Конспект лекции Схемы газообмена двухтактных дизелей

Схемы газообмена двухтактного дизеля

Общие сведения. Схемы газообмена дизелей в зависимости от направления движения потоков воздуха внутри цилиндра подразделяют на два основных типа - контурные и прямоточные. Размеры окон и выпускных клапанов, фазы их открытия даны в табл. 10.1 и 10.2.

Контурные схемы. Типичная для контурной схемы организация газообмена заключается в том, что поступающий через продувочные окна поток продувочного воздуха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описывают контур цилиндра. Сначала воздух по одной стороне цилиндра поднимается, у крышки поворачивается на 180° и опускается к выпускным окнам. Так организован газообмен в односторонней щелевой (петлевой) схеме фирмы МАН (рис. 10.9, а) или в близкой к ней схеме фирмы «Зульцер» (рис. 10.9, б). Здесь для прохода воздуха и газов служат окна, выфрезерованные во втулке на одной стороне цилиндра, верхний ряд занимают выпускные 2, а нижний - продувочные 1. Моментами их открытия и закрытия управляет поршень.

Момент газораспределения, ° п. к. в.

Доля потерян-ного хода пор-шня к момен-ту закрытия органов

Двигатель

Открытие органов

Закрытие органов

продувочных

выпускных

продувочных

выпускных

продувочных

выпускных

МАН-B&W(БМЗ)

VT2BF (ДКРН2)

41

92

41

56

0,0967

0.178

KGF (ДКРН4)

41

95

41

55

_-

LGFCA(ДКРН7)

41

72

41

78

0,086

_-

LMC (ДКРН10)

41

70

41

80

0,086

_-

Зульцер:

RD

48

68

48

60

0,126

0,218

RND

51

67

51

67

0,14

0,25

МАН:

KZ

48

68

48

68

0,079

0,26

KSZ

42

62

42

62

0,096

0,27

Выпускные окна при рабочем ходе поршня вниз открываются первыми, и начинается процесс свободного выпуска. Продукты сгорания под действием перепада давлений (р_ц - р_Т) покидают цилиндр. Затем открываются продувочные окна и наддувочный воздух устремляется вверх, вытесняя из цилиндра продукты сгорания через открытые выпускные окна. В своем движении в цилиндре воздух описывает характерную для двигателей МАН петлю, поэтому такой тип продувки часто называют петлевой. Существенным недостатком газообмена в двигателях МАН KZ является наличие заброса газов из цилиндра в ресивер в начале продувки, когда только открываются продувочные окна. Нередко это является причиной пожаров в ресиверах. Качество очистки цилиндров хорошее () при относительно небольших расходах воздуха на продувку ().

В двигателе Зульцер продувочные окна занимают большую часть окружности цилиндра, поэтому петлевой характер тока воздуха менее выражен, наблюдается большее перемешивание входящего в цилиндр воздуха с вытесняемыми им продуктами сгорания. Отсюда и несколько хуже очистка цилиндра ( ) Перемешиванию способствует и интенсивное поступление воздуха в цилиндр в начале продувки из-за

Схема газообмена

Продувочные окна

Выпускные окна

Выпускной клапан

k_s

b_s

h_b

_bb

D_кл/D

H_кл/D

Контурная

(0,08- 0,15)S

(0,2-0,4)πD

(0,16- 0,25)S

(0,18-0,25)πD

Прямоточная

(0,08- 0,15)S

(0,55- 0,78)πD

(0,16-0,20)S

(0,50-0,62)πD

0,5

0,22- 0,27

создаваемого в этот момент подпоршневым насосом большого перепада давлений, необходимого для избежания заброса газов в ресивер в начале продувки. Подпоршневой насос в двигателях серии RD к моменту открытия продувочных окон поднимает давление перед ними с 0,17 МПа (давление наддува) до 0,21 МПа.

Поскольку при восходящем движении поршня сначала закрываются продувочные окна и в течение некоторого времени остаются открытыми выпускные, возможна потеря части заполнившего цилиндр воздуха. Это нежелательно, поэтому фирма прибегает к установке в выпускных каналах за окнами 2 заслонки 3 (см. рис. 10.9, б). Фазы движения заслонок подобраны таким образом, чтобы при подходе поршня к верхней кромке продувочных окон (при движении его вверх) заслонка, разворачиваясь, перекрывала канал за выпускными окнами, изолируя цилиндр от выпускной системы. Таким образом, газообмен заканчивается одновременно с окончанием продувки. Долю потерянного на газообмен хода поршня при наличии заслонки необходимо принимать с учетом высоты только продувочных окон (для двигателей RD принимают ) Необходимость в заслонках диктуется также наличием у поршней двигателя RD короткой юбки. Действительно, когда поршень находится в верхней части цилиндра, выпускные и продувочные окна оказываются открытыми, и если бы заслонка не перекрывала выпускной канал, то продувочный воздух, поступая в цилиндр под поршень, свободно уходил бы из цилиндра в выпускную систему.

Наличие заслонок и привода к ним усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя. В двигателях серий RND и RLB фирма применила наддув с турбинами постоянного давления, удлинила юбку поршня, и это дало возможность отказаться от заслонок. Контурные схемы газообмена были широко распространены в судовых малооборотных двигателях, выпускавшихся до 80-х годов фирмами МАН, Зульцер, Фиат, «Русский Дизель» и др. В дальнейшем в связи с ростом форсирования рабочего процесса наддувом, увеличением отношения S/D контурные схемы, несмотря на свою конструктивную простоту, не смогли конкурировать с прямоточными. Этим объясняется, что в настоящее время выпускаются исключительно двигатели с прямоточными схемами газообмена. В этом сыграли решающую роль недостатки контурных схем:

худшее качество очистки цилиндра, особенно верхней части, с увеличением высоты цилиндра при увеличении отношения S/D;

больший расход воздуха на продувку, увеличивающийся с ростом наддува и связанной с этим плотности продувочного воздуха;

несимметричное распределение температур у втулки цилиндра и поршня, а отсюда и неравномерная их деформация, так как в зоне выпускных окон температура выше, чем в зоне продувочных окон; с ростом наддува и необходимостью более раннего отбора газов на ГТН неравномерность температурного поля усиливается, что приводит к задирам ЦПГ, появлению трещин.

Прямоточные схемы. Характерным для прямоточной схемы газообмена является наличие прямого тока воздуха вдоль оси цилиндра, преимущественно с послойным вытеснением продуктов сгорания. В результате хорошей организации газообмена судовые двигатели с прямоточной схемой продувки имеют наиболее низкие значения коэффициента остаточных газов ().

Прямоточно-клапанная схема газообмена (рис. 10.10) применена в двухтактных двигателях БМЗ, МАН-Бурмейстер и Вайн, Зульцер RTA.

Продувочные окна расположены в нижней части втулки равномерно по всей окружности цилиндра, что обеспечивает большие проходные сечения и малое сопротивление окон, а также равномерное распределение воздуха по сечению цилиндра. Тангенциальное расположение окон 2 в плане способствует закручиванию потоков поступающего через патрубок 3 в цилиндр воздуха. Вихревое движение воздуха в цилиндре сохраняется до конца такта сжатия, и при впрыске топлива его частицы захватываются вихрями и разносятся по пространству камеры сгорания, вследствие чего существенно улучшается смесеобразование.

Выпуск газов из цилиндра происходит через клапан 1 в крышке цилиндра (привод клапанов осуществляется от распределительного вала). Профилированием кулака клапана можно легко подбирать и устанавливