграмм. Последние должны быть одинаковыми для модели и двигателя.

Наиболее полноценными в отношении соответствия действительным условиям работы являются экспериментальные исследования, выполняемые непосредственно на работающем двигателе.

При построении опытного двигателя проводят исследование, связанное с доводкой процесса. В этом случае подбирают наивыгоднейшие размеры и форму окон и клапанов, фазы распределения, форму кулачков и другие конструктивные параметры в совокупности с величинами давления и расхода продувочного воздуха, системой смесеобразования, конструкцией выпускной и подводящей систем. К сожалению, обычно вопрос решается применительно к данному частному случаю без попыток обобщения результатов.

При проведении подобного исследования необходимо стремиться придерживаться строгой последовательности при выявлении влияния того или иного фактора, сохраняя по возможности прочие равные условия, устраняя влияние других факторов. Целесообразно выявить следующие положения:

1. Правильность определения размеров проходных сечении органов распределения (и фаз) в отношении их пропускной способности (установление их окончательных размеров).

2. Правильность подбора формы и расположения органов.

3. Влияние выпускной и в некоторых случаях подводящей систем. Факторами, определяющими качество процесса, кроме мощности, расхода топлива и температуры в выпускной системе, могут быть:

1) протекание индикаторных диаграмм, снимаемых с цилиндра, и смежных систем;

2) расход продувочного воздуха;

3) результаты анализа проб газов, которые можно брать из цилиндра во время хода сжатия, а также к концу расширения.

Индикаторные диаграммы, снятые при помощи слабой пружины, позволяют выявить характер изменения давления в цилиндре во время процесса выпуска и продувки, установить значения давления в моменты открытия и закрытия распределительных органов, а также получить данные для подсчета коэффициентов сопротивления органов или средней скорости воздуха и газов в них. По анализу газов можно найти содержание СО?, СО и Ol в заряде и в продуктах сгорания и определить коэффициенты наполнения и остаточных газов и к. п. д. процесса газообмена.

Вследствие трудности получения среднего состава газа в цилиндре быстроходного двигателя критериями качества процесса часто считают величину коэффициента избытка продувочного воздуха <рв совокупности со значениями давлений в моменты открытия и^ закрытия продувочных органов р„ и и параметрами индикаторного процесса.

Результаты экспериментов по определению количества продувочного воздуха, измеряемого с помощью сопла, поставленного обычно до входа воздуха в нагнетатель, позволяют судить о размерах впускных окон. Недостаточное количество продувочного воздуха (низкое <f,.) является следствием недостаточных размеров впускных или выпускных органов. Может иметь значение повышенное сопротивление выпускной или подводящей системы.

Для устранения этих недочетов необходимо:

1) увеличить размеры продувочных или выпускных органов;

2) уменьшить сопротивление смежных с цилиндром систем. Давление /? должно лежать в диапазоне данных диаграмм фиг. 97.

Излишне высокое значение р^ может получиться вследствие недостаточного время-сечения предварения выпуска при чрезмерной высоте продувочных окон или недостаточной высоте выпускных. В этом случае наблюдается значительный заброс продуктов сгорания в ресивер, что обусловливает заметное торможение втекания воздуха в окна, его загрязнение и нагрев, повышение температуры днища поршня, а также засмаливание окон и продувочного ресивера. Высокое давление р^ может вызвать значительный импульс в подводящей системе, в результате чего могут возникнуть блуждающие волны, тормозящие наполнение цилиндра

Для устранения указанных недочетов необходимо:

1) изменить размеры окон - увеличить длину выпускных или, если это не вызывает заметного уменьшения пропускной способности, уменьшить длину продувочных;

2) повысить давление продувочного воздуха.

Имеется в виду худший случай. При некоторых условиях динамические явления могут обусловить улучшения наполнения.

