Главная страница сайта
Российские промышленные издания (узловые агрегаты)
1 ...
3 4 5 [
6 ]
7 8 9 ...
20 После испытаний двигателя с комби1шрованным наддувом и турбиной постоянного давления были проведены испытания с импульсной системой газотурбинного наддува (без нагнетателя с приводом от двигателя). В процессе доводки этой системы были применены отдельные патрубки для каждого цилиндра, площадь окон в цилиндре была увеличена.
При пуске двигателя использовались нагнетатели с отдельным электроприводом общей мощностью 6-8 л. с. После пуска двигатель хорошо
кг/ см/град
/злс.ч.
80OnOff/MUH 20,fi
Фиг. 131 Внешняя характеристика двигателя 10Д 9.954 (Д-ЮО)
работал на всех режимах (включая и холостой ход) только с импульсной системой газотурбинного наддува. На фиг. 130 приведены результаты испытаний двигателя с импульсной системой наддува по нагрузке при п ~ 300 об/мин.
Данные испытаний двигателя Нохаб-Поляр указывают на возможность обеспечения хорошей работы двигателя с импульсной системой газотурбинного наддува на всем диапазоне изменения нагрузки.
На фиг. 131 изображены результаты испытаний одного из первых образцов двухтактного двигателя 10Д 20,6/2 X 25,4 (Д-100), выпускаемого Харьковским заводом. Этот двигатель с противоположно движущимися поршнями устанавливается на тепловозах и судах. Двигатель снабжен объемным роторно-шестеренчатым нагнетателем с трехлопастными роторами.
Двигатель при п = 850 об/мин и р,.. ~ 1,4 кг-см развивал мощность Ng = 1805 л. с. При 400 об/мин давление продувочного воздуха = = 1,1 кг1см Температура продувочного воздуха = 67° С при дг = = 850 об/мин. Противодавление на выпуске по внешней характеристике
увеличивается от почти атмосферного при 400 об/мин до рр = J,J27 кг1см на максимальном скоростном режиме, температура выпускных газов для этого же скоростного интервала изменяется от 340 до 372 С. Давление конца сжатия достигает 42,3 кг1см, максимальное давление сгорания р^- = 82 кг1см. С увеличением числа оборотов вала период задержки воспламенения Tg уменьшается до 2,55 10 сек.
Анализ результатов испытаний выполненных конструкций двухтактных и четырехтактных двигателей с воспламенением от сжатия с наддувом показывает, что при используемых в практике современного двигателестроения давлений р^ от 1,3 до 3 кг1см существенно улучшаются основные параметры двигателей.
Среднее эффективное давление увеличивается примерно пропорционально р^ и имеет значения от 7,1 до 20 кг1см, большие величины относятся к двигателям с газотурбинным наддувом.
Удельный расход топлива составляет 180-210 г1э. л. с. ч. при механическом наддуве и 140-180 г/э. л. с. ч. при газотурбинном наддуве. Таким образом, максимальное значение эффективного к. п. д. достигает 45%.
С переходом двигателей на наддув механический к. п. д. увеличиваете и достигает 90-92%.
Максимальное давление сгорания в двигателях различных типов колеблется в пределах 50-150 кг/см.
Механический наддув двигателей применяется до давлений р^ = 1,5--~ 1,65 кг/см. При более высоком давлении р^, как правило, применяете газотурбинный или комбинированный наддув.
Карбюраторные двигатели
В карбюраторных двигателях так же, как и в двигателях с воспламенением от сжатия, с увеличением давления наддува увеличивается коэффициент наполнения. Увеличение коэффициента наполнения (фиг. 132) вместе-с ростом плотности заряда обусловливает увеличение мощности двигателя.
Повышение давления наддува 1 I I I I I \ 1 I 1° -1 приводит к увеличению давлени
и температуры смеси в конце сжатия и в конце сгорания. В связ с этим увеличивается склонность-двигателя к детонации. Для борьбы с детонацией кроме конструктивных мер прибегают к применению более качественного топлива, изменению состава смеси и угла опережения зажигания. Эффективными средствами борьбы с детонацией является охлаждение смеси после нагнетателя и-уменьшение степени сжатия.
