Процессы газообмена в СДВС

Процесс газообмена завершает рабочий цикл дизеля. Он оказывает значительное влияние на качество очистки цилиндра от отработавших газов, величину свежего заряда, теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы, работоспособность клапанов и т. д.

Характер протекания газообмена в 4-х и 2-тактных дизелях

Система газообмена состоит из газораспределительных органов цилиндра (впускных и выпускных клапанов, окон, золотников или заслонок) и прилегающих к ним каналов и трубопроводов, входящих в газовоздушный тракт двигателя. Она входит составной частью в общую систему наддува современного дизеля.

Для качественной очистки и наполнения цилиндра свежим зарядом к системе газообмена предъявляются следующие основные требования:

1. Своевременное открытие и закрытие газораспределительных органов;
2. Достаточные проходные сечения этих органов;
3. Рациональное направление потоков воздуха и газов для данной конструкции цилиндра;
4. Оптимальное конструктивное исполнение всего воздушно-газовыпускного тракта (от приема компрессора до конца выпускной трубы), обеспечивающее минимальное гидравлическое сопротивление;
5. Необходимое количество подаваемого воздуха при соответствующем давлении, определяемом потребностями рабочего процесса.

На рис. 1 даны круговые диаграммы газораспределения в 4-тактном дизеле Pielstick PC-2-2 (a) и в 2-тактном двигателе 6S70МС (b). Эти диаграммы являются типичными для данных классов двигателей. В 4-тактных дизелях круговая диаграмма завершается через 720° пкв. Выхлопной клапан открывается в конце рабочего хода поршня при угле предварения газовыпуска ψв′ = 50–70°до НМТ и закрывается при угле ψв″ = 45–60° после ВМТ.Всасывающий клапан открывается при угле ψвс′ = 50–70° до ВМТ и закрывается при угле ψвс″ = 35–55° после НМТ.В 2-тактном дизеле диаграмма завершается через 360° пкв. Угол предварения газовыпуска может находиться в пределах ψв′ = 70–100° до НМТ, угол закрытия выпускного органа (выхлопного клапана или окна) ψв″ = 60–80°после НМТ.

Рис. 1 Круговые диаграммы газораспределения 4-х (a) и 2-тактного (b) дизеля В современных 2-тактных дизелях моменты газовыпуска близки к симметричным относительно НМТ. Моменты открытия и закрытия продувочных окон симметричны относительно НМТ, суммарный угол открытия окон находится в пределах ψпр = 70–84°.

В статье Принцип действия ДВС, основные понятия“Принцип действия ДВС” отмечались отличия процесса газообмена в 4-х и 2-тактных дизелях. Мало того – газообмен протекает по-разному в различных конструкциях дизелей одного и того же типа. Тем не менее, характер изменения давления в цилиндре и в системе в процессе газообмена каждого типа дизелей имеет много общего, что позволяет процессы обобщить.

В 4-тактном форсированном двигателе можно выделить 4-е фазы газообмена (рис. 2) в соответствии с диаграммой открытия клапанов.

I фаза — свободный выпуск; протекает от момента открытия выпускного клапана (точка b на рис. 2) до достижения минимального давления в цилиндре (точка k). От точки b давление в цилиндре снижается резко, достигая минимума за 35 ÷ 40° пкв после НМТ. За этот период из цилиндра удаляется более 1/2 отработавших газов.

II фаза — выталкивание газов движением поршня; протекает от момента достижения минимального давления в цилиндре до момента открытия выпускного клапана (точка f); по ходу выталкивания газов давление в цилиндре вначале повышается в соответствии с изменением скорости поршня, достигая максимума примерно на 1/2 хода. В конце фазы давление в цилиндре становится равным:

Pц ≈ Ps

где:

• Ps — давление в продувочном ресивере, а коэффициент остаточных газов достигает величины γr = 0,10 ÷ 0,15. За фазу выталкивания из цилиндра удаляется до 40 % газов.

Рис. 2 Характер изменения давления и фазы газообмена 4-тактного дизеля

III фаза — продувка камеры сгорания (кривая fe); определяется перекрытием клапанов — оба клапана открыты, воздух под давлением проходит из продувочного ресивера в камеру сгорания и в выпускной коллектор, очищая камеру сгорания от остаточных газов и одновременно охлаждая органы газообмена и детали цилиндра. К концу продувки коэффициент остаточных газов достигает величины γr = 0,00 ÷ 0,04. Фаза продувки наблюдается и у двигателей без наддува — за счет инерционности столба газов, в результате чего в конце выталкивания в цилиндре создается разрежение.

IV фаза — наполнение цилиндра (кривая ea), совершаемое за счет впускного хода поршня при открытом впускном клапане. Давление в цилиндре примерно постоянно; выпуск газов из соседних цилиндров не оказывает никакого влияния, т. к. выпускной клапан уже закрыт. Окончание фазы — за НМТ; хотя впускной клапан закрывается после НМТ, потери заряда при восходящем ходе поршня обычно незначительны. Мало того, несмотря на движение поршня от НМТ к ВМТ, воздух продолжает поступать в цилиндр до закрытия впускного клапана за счет инерционности воздушного столба.

В 2-тактных дизелях также можно выделить 4-е фазы газообмена (рис. 3):

I фаза — свободный выпуск газов (линия bk на рис. 3). Свободный выпуск начинается от момента открытия газовыпускного органа и обычно заканчивается при открытых на определенную величину продувочных окнах, когда давление в цилиндре достигает минимума. Выпуск газов совершается под действием перепада давлений в цилиндре и в выпускном коллекторе.

Рис. 3 Характер изменения давления и фазы газообмена 2-тактного дизеля

В свою очередь, свободный выпуск подразделяется на 2 периода — надкритический (линия bо) и подкритический (линия ok). При надкритическом истечении отношение давлений в цилиндре Pц и в выпускном коллектореPm больше критического;

Pm/Pц > βкр ≈ 0,528,

а скорость истечения равна скорости звука:

Cкр = 500 ÷ 600 м/сек.

В подкритической области свободное истечение газов в коллектор происходит при интенсивно уменьшающейся скорости. Давление в цилиндре может упасть ниже давления в выпускном коллекторе за счет эжектирующего действия потока газов.

II и III фазы — принужденный выпуск и продувка — протекают одновременно. В начальный момент открытия продувочных окон (точка d) воздух в цилиндр не поступает, т. к. давление Pd в цилиндре в этот момент больше давления продувочного воздуха: Pd > Ps. На участке dk может иметь место “заброс” газов в продувочный ресивер. Однако влияние заброса невелико — интенсивное падение давления в цилиндре благодаря увеличивающемуся проходному сечению выпускных органов приводит к быстрому выравниванию давлений в цилиндре и в продувочном ресивере.

Воздух начинает поступать в цилиндр лишь после того, как давление в нем упадет ниже давления продувочного воздуха. Такая задержка момента начала продувки объясняется влиянием инерционности массы воздуха, находящегося в продувочном ресивере. В начальный момент продувки давление в цилиндре резко нарастает вследствие интенсивного увеличения открытия продувочных окон (участок kg). Затем давление относительно стабилизируется до момента перекрытия продувочных окон (точка e).

В начале процесса продувки происходит в основном вытеснение продуктов сгорания из цилиндра и замещение их воздухом. В дальнейшем в контурных системах продувки увеличивается перемешивание воздуха и продуктов сгорания. В прямоточных системах наблюдается послойное вытеснение продуктов сгорания поступающим в цилиндр продувочным воздухом.

IV фаза — потеря заряда (участок ea на рис. 3); характеризуется частичным открытием выпускных органов при закрытых продувочных окнах и восходящем движении поршня. Продувочный воздух в цилиндр не поступает; наоборот, поршень выталкивает в выпускной коллектор часть заряда, находящегося в цилиндре. Для компенсации потери заряда выпускные органы стремятся закрыть одновременно или даже ранее продувочных. В последнем случае IV фаза включает в себя как потерю заряда, так и дозарядку цилиндра.

Рекомендуется к прочтению: Анализ идеальных циклов поршневых ДВС

Процессы очистки и наполнения цилиндров являются причиной возникновения волн давления и разрежения в выпускных и продувочных ресиверах. Газообмен – это газодинамический процесс. Волны распространяются со скоростью звука, отражаются от глухих концов трубопровода и, в свою очередь, оказывают существенное влияние на процессы газообмена. Они могут создать “подпор” на выпуске и затруднить очистку цилиндра; аналогично влияние волны разрежения в продувочном ресивере. По указанной причине давление в различных цилиндрах двигателя к моменту начала сжатия может быть различным. Соответственно различно весовое количество воздуха в цилиндре; условия работы цилиндров не идентичны.