15 Орлин и др. 2146

Излишне низкое давление р„, связанное с большим время-сечением предварения вьшуска, может сопровождаться недостаточным время-сечением продувки или недостаточным полезным ходом. В этом случае также могут оказывать влияние динамические явления.

Значение давле1шя начала сжатия должно приближаться к значению р^. Низкое значение р^ указывает на недостаточное время-сечение продувочных органов или на большое сопротивление продувочных органов и подводящей системы. Давление превышающее р^, нередко указывает на то,что фаза дополнительной зарядки слишком велика и что с какого-то момента параллельно сжатию в цилиндре происходит течение продувочного воздуха из цилиндра в ресивер, ухудшающее наполнение.

Давление р^ может несколько превысить р^ и вследствие влияния ускоренных масс газов.

Форму и расположение органов распределения на работающем двигателе в отношении наполнения проверить чрезвычайно трудно. Обычно о качестве процесса принято судить по измеренной мощности и расходу топлива. Целесообразно и в этом случае провести проверку методом анализа газов.

При проектировании выпускной системы следует иметь в виду, что скорость газов в выпускной камере и трубопроводе должна быть ниже, чем в выпускных органах. Ориентировочно можно считать, что средняя скорость газов в вьшускной системе должна составлять 60-70% от средней скорости в выпускных органах.

В заключение остановимся на экспериментах, относящихся к использованию динамических явлений в вьшускной системе, проводимых с целью отделения процесса очистки цилиндра от процесса наполнения и увеличения заряда цилиндра. В этом случае опытным путем подбирают оптимальные размеры выпускных и продувочных органов и законы их открытия, а также размеры выпускной системы. Расчет до настоящего времени еще не разработан.

На заводе Русский дизель , а также в других учреждениях были проведены экспериментальные работы с двухтактным двигателем без продувочного насоса, в котором очистка и наполнение цилиндра совершались путем использования динамических явлений в потоках выпускных газов. В случае применения такой системы увеличивается вес воздушного заряда, что связано с возможностью введения большего количества топлива и получения большей индикаторной мощности. Одновременно улучшается охлаждение поршня, клапанов и цилиндров. Кроме того, упрощается конструкция, повышается механический к. п. д., снижается удельный вес двигателя. Наконец, двигатель приобретает свойства саморегулировки.

Подобные двигатели имеют значение для систем, характеризующихся стабильностью скоростного режи.ма работы, т. е. в первую очередь для стационарных установок.

Проведенные на указанном заводе эксперименты на двигателе с клапанно-щелевой схемой включали подбор рациональных размеров выпускного трубопровода, профиля кулачков выпускных клапанов и испытания различных конструкций клапанов, устанавливаемых в конце выпускного трубопровода.

В результате исследователям удалось поднять мощность двигателя.

Принцип работы этих двигателей в общих чертах заключается в следующем. После открытия выпускных органов, которое для получения большого импульса целесообразно производить раньше, чем в обычных двигателях, газы, устремляясь из цилиндра, создают в выпускном патрубке волну повышенного давления, оставляя позади себя разрежение. Движение передается газам, заполняющим трубопровод и находящимся до этого момента в относи-

Длина трубопровода

где а - скорость звука при средней температуре выпускных газов. 15*

тельном покое. Правильный подбор размеров и фаз открытия органов распределения и размеров выпускного трубопровода позволяет удлинить период времени, соответствующий наличию в цилиндре вакуума, и увеличить глубину вакуума примерно до 0,4-0,5 кг1см. В результате при отключении продувочного насоса воздух поступает из атмосферы под влиянием разности давлений и всасывающего действия газового порншя Как показывают эксперименты, наполнение цилиндра может быть осуществлено в этом случае даже при отсутствии выпускного трубопровода, однако с меньшим эффектом.