1,4 р^1<г/см
Фиг. 132. Изменение ъ зависимости от давления для двигателя ЗИЛ-120 (по данным Дьяченко):
/ - 2400 об/мин; 2 - 2000 об/мин; 3 - 1600 об/мин.
Допустимую степень сжатия при наддуве можно приближенно определить по следующей экспериментальной формуле:
УГУ
где ©о - максимально допустимая степень сжатия при работе без наддува при атмосферном давлении р^ кг/см\ - максимально допустимая степень сжатия после перехода на работу при давлении наддува р^ кг/см.
С увеличением давления и плотности заряда создаются благоприятные условия для работы двигателя на бедных смесях Так, по опытам Н. X. Дьяченко, на двигателе ЗИЛ-120 при п = 1600 об/мин при увели- чении давления р^ от 1,033 до 1,233 кг1см состав смеси, соответствующий наиболее экономичной работе двигателя (без учета затрат мощности на нагнетатель), обедняется и коэффициент избытка воздуха а с 1,085 увеличивается до 1,245. Одновременно происходит обеднение и состава смеси, соответствующего работе двигателя на режиме максимальной мощности.
В карбюраторных двигателях наддув иногда применяют только при определенных условиях работы двигателя или на режимах, когда от двигателя требуется получить болшую мощность. Для этого на двигателе уста-
Иагнетатель
.ТоплиВо
Смесь
Карбюратор
Нагнетатель
Двигатель
Карбюратор
Фиг. 133 Схемы впускной системы карбюраторного двигателя с наддувом.
иавливают нагнетатель, который при необходимости можно включать в работу (например, при перегрузке, при изменении наружных условий и др.).
При наддуве карбюраторных двигателей возникают большие трудности, чем при наддуве двигателей с воспламенением от сжатия. Эти трудности связаны с более высоким тепловым режимом работы карбюраторного двигателя, увеличением склонности к детонации, а также с конструктивными затруднениями прн проектировании впускной системы и системы питания .двигателя.
Нагнетатель при наддуве двигателей г карбюраторным смесеобразованием может быть расположен после карбюратора или до карбюратора.
В первом случае фиг 133, а) в нагнетателе сжимается смесь воздуха с топливом; при этом улучшается перемешивание топлива с воздухом, горючая смесь получается более однородная по составу Одновременно со сжатием смеси происходит испарение топлива, вследствие чего снижается температура воздуха до нагнетателя и в самом нагнетателе. Это дает возможность при одной и той же адиабатической работе нагнетателя увеличить степень повышения давления в нем.
Недостатком схемы является то, что при обратных вспышках может произойти повреждение нагнетателя. Это может произойти главным образом при пуске двигателя, при обеднении смеси и при работе на малой нагрузке, особенно у двигателей с большим перекрытием клапанов. Поэтому на некоторых двигателях, у которых карбюратор расположен до нагнетателя, во.впускных патрубках устанавливают специальные сетки, препятствующие проникновению пламени во впускную трубу. Однако при установке сеток создается дополнительное сопротивление во впускной трубе, что ухудшает аполнение цилиндра.
Серьезным недостатком расположения нагнетателя после карбюратора является также то, что при работе двигателя на малой нагрузке [шдоста-точно хорошо распыленное топливо фракционируется в нагнетателе, т. е. неиспарившиеся тяжелые фракции оседают на стенках диффузора, а в цилиндр уносятся только пары легких фракций При увеличении числа
2Л 2.8 3,2 р кг/см
оборотов двигателя нагрузки осевшие на стенках диффузора нагнетателя жидкие тяжелые фракции топлива подхватываются воздухом и уносятся в цилиндры. Это приводит к обогащению смеси и к нарушению нормальной работы двигателя. Поэтому, например, звездообразные двигатели, у которых карбюратор практически может быть установлен только до нагнетателя,оборудуются специальным клапаном, позволяющим удалять из нагнетателя оседающие л<идкие фракции.