Дизелестроительные фирмы проводят большие доводочные и исследовательские работы по выбору оптимальных моментов газораспределения, использованию волновых явлений для улучшения очистки и дозарядки цилиндров.

Анализ систем газообмена по диаграммам «время-сечение»

Степень совершенства той или иной системы газообмена оценивается качеством очистки цилиндра от остаточных газов и потерями воздуха при газообмене. Качество очистки определяется коэффициентом остаточных газов γr, о котором шла речь при изучении процесса наполнения ηн.

Неизбежные потери воздуха, связанные с перетеканием его из рабочего цилиндра в выпускной коллектор, учитываются коэффициентом избытка продувочного воздуха. Различают: геометрический φг, весовой φв коэффициенты избытка продувочного воздуха и коэффициент продувки φа.

Под геометрическим коэффициентом избытка продувочного воздуха понимают отношение объема воздуха Vk при параметрах окружающей среды Po, To, подаваемого нагнетателем за 1 оборот коленчатого вала, к рабочему объему iVs всех цилиндров двигателя (i – количество цилиндров дизеля):

φг = Vk/iVs.           Форм. 1

Рис. 4 Построение диаграммы «время-сечение»

Коэффициент φг использовался ранее для характеристики газообмена двигателей с низким уровнем форсировки. Однако с повышением степени наддува необходимость в оценке газообмена по φг, отпала, так как величина φг растет с ростом давления наддува Pк, а диапазон изменения Pк в современных двигателях весьма широк.

В современных условиях более целесообразно использовать весовой коэффициент избытка продувочного воздуха φв, равный отношению веса воздуха Gк, подаваемого нагнетателем за 1 оборот коленчатого вала, к весу воздуха Gs, который мог бы разместиться в объеме всех рабочих цилиндров при параметрах Ps и Ts (перед выпускными органами):

φв=Gк/Gs.           Форм. 2

Однако наиболее объективным критерием совершенства системы газообмена является коэффициент продувки φа, равный отношению веса воздуха Gк, подаваемого нагнетателем за 1 оборот коленчатого вала, к весу воздуха Go, оставшегося в рабочих цилиндрах к моменту начала процесса сжатия:

φa=Gк/Go.           Форм. 3

Связь между коэффициентами φв, φг, φа устанавливается в виде:

φв=Gк/Gs=P0Vk/RT0/PsiVs/RTs=φs Po/T0/Ps/Ts=φгγo/γs,            Форм. 4

где:

• (PoT0)(PsTs)-1 = γo/γs — отношение удельных весов воздуха при параметрах Po, To и Ps, Ts.

Так как: G0 = ηн Gs, то:

φa=Gк/ηнGs=φв/ηн=φг/ηнγ0/γs.           Форм. 5

Таким образом, качество газообмена оценивается параметрами: качество очистки цилиндра – величинами γr и ηн, потери воздуха – величиной φа. Однако расчет этих параметров достаточно сложен. Поэтому для анализа качества газообмена используется косвенный метод.

Анализ той или иной системы газообмена удобно вести с помощью диаграмм «время-сечения» (рис. 4). Если на графике по оси абсцисс откладывать время, по оси ординат — площадь открытия продувочно-выпускных органов, то площадь под кривой открытия органов газообмена даст «время—сечение»:

A=∫τ1τ2 f·dτ.            Форм. 6

«Время-сечение» в какой-то степени характеризует качество очистки цилиндра и потерю заряда, поскольку чем больше площадь проходных сечений продувочно-выпускного трактаЗагрязнение продувочно-выпускного тракта и время их открытия, тем, с одной стороны, лучше очистка цилиндра, с другой — больше потери заряда.

Показатели степени совершенства системы газообмена — коэффициенты γr, ηн и φa — зависят главным образом от типа системы продувки 2-тактовых ДВС (контурная поперечная, контурная петлевая, прямоточно-щелевая, прямоточно-клапанная) и моментов газораспределения в 4-тактовых двигателях.

Контурная поперечная система газообмена

Контурная поперечная система газообмена традиционно применялась в двигателях завода “Русский Дизель”, в малооборотных двигателях фирм Фиат (GMT) и Зульцер (старой конструкции).