На наполнение оказывают влияние блуждающие волны в трубопроводе, отражающиеся от концов трубопровода. Как было сказано в §2, первое отражение прямой волны от свободного конца (или глушителя) обусловливает получение обратной волны отрицательного знака, которая проходит по трубопроводу в обратном направлении; ее амплитуды суммируются с амплитудами прямой волны; в результате давление около выпускных органов понижается. Это способствует поступлению продувочного воздуха в цилиндр и, по мнению некоторых исследователей, является основным фактором, позволяющим осуществить процесс без продувочного насоса.

Если основываться иа этом положении, то размеры и расположение впускных окон следует подбирать так, чтобы начало их открытия совпадало или, быть может, несколько опережало момент начала прихода к выпускным органам отраженной волны (разрежения) Длину трубы следует подбирать так, чтобы волна проходила по трубопроводу вперед и назад 2 раза за период выпуска и продувки.

Ускоренная масса воздуха устремляется в выпускную трубу, ио, встречая противодавление после спада волны разрежения, движется назад в цилиндр, что способствует увеличению зарядки.

Коэффициент наполнения пропорционален амплитуде волны давления в выпускном трубопроводе, зависящей от давления в цилиндре в момент открытия выпускных органов. Таким образом, количество воздуха, поступающего в цилиндр, возрастаете увеличением нагрузки. При наличии догорания вследствие повышения давления и температуры в цилиндре в момент открытия выпускных органов количество поступающего за цикл воздуха увеличивается, и двигатель как бы старается исправить работу, так как обеднение смеси обусловливает понижение температуры цикла, связанное с понижением давления в конце расширения.

С увеличением нагрузки увеличивается скорость распространения волн давления по трубе вследствие повышения температуры газов. В связи с этим наблюдается стремление к повышению числа оборотов вала двигателя. При пуске двигатель'работает при пониженном числе оборотов, которое постепенно увеличивается с повышением температуры цикла.

Если обозначить через угол поворота кривошипа, соответствующий движению волны вперед и назад по трубопроводу, то угол, соответствующий периоду выпуска и продувки, должен быть близок к 2aQ, а угол предварения выпуска - несколько менее а^.

Полное время протекания процесса газообмена

Приняв скорость звука а = 500 mIcpk и 2а^ 130 140°, получим / = (2700-2900) А

Без проведения расчета трудно сказать что-либо конкретное по поводу диапазона чисел оборотов, при которых можетддовлетворительио работать двигатель с рассматриваемой схемой распределения. При расчете органов распределения и вынз-скной системы можно пользоваться уравнениями движения и неразрывности, приведенными в § 11, вводя упрощающее исследование зависимости и используя опытные данные. В общем виде задачу разрешить весьма трудно.

ГЛАВА VIII НАДДУВ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Из анализа выражения (189) литровой мощности следует, что одним из важнейших способов повышения литровой мощности двигателя является применение наддува. Осуществляя различную степень наддува, можно значительно расширить мощностной ряд двигателей с одними и теми же размерами цилиндра.

Литровая мощность при наддуве повышается вследствие увеличения весового заряда в цилиндре, характеризуемого произведением Цу. В двигателях с воспламенением от сжатия увеличение весового заряда воздуха в цилиндре дает возможность одновременно увеличить и подачу топлива. В карбюраторных двигате-

0,90

0,85 0J0

	опгОООоб/ман п^1600о6/мин
		в

2,2р/г/смг

Фиг. 106. Изменение отношения pJPk в зависимости от давления р^ для двухтактного двигателя с клапанно-щелевой продувкой

ЛЯХ при наддуве увеличивается вес смеси, поступающей в цилиндр двигателя.

С ростом давления наддува уменьшаются относительные потери давления во впускных органах. Это, например, видно из фиг. 106 для двухтактного двигателя с клапанно-щелевой продувкой. Аналогичное явление наблюдается и для четырехтактных двигателей (фиг. 107). Обе диаграммы показывают, что давление Ра начала сжатия с увеличением давления р^ воздуха, поступающего в цилиндр, возрастает быстрее, чем р^, поэтому и отношение pjp с ростом р^ заметно увеличивается.