Преимуществом установки нагнетателя до карбюратора (фиг. 133, 6} является более близкое расположение карбюратора к цилиндрам, что обеспечивает хорои1ую приемистость двигателя. Нагретый от сжатия в нагнетателе воздух улучшает испарение топлива в карбюраторе. Нагнетатель
менее подвержен вредному влиянию обратных вспышек.
Обычно после нагнетателя устанавливают несколько карбюраторов (до шести у двенадцати-1ШЛИНДРОВОГО двигателя). Вес такого ко.мплекта может получиться больше веса карбюратора, стоящего до нагнетателя. Синхронизация работы дроссельных заслонок большого числа карбюраторов-также представляет трудную задачу. Кроме того, при такой схеме карбюратор находится под давлением. Поэтому система требует полной герметичности всех соединений. При нарушении герметичности возможно возникновение пожара.
С увеличением давления р,. наддува в карбюраторных двиГателях с расположением нагнетателя после карбюратора увеличивается объем воздуха, проходящего через карбюратор. В результате этого размеры карбюратора увеличиваются. При определешюм давлении наддува размеры карбюратора достигают предельных значений. Выше этих значений увеличение размеров карбюратора становится нежелательным, так как приводит к существенному ухудшению смесеобразования. Для устранения этого можно применять непосредственный впрыск топлива. Так, нри форсировании по мощности двигателей Мерлин путем наддува карбюраторное смесеобразование было заменено впрыском топлива на крыльчатку нагнетателя, при этом только вследствие снижения температуры при испарении топлива удалось дополнительно увеличить степень повышения давления наддува на 7%.
Применение впрыска топлива с повьнненным о. ч. наряду с другими усовершенствованиями двигателя позволи.ло поднять давление р^. при наддуве приводным центробежным нагнетателем до 3,56 кг/см, а мощность двигателя увеличить в 2,36 раза (фиг. 134). На режиме с давлением наддува р,. = 3,56 кг/см. двигатель развивал среднее эффективное давление р^ = = 28,4 1сг/см при индикаторном давлении = 37,6 кг/см , т. е. механический к. п. д. двигатаия па этом режиме был равен 0,73. На двигателях Мерлин применялось промежуточтюе охлаждеьше смеси в л<идкостном радиаторе.
Более благоприятные з-тловия для наддува имеют двигатели с непосредственным впрыском легкого топлива в цилиндр и электрическим зажи-танием. В этом случае для понижения температуры стенок камеры и улуч-
Фиг. 134. Увеличение мощности бензинового двигателя Мерлин в зависимости от давления наддува
шения наполнения цилиндра двигателя при наддуве используется интенсивная продувка камеры сгорания за счет увеличения перекрытия клапанов примерно до 110-140° и более.
Газовые двигатели
Наддув является одним из наиболее действенных способов повышения мощности газовых двигателей. В газовых двигателях с наддувом величина р^. составляет 8-11 кг/см вместо 4-5,5 кг/см- у двигателей без наддува.
Наддув газогенераторных двигателей осуществляется по двум схемам.
При наддуве по первой схеме (фиг. 135, а) нагнетатель 3 устанавливают после газогенератора 1 между смесителем 2 и впускным трубопроводом 4. Газо-
Фиг. 135. Схема наддува газогенераторного двигателя.
генераторная установка работает под разрежением. Вследствие увеличенного расхода газа и большой скорости его просасьшания через газогенераторную установку сопротивление последней возрастает. Для З'-меньшения сопротивления приходится увеличивать проходные сечения для газа. Нагнетатель засоряется пылью и смолой, что увеличивает износ По этой причине в установках подобного типа при.меняются пе объемные, а центробежные нагнетатели.
При наддуве по второй схеме (фиг. 135, б) нагнетатель 3 подает воздух одновременно в газогенератор /ив смеситель 2. Нагргетатель (иа схеме-турбокомпрессор) пропускает чистый воздух и не засоряется. Скорости газа в проходных сечениях газогенератора не изменяются, вследствие чего потери напора возрастают незначительно. Установка должна быть прочной и герметичной.
Таблица 15
Мощность двигателя при различных системах наддува
Работа газовых двигателей с турбонаддувом по второй схеме дает возможность увеличить мощность двигателя без повышения степени сжатия до 70% и более от мощности двигателя на жидком топливе. Если сочетать наддув с повышением степени сжатия, то при работе двигателя на-генераторном газе можно получить примерно такую же мощность, как и у двигателей, работающих на жидком топливе без наддува.
Примерная эффективность применения наддува видна из табл. 15, в которой приведена мощность двигателя с различными нагнетателями при давлении ~ 1,6 кг/сж одинаковом для всех случаев.
Из таблицы видно, что наиболее эффективным является газотурбинный наддув двигателя с помощью турбокомпрессора, наименее эффективным - наддув с объемным нагнетателем. Последнее объясняется меньшим к. п. д. объемного нагнетателя и большим увеличением температуры газа или воздуха иа выходе из него.
Сочетание наддува и газожидкостного цикла позволило на тепловозном двигателе Д-50 (6 ГЧ 31,8/33) получить ту же мощность, что и при работе на жидком топливе (1000 л. с. при 740 об/мин). Двигатель имеет газотурбинный наддув. Давление наддува составляет 1,32 кг1см. Температура отработавших газов перед турбиной составляет 640 С вместо 565° С у двигателя, работающего на жидком топливе. Давление сгорания -58 кг1см.
Воздух после турбокомпрессора с помощью воздухораспределителя разделяется на два потока: один поток направляется в цилиндры двигателя для сжигания топлива, а другой - в газогенератор для газификации топлива. Газ в цилиндры поступает отдельно от воздуха.
В случае наддува газо-воздушиой смесью увеличение перекрытия клапанов не должно быть слишком большим: в противном случае возможны потери газа в выпускную трубу и ухудшение экономичности.
В двигателях с внутренним смесеобразованием, питание которых осуществляется в период сжатия (газом, сжатым до высокого давления), происходит своеобразный наддув цилиндра газом. Это обстоятельство необходимо учитывать при определении параметров газо-воздушной смеси в цилиндре двигателя перед сгоранием.
| | | Л' в % |
| | | от мощ- |
Двигатель | е | ности дви- |
в л. с. | гателя без |
| | | над,1ува |
Без наддува .... | | |
С тдлувом: | | |
от приводного объ- | | |
емного нагнета- | | |
теля ...... | | |
от приводного цент- | | |
робежного нагне- | | |
тателя .... |
от турбокомпрес- | | |
сора с центро- | | |
бежным нагнета- | | |
телем ..... | | |
ГЛАВА IX
ПРОЦЕССЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ В ДВИГАТЕЛЯХ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
§ 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Прибор, в котором происходит распыливание жидкого топлива, испарение части его и устанавливается необходимое соотношение между количеством топлива и воздуха, называется карбюратором.
Существует три типа карбюраторов: испарительный, впрыскивающий и всасывающий.
Испарительные карбюраторы (фиг. 136) предназначались для работы на легко испаряющемся топливе (узкого фракционного состава), которое
из топливного бака насосом
Смесь
2 Л/,Г^
Воздух 1
Фиг. 136. Схема испарительного карбюратора.
подавалось в бачок 2 карбюратора. При ходе всасывания воздух по трубе / попадает внутрь бачка 2 и, проходя над поверхностью топлива, насыщается парами топлива, образуя горючую смесь. Количество смеси, поступающей в двигатель через всасывающий трубопровод 5, регулируется дроссельной заслонкой 4. Качество смеси регулируется путем изменения объема пространства
между поверхностью бензина и верхней стенкой бачка.
Преимуществом всех испарительных карбюраторов следует считать то, что в них приготовляется однородная смесь, так как воздух смешивается с парами топлива; к недостаткам относится громоздкость, пожарная опасность, необходимость частой регулировки и повышенная чувствительность к изменениям условий внешней среды.
Впрыскивающий карбюратор характеризуется подачей топлива через переменное сечение под постоянным напором. Впрыскивающий карбюратор (фиг. 137) имеет диффузор /, воздушные камеры 2 и 4 высокого и низкого давления, изолированные одна от другой гибкой мембраной 3, топливные камеры 5 и 7 низкого и высокого давлений, также изолированные одна от другой мембраной 6, стержень 8 с топливным клапаном 9, несколько дозирующих жиклеров 10 (иа схеме изображен один), форсунку для впрыска топлива и дроссельную заслонку 12, Дроссельная заслонка позволяет регулировать количество смеси, а следовательно, и воздуха, поступающих в двигатель.