Рассмотрение этой системы газообмена носит познавательный характер, поскольку на современных дизелях такая система не используется, встречается крайне редко на доживающих свой век судах. В нижней части цилиндровой втулки имеется 2 типа окон – выпускные и продувочные.

Если выпускные окна выше продувочных, то диаграмма «время—сечение» имеет вид, представленный на рис. 5. При построении диаграммы условно принято, что конец I фазы (свободного выпуска) совпадает с началом открытия продувочных окон (точка d). Диаграмма симметрична относительно НМТ, «время—сечения» I и IV фаз (AI АIV) одинаково.

Рис. 5 Диаграмма «время-сечение» при контурной поперечной системе газообмена

Достоинство такой схемы системы газообмена — ее простота. Недостатки — низкое качество очистки и наполнения цилиндра из-за значительного перемешивания продувочного воздуха и остаточных газов (γr = 0,2 ÷ 0,5, ηн = 0,4 ÷ 0,5), большие потери воздуха (φа = 1,8 ÷ 2,2). Потери воздуха определяются наличием IV участка фазы газообмена, во время которого из цилиндра выталкивается до 8-10 % свежего заряда, а также перетекание воздуха из продувочных окон сразу в выпускные.

Для устранения последнего недостатка фирма Зульцер в двигателях ряда RD и последующих модификациях применила дополнительный ряд продувочных окон, расположенный под выпускными, развернула боковые продувочные окна (рис. 6). Дополнительные окна предназначены для “подпора” основного потока. Такая схема иногда называется “фонтанной продувкой”.

Рис. 6 Диаграмма «время-сечение» двигателей Zulser типа RND

Желание уменьшить влияние IV участка на потерю заряда привело к выполнению верхней кромки продувочных окон на одном уровне или даже выше верхней кромки выпускных окон. Такое решение требует применения автоматических клапанов на продувочных окнах. Примером могут служить двигатели Polar и GMT (рис. 7). Для уменьшения сопротивления автоматических клапанов фирма Зульцер в одной из своих модификаций двигателей применила 2 ряда продувочных окон, из них лишь верхний ряд – с автоматическими клапанами. Во время свободного выпуска автоматические клапаны закрыты; они открываются лишь, когда давление в цилиндре станет меньше давления продувочного воздуха.

При движении поршня вверх продувочные окна закрываются одновременно с выпускными. Несмотря на это, избежать потери заряда в этих системах не удалось – поршень выталкивает часть воздуха через выпускные окна. Правда, эти потери частично восполняются за счет одновременно протекающей дозарядки.

Другой путь борьбы с потерями заряда на IV участке избрала фирма Зульцер в двигателях RD, применив вращающиеся заслонки на выпускных окнах. Заслонки частично ликвидировали потерю заряда, однако применение этого узла, работающего в зоне высоких температур, усложнило конструкцию двигателя и снизило его надежность. Поэтому в последующих модификациях двигателей от заслонок на выпуске отказались.

Рис. 7 Система газообмена двигателей GMT (Fiat)

Несмотря на принятые конструктивные меры, коэффициент остаточных газов γr в двигателях с контурными системами газообмена довольно высок. Он значительно возрастает при увеличении высоты цилиндра (увеличении хода поршня), что явилось преградой в создании длинноходовых моделей малооборотных дизелей с контурными системами газообмена.

Контурная петлевая система газообмена

Стремясь избежать перетекания воздуха и одновременно обеспечить лучшее направление потока, фирма МАН применяла контурную петлевую систему газообмена, в которой продувочные окна расположены под выпускными на одной стороне цилиндра (рис. 8). Противоположная глухая стена направляет поток. При движении поршня к НМТ после точки e проходное сечение выпускных окон остается неизменным.

Рис. 8 Диаграмма «время-сечение» при контурной петлевой системе газообмена

Рассматриваемая система имеет ряд недостатков: малоэффективен участок еа (перемычки между окнами задерживают открытие продувочных окон), имеет место большая потеря заряда на IV участке. Для устранения потери заряда на IV участке фирма МАН на некоторых двигателях применила вращающиеся золотники за выпускными окнами, однако в дальнейшем от такого решения отказалась (как и фирма Зульцер).

Совершенствование петлевой продувки привело к конструктивному усложнению окон. Развертка зеркала цилиндра и вид диаграммы «время-сечение» в двигателе KZ 70/120 даны на рис. 9.

Рис. 2 Диаграмма «время-сечение» двигателя MAN типа KZ

Как видно из рисунка, и выпускные, и продувочные окна имеют переменную высоту. Такое решение позволило устранить влияние перемычки между окнами на задержку начала продувки, уменьшило IV фазу. Тем не менее, IV участка избежать не удалось: потери заряда на нем достигают до 8 %. Качество очистки цилиндра характеризуется коэффициентом остаточных газов, равным γr = 0,08 ÷ 0,20, и коэффициентом наполнения, не превышающем величины ηн = 0,65 ÷ 0,70. Коэффициент продувки, характеризующий потери заряда достигает величины φа = 1,6 ÷ 1,65.

Прямоточно-щелевая система газообмена

Прямоточно-щелевая продувка находила широкое применение как на русских двигателях (3Д-100, 16ДПН 23/2×30), так и на зарубежных — фирм Доксфорд, Юнкере, Харланд и Вольф и др. двигателях с противоположно движущимися поршнями. При этом при такой системе газообмена тронковая конструкция дизеля требует наличия 3-ух коленчатых валов – верхнего и нижнего. Крейцкопфная конструкция позволяет организовать передачу усилий как от верхнего, так и от нижнего поршней на один коленчатый вал. Расположение окон по всему периметру цилиндра позволяет при уменьшенной высоте окон обеспечить необходимое «время-сечение» АII и АIII при относительно небольшой потере заряда, облегчает организацию движения газовоздушного потока, улучшает очистку цилиндра (рис. 10). Пониженные потери заряда, лучшая очистка цилиндра по сравнению с контурными системами приводит, при прочих равных условиях, к повышению среднего индикаторного давленияОпределение среднего индикаторного давления примерно на 10 %.

Рис. 10 Время-сечение при прямоточно-щелевом газообмене

Диаграмма «время-сечение» при прямоточно-щелевой продувке зависит от угла γ заклинки верхнего и нижнего поршней. Если поршни приходят в крайние положения одновременно (γ = 0), то диаграмма «время-сечение» аналогична по форме контурной поперечной системе газообмена и включает в себя обязательную потерю заряда на IV участке (рис. 10, а).

Если один из поршней приходит в крайнее положение с опозданием на некоторый угол γ по сравнению с другим поршнем, то при определенных значениях этого угла можно обеспечить одновременное закрытие окон или даже дозарядку после закрытия выпускных окон (рис. 10, б, в). Таким образом, в прямоточно-щелевых системах можно обеспечить рациональную диаграмму «время-сечение», у которой отсутствует потеря заряда на IV участке.

Смещение поршней приводит к перераспределению мощности между верхним и нижним поршнями: при γ = 12° отстающий поршень и соответствующий коленчатый вал передает около 30 % мощности, опережающий — 70 %. Если опережающий поршень — нижний, то он должен управлять газовыпуском (т. е. нижние окна должны быть выпускными).

Достоинства системы — высокое качество газообмена:

γr = 0,05 ÷ 0,07;

ηн = 0,7 ÷ 0,75;

φа = 1,45 ÷ 1,55.

Недостатки — сложность конструкции двигателя, тяжелые условия работы поршней, управляющих выпуском, нарушение уравновешенностиДействие неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус судна дизеля и значительное ухудшение условий газообмена при реверсе дизеля в случае, когда γ ≠ 0 (фазы АI и АIV меняются местами).

Прямоточно-клапанная система газообмена

Прямоточно-клапанная продувка (рис. 11) нашла широкое применение в двигателях различного класса, в том числе в российских дизелях ДН 23/30 (40 ДМ), в малооборотных двигателях фирм Бурмейстер и Вайн, Сторк, Гётаверкен, Мицубиши и др.

Все современные малооборотные дизели производятся только с прямоточно-клапанным газообменом.

Продувочные окна в этих двигателях расположены по всему периметру цилиндра, что позволяет обеспечить достаточные проходные сечения при уменьшенной высоте окон и, соответственно, сниженной доле потерянного хода поршня по сравнению с контурными системами.

Выпускные клапаны (обычно от 1 до 4 единиц на цилиндр) приводятся с помощью кулачной шайбы. Подбором профиля шайбы и соответствующим углом ее заклинки обеспечиваются широкие возможности варьирования диаграммы «время-сечение». На рис. 11 показана диаграмма, в которой отсутствует потеря заряда на IV-м участке — выпускной клапан закрывается практически одновременно с продувочными окнами.

Рис. 11 Прямоточно-клапанная система газообмена

Достоинства системы — хорошая очистка цилиндра и сравнительно малые потери заряда: γr = 0,05 ÷ 0,07; φа = 1,45 ÷ 1,55. Система имеет самые широкие возможности создания длинно-ходовых двигателей со сниженной частотой вращения без ухудшения качества газообмена.

Недостатки системы — тяжелые условия работы выпускного клапана и крышки, ограниченное проходное сечение клапанов и малая скорость нарастания сечения по сравнению со скоростью открытия окон, инерционность привода выпускных клапанов. Ограничения по скорости открытия клапанов заставляет устанавливать угол опережения открытия выпускного клапана за 75 ÷ 90° пкв до НМТ и переходить на гидравлическое их открытие.

В электронно управляемых дизелях, где отсутствует распредвал, использование гидравлического приводы выхлопного клапана, работающего по команде процессора, позволяет оптимизировать моменты газораспределения не только с точки зрения скорости нарастания проходных сечений, но и с учетом режима работы дизеля.

Система газообмена 4-тактных дизелей

Клапанное газораспределение в 4-тактных двигателях позволяет обеспечить оптимальное соотношение фаз газообмена, наилучшие условия очистки и наполнения цилиндров. Большое время открытия клапанов, наличие механического органа очистки и наполнения — поршня, наличие перекрытия клапанов обеспечивает показатели качества газообмена: γr = 0,0 ÷ 0,04, ηн = 0,95 ÷ 1,0, φа = 1,0 ÷ 1,4. Верхние значения показателя φа относятся к высокофорсированным двигателям, в которых избыток воздуха при продувке используется для охлаждения клапанов. Диаграмма «время-сечение» полностью определяется законом открытия впускных и выпускных клапанов.

Недостаток системы — более сложная конструкция, высокая температура и соответственно более низкая надежность выпускных клапанов. У форсированных двигателей максимальная температура клапанов может достигать 600 °C, у высокооборотных — даже 900 °C.

Следует обратить внимание на поддержание в условиях эксплуатации предусмотренных инструкцией моментов газораспределения. Моменты газораспределения устанавливаются фирмой-строителем в результате длительных стендовых испытаний двигателя из условия обеспечения не только высокого качества газообмена, но и высокой экономичности. Так, если установить слишком раннее опережения открытия выпускного клапана (рис. 12, а), то в этом случае потеря индикаторной работы Δl1 на ходе расширения оказывается больше выигрыша в работе Δl2 на ходе выталкивания. Кроме того, при этом повышается температура клапана. При слишком позднем открытии клапана (точка в2 на рис. 12, б) затраты работы на ходе выталкивания Δl2 оказываются больше выигрыша Δl1 на ходе расширения (т. к. к началу хода выталкивания выпускной клапан еще не успел открыться на достаточную величину, давление в цилиндре повышенное; на преодоление этого давления затрачивается дополнительная работа). Как в первом, так и во втором случаях индикаторный КПД двигателя снижается.

Рис. 12 Зависимость потерь индикаторной работы от угла опережения открытия выпускного клапана:
а – раннее открытие и б – позднее открытие клапана

В условиях эксплуатации качество газообмена оценивается путем анализа комплекса параметров, характеризующих рабочий процесс двигателя (среднее индикаторное давление, температура отработавших газов, цвет газов, давление продувочного воздуха и т. д.). Ухудшение процесса газообмена может быть определено путем осмотра цилиндра и всего продувочно-выпускного тракта по загоранию окон, наличию нагара и отложений на деталях цилиндра и в газовом тракте.

Расчет процесса газообмена

Расчет процесса газообмена, ввиду его скоротечности и сложности, носит ориентировочный характер. Для расчетов используется методика проф. Орлина А. С. Методика является поверочной, может применяться как при проектировании новых систем газообмена, так и при оценке конструкций, находящихся в эксплуатации.