В этом же направлении действует и продувка цилиндра. При интенсивной продувке цилиндра воздухом понижается температура стенок цилиндра, головки цилиндра поршня и клапанов. Одновременно снижается температура и уменьшается количество остаточных газов.

Таким образом, повышение давления наддува приводит к увеличению коэффициента наполнения двигателя (фиг. 107).

При наддуве изменяется также и индикаторный к. п. д. двигателя. Характер изменения индикаторного к. п. д. зависит от условий протекания рабочего процесса при наддуве.

При неизменной подаче топлива на цикл с увеличением давления р^ наддува увеличивается коэффициент избытка воздуха а. С увеличением коэффициента а повышается интенсивность и полнота сгорания топлива, что приводит к улучшению индикаторного к. п. д. (фиг. 108). Однако в этом случае наддув не может быть полностью использован как эффективное сред-

ство увеличения удельной мощности. Для того чтобы наиболее полно использовать преимущества наддува, необходимо с увеличением весового заряда цилиндра увеличивать также и подачу топлива на цикл, оставляя коэффициент избытка воздуха постоянным. В этом случае характер влияния наддува на индикаторный к. п. д. двигателя в основном зависит от типа топливо-подающей системы и угла опережения впрыска топлива.

При наличии достаточного запаса производительности топливных насосов увеличение подачи топлива на цикл при наддуве часто осуществляют путем увеличения угла подачи топлива при сохранении неизменным угла опережения впрыска. Особенно это относится к модернизации двигателей путем наддува Такое решение вопроса, позволяющее сохранить неизменной топливную аппаратуру двигателя, приводит к растягиванию процесса сгорания и к увеличению догорания топлива при расширении. Результатом этого

является увеличение потерь тепла в охлаждающую воду и с выпускными газами, а следовательно, и уменьшение индикаторного к. н. д.

КО . 0.9 0,8

0,9 0,8 0,7

Фиг. 107. Изменение величин pjp в зависимости оглавления р^ при n==consl at- consi для четырехтактного двигателя (по данным Д. А Портнова).

2.4ркг/см2

Фиг. 108. Изменение индикаторного к п. д. TQ,- в зависимости от давления наддува при постоянной подаче топлива на цикл.

Как показывают опыты, ухудшение экономичности цикла зависит от величины давления наддува. При увеличении давления р^ до значений, при которых удельный вес воздуха, поступающего в двигатель, не превосходит -f. = 2 кг1м^, уменьшение индикаторного к. п. д. оказывается весьма небольшим. При дальнейшем увеличении сохранение а. = const приводит к заметному ухудшению экономичности цикла Поэтому для правильной организации рабочего процесса двигателя с наддувом оказывается необходимым подобрать соответствующую топливную аппаратуру и угол опережения впрыска. При изменении топливной аппаратуры целесообразно стремиться к возможному сокращению угла подачи топлива путем увеличения диаметра плунжера и соответствующего изменения профиля гопливного кулачка.

Даже с помощью только правильного подбора угла опережения впрыска можно существенным образом уменьшить вредное влияние увеличения продолжительности впрыска на экономичность цикла Угол опережения впрыска целесообразно подбирать так, чтобы степень повышения давления при сгорании осталась постоянной. Заметное повышение экономичности цикла может быть достигнуто сокращением продолжительности подачи топлива.

На фиг. 109 изображены кривые изменения индикаторного коэффициента полезного действия в зависимости от а для четырехтактного двигателя с неразделенной камерой при различных характеристиках подачи топлива: кривые на фиг. 109, а относятся к работе двигателя с одной и той же топливо-подающей системой при постоянном угле опережения впрыска; кривые иа фиг. 109, б - к работе двигателя, когда угол опережения впрыска с увеличением давления р^, увеличивался до значения, при котором X const;

1 2 [ 3 ] 4 5 6 ... 20