Воздушная камера 2 соединена с воздушным патрубком трубкой 13. Срез трубки 13 направлен навстречу воздушному потоку. Поэтому давление
Фиг. 137. Схема впрыскивающего карбюратора.
В камере 2 равно сумме статического и динамического напоров. В воздушной камере 4, соединенной с горловиной диффузора, устанавливается разрежение. Вследствие этого на мембрану S со стороны камеры 2 действует усилие, под влиянием которого мембрана выгибается и перемещает стержень 8
(жестко связанный с мембра-Воздух ; 2 3t5678 9 ной) с топливным клапаном 9,
Через открытый клапан 9 в топливную камеру 7 бензиновым насосом под давлением подается топливо. Из камеры 7 топливо через жиклер 10 и форсунку подается в смесительную камеру карбюратора, где оно распыливается и перемешивается с воздухом. Топливная камера 5 заполняется топливом из топливного канала после жиклеров. Поэтому давление топлива в камере 5 меньше, чем в камере 7. В результате этого мембрана 6 прогибается и топливный клапан 9 стремится закрыться. При равенстве усилий на мембранах топливный клапан находится в некотором определенном положении, что соответствует установившемуся режиму работы двигателя
Впрыскивающие карбюраторы точно и надежно работают при любом положении двигателя, но отличаются сложностью регулировки и обслуживания Поэтому в наземных двигателях основным карбюратором является всасывающий.
§ 2. ПРОСТЕЙШИЙ ВСАСЫВАЮЩИЙ КАРБЮРАТОР
Схема устройства простейшего всасывающего карбюратора изображена на фиг 138 Воздух непосредственно из атмосферы или через воздухоочиститель поступает в возду-хоподводящий патрубок 7 карбюратора. В двигагелях с наддувом воздух в карбюратор может поступать после сжатия в нагнетателе. Из воздушного патрубка карбюратора воздух поступает в диффузор 9. Диффузор 9 создает местное понижение давления - разрежение.
Наибольшее разрежение имеет место в самой узкой части диффузора. В эту часть диффузора из поплавковой камеры 4 через жиклер 6 и распылитель 8 вводится топливо. Вследствие разрежения в диффузоре топливо вытекает из распылителя, подхватывается потоком воздуха и распыливается.
Для обеспечения правильной работы карбюратора уровень топлива в поплавковой камере с помощью поплавка 5 поддерживается приблизительно постоянным. .Когда уровень топлива понижается, поплавок 5 опускается и клапан 3 открывает доступ топливу из канала 2 в камеру. После диффузора в карбюраторе обычно устанавливается дроссельная заслонка /, являющаяся органом управления двигателем.
Фиг. 138. Схема простейшего карбюратора.
Для лучшего испарения топливо необходимо распыливать. Распыли-вание топлива может происходить только при наличии разности скоростей течений воздуха и топлива: с увеличением относительной скорости движения воздуха распиливание улучшается. Опыты показывают, что разрушение струи топлива начинается при скорости воздуха относительно струи топлива, равной примерно 4-6 м/сек, а при скорости воздуха около 30 м/сек достигается полное рас-пыливание струи. -i 1 V -
Скорость воздуха в I />\
дис}зфузоре карбюратора современных двигателей достигает 120-150 м/сек. Скорость истечения топлива из распылителя примерно в 25 раз меньше скорости воздуха у распылителя, т. е. при максимальных числах оборотов составляет около 5- 6 м/сек.
В зависимости от направления потока горючей смеси карбюраторы называются карбюраторами с восходящим (фиг. 139, а), спадающим (фиг. 139, б) и с горизонтальным потоком. В настоящее время наибольшее распространение получили карбюраторы с падающим потоком: их удобно расположить на двигателе и они более доступны для обслуживания. Кроме того, как показывают результаты опытов, карбюраторы с падающим потоком несколько повышают мощность и улучшают экономичность двигателя.