Методика не ставит своей целью определение показателей качества газообмена. Качество газообмена оценивается косвенным путем — сравнением располагаемого «время-сечения» фаз газообмена и теоретически необходимого «время-сечения», а также оценкой абсолютной величины условных скоростей истечения газов за каждую фазу газообмена. Располагаемое «время-сечение» можно найти, задавшись размерами системы или сняв размеры с выполненной конструкции. Теоретически необходимое «время-сечение» определяется расчетом на основе уравнений одномерного потока.

Определение располагаемого «время-сечения»

Если конструкция системы газообмена задана, то располагаемое «время-сечение» фаз газообмена в 2-тактном двигателе может быть определено в следующем порядке (при условии постоянной ширины окон по ходу поршня).

1. Рассчитывается поправка профессора Брикса на конечную длину шатуна: 001 = R2/2L. Здесь R — радиус кривошипа, L — длина шатуна.
2. Выбираются масштабные коэффициенты: линейных перемещений MR мм двигателя см чертежа и угла поворота коленчатого вала Mφ° пкв/см чертежа.
3. Рассчитываются масштабные коэффициенты площадей открытия продувочных Mfпр и выпускных MFв окон, масштабный коэффициент времени Mτ и общие масштабные коэффициенты диаграмм «время-сечение» MFпр-τ и MFв-τ:

MFпр =MR Впр sinβпрcosγпр= м2 дв./cм черт;

MFв =MR ВB sinβB cosγB, м2 дв./см черт;

Mτ =Mφ/6n, с/см черт;          Форм. 7

MF пр–τ = MF пр Mτ, м2 дв. с/см2 черт;

MF в–τ MF в Mτ, м2 дв. с/см2 черт;

где:

• Bпр и Bв — суммарная ширина продувочных и выпускных окон, м;
• βпр и βв — углы наклона окон к оси цилиндра (рис. 13);
• γпр и γв — углы наклона окон к радиусу цилиндра;
• n — частота вращения коленчатого вала, об/мин.

4 С учетом выбранных масштабов строится схема расположения окон, совмещенная с диаграммой Брикса (рис. 13); с выбранным интервалом Δφ определяется высота открытия окон и строится график линейного открытия окон в функции угла поворота коленчатого вала. Построенная диаграмма будет являться в то же время и диаграммой «время-сечение».

Рис. 13 Построение диаграммы располагаемого «время-сечения»

5 Снимаются площади F1, F2, F3 и рассчитывается «время-сечение» свободного выпуска AI принужденного выпуска AII и продувки AIII:

АI =F1 МFв–τ, м2 с;

АII =F2 МFв–τ, м2 с;

АIII =F3 MFпр–τ, м2 с.          Форм. 8

В случае, когда ширина окон изменяется по ходу поршня, то с диаграммой Брикса (см. рис. 13) совмещается не схема расположения окон, а их развертка по зеркалу цилиндра. В этом случае выбирается масштабный коэффициент площади открытия окон MF и строится диаграмма площади открытия окон непосредственно в функции φ. Для каждого значения φi площадь открытия окон рассчитывается.

При клапаном газораспределении (в 2-тактных двигателях с прямоточно-клапанной продувкой или в 4-тактных ДВС) «время-сечение» определяется законом открытия клапана hкл(φ). Эта же кривая определяет и площадь открытия проходных каналов. Масштабный коэффициент площади равен:

MFкл =MR πDкл cos α м2 дв./cм черт.,           Форм. 9

где:

• Dкл — средний диаметр посадочного пояска клапана, м;
• α — угол наклона тарелки клапана.

Рис. 14 Эскиз выпускного клапана

Если максимальное открытие клапана обеспечивает площадь

Fвmax

больше площади горловины клапана Fгорл, то диаграмма «время-сечение» должна быть обрезана сверху (рис. 15).

Рис. 15 Диаграмма «время-сечение» при Fгорл<Fвmax

Такое решение используется для увеличения скорости нарастания проходных сечений и соответствующего увеличения «время-сечения» по сравнению со случаем, когда

Fвmax

равно Fгорл.

Определение теоретически необходимого «время-сечения»

Теоретически необходимое «время-сечение» рассчитывается на основе уравнения расхода:

dG = μF P/νΨ·dτ,          Форм. 10

где:

• G – расход;
• μF – эффективное проходное сечение;
• P – давление;
• ν – удельный объем;
• Ψ – функция перепада давления;
• τ – время.

В судовых двигателях свободное истечение газов происходит как в надкритической, так и в подкритической области. С учетом этого можно после ряда преобразований получить такую зависимость для теоретически необходимого «время-сечения» свободного выпуска:

I1 = ∫τвτнfвdτ = Vb + Vн2μ1Tb· 0.496 + 0.102PmPнPbPm0.115 – 0.59 – 0.09 In VнVb,          Форм. 11

 
где:

• Pb, Vb, Тb — параметры газа в точке b цикла;
• Pн, Vн — давление и объем в цилиндре в конце фазы свободного выпуска;
• Pm, МПа — давление в выпускном коллекторе;
• μ1 — коэффициент истечения.

Давления можно принять равными: Pн = (0,9 ÷ 0,95) Ps, Pт = (0,88 ÷ 0,96) Ps. В первом приближении принимается: Vн ≈ Vd, где Vd, м3 — объем цилиндра в момент открытия продувочных окон (или у 4-тактных двигателей — объем цилиндра при положении поршня в НМТ). Величина коэффициента расхода обычно находится в пределах: μ1 = 0,65 ÷ 0,85. После расчета I1 объем Vн уточняется, расчет производится во 2-м приближении.

Уравнение (Формула 11) позволяет решить и другую задачу — найти величину давления в цилиндре в момент открытия продувочных окон (или в нижней мертвой точке — у 4-тактных двигателей). Для этого в уравнение необходимо подставить располагаемое «время-сечение» A1 и решить его относительно давления Pd:

Pd = 0.102PT2μ1Tb ·A1 / Vb + Vd + 0.59 + 0.09InVd / VbPm / Pb0.115 – 0.496.           Форм. 12

При расчете теоретически необходимого «время-сечения» принужденного выпуска в 2- тактных двигателях предполагается, что во время всего процесса выпуска давление в цилиндре и в выпускном коллекторе не изменяется, истечение — адиабатное подкритическое. Тогда «время-сечение» III определится так:

III = ∫τNτafв·dτ = GII·RTнμ2ψв·Pн·104.          Форм. 13

Вес газов GII равен разности между весом воздуха GIII, поступающим в цилиндр, и весом газов GI, вытекающих из цилиндра за период свободного выпуска (весом топлива, подаваемого в цилиндр, пренебрегаем):

GII ≈ GIII–GI;            Форм. 14

где:

GI = PbVb/RTb – PнVн/RTн 103, кг;          Форм. 15

Tн = Tb Pн/Pbm–1/m;         Форм. 16

где:

• m — средний показатель политропы расширения; показатель может быть принят равным: m ≈ 1,3

GIII = VS φг/ν0;           Форм. 17

ν0 = RT0/P0 103, м3/кг;         Форм. 18

• ΨВ — функция перепада давления Pm/Pн:

ΨВ = 2gkk–1·PmPн2k – PmPнk+1k;           Форм. 19

где:

• μ2 — коэффициент расхода;
• Обычно находится в пределах: μ2 = 0,70 ÷ 0,75.

«Время-сечение» продувки IIII определяется аналогично III:

IIII = ∫τNτa fпр dτ = GIII·RTsμ3ψпр·Ps·104,          Форм. 20

где:

• Ψпр — функция перепада давления Pн/Ps; рассчитывается по формуле 19 или принимается по графикам.

Для оценки достаточности проходных сечений органов газообмена в 2-тактных дизелях находится отношение располагаемого и теоретически необходимого «время-сечения» фаз газообмена. Обычно это отношение больше 1, т. к. в теоретических расчетах не учитывается динамика газовоздушного потока. Кроме того, необходимо обеспечить запас проходных сечений в процессе эксплуатации. Однако в ряде случаев отношение A1/I1 может быть меньше I, что указывает на возможность заброса газов в продувочный ресивер.

Оценка достаточности проходных сечений может быть сделана и другим путем — расчетом средних условных скоростей истечения газов и воздуха:

WI = GIν0/AI;

WII = φгVs – Gν0/AII;

WIII = φгVs/AIII.          Форм. 21

Обычно WI = 180 ÷ 700, WII = 40 ÷ 250, WIII = 60 ÷ 200 м/сек; верхние значения относятся к высокофорсированным двигателям. Если скорости слишком велики, а отношение А/I меньше I, то это косвенно указывает на плохое качество газообмена из-за недостаточности проходных сечений.