Для улучшения питания двигателя горючей смесью, а также для обеспечения лучшего смесеобразования и более равномерного состава смеси в отдельных цилиндрах многоцилиндрового двигателя применяются сдвоенные и счетверенные карбюраторы.
Фиг. 139. Схемы карбюраторов с восходящим и с падающим потоками.
§ 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОСТЕЙШЕГО КАРБЮРАТОРА
Характеристикой карбюратора называют зависимость коэффициента избытка воздуха от одного из параметров, характеризующих секундный расход смеси через карбюратор В качестве такого параметра может быть принят расход воздуха или разрежение в диффузоре карбюратора, так как оно определяет секундный расход воздуха
Коэффициент избытка воздуха
а = -
где Gg - расход воздуха через карбюратор в кг/сек;
G-p - расход топлива в кг/сек; Iq - теоретически необходимое количество воздуха в кг/кг топлива,
В каждый цилиндр горючая смесь поступает периодически. Поэтому течение воздуха и топлива через карбюратор, питающий только один цилиндр, имеет резко выраженный пульсирующий характер. С переходом от четырехтактного цикла на двухтактный, а также с увеличением числа цилиндров, питаюш,ихся одним карбюратором, пульсация потока ослабляется. Этому также способствует наличие впускной системы между карбюратором и впускными органами двигателя В четырехцилиндровых четы-17*
рехтактпых или в двухцилиндровых двухтактных двигателях поток настолько выравнивается, что практически влияние пульсаций становится незаметным. Поэтому поток воздуха и топлива в карбюраторе можно считать установившимся; скорость во всех точках каждого поперечного сечения принимается одинаковой.
Канал по которому воздух поступает из атмосферы в цилиндр двигателя, имеет переменное сечение, вследствие чего скорость, а следовательно, и давление по оси потока переменны. Анализ процессов, происходящих в карбюраторе, дополнительно усложняется наличием ряда постоянных сопротивлений и также переменного сопротивления в виде дроссельной заслонки, сопротивление которой зависит от того, в каком положении она устанавливается водителем.
Расход воздуха может быть определен по размеру сечения и величине разрежения в этом сечении на любом участке потока. Выше было отмечено, что истечение топлива зависит от разрежения в диффузоре, поэтому разрежение в диффузоре также можно принять за фактор, определяющий расход воздуха.
Расход воздуха, как сжимаемой жидкости, определяют по формуле
Д
.А
о
Фиг. 140. Схема воздушного потока.
2Я
k Ро
k - 1 Vr,
2 k+\
\ Ро / \ Ро
(257)
где - коэффициент расхода воздуха;
/g - проходное сечение для воздуха в диффузоре;
Ро и Vq - соответственно давление и удельный объем воздуха в условиях наружной среды; рд - давление в диффузоре.
В том случае, когда в карбюратор воздух подается после сжатия в нагнетателе, в формулу вместо р^ и щ подставляют р^ и - параметры воздуха после нагнетателя.
Практически перепад между давлением наружной среды ро и давления в диффузоре рд, т. е. разрежение Д/? в диффузоре не превышает 2000 мм вод. ст. или 0,2 кг/см при работе двигателя с максимальным числом оборотов при полностью открытой дроссельной заслонке.
При конструировании карбюратора нужно стремиться к тому, чтобы разрежение в диффузоре, при котором обеспечивается поступление топлива из жиклеров, его распыливание и достаточное испарение, было наименьшим.
При изменении разрежения Ард в диффузоре от О до 0,2 кг/см можно с достаточной степенью точности пренебречь влиянием сжимаемости воздуха, и рассматривать его течение как движение несжимаемой жидкости. Тогда, для сечений О - О и Д - Д (фиг. 140), пренебрегая изменением энергии положения (вследствие малого удельного веса воздуха и незначительной разности высот сечений) и принимая скорость воздуха у входа Wq = О, уравнение Бернулли можно написать в следующем виде:
Рд I Ув Те 2g
где Xg.- удельный вес воздуха;
С - коэффициент сопротивлений; Wq - скорость воздуха в диффузоре.
1 ...
3 4 5 [
6 ]
7 8 9 ...
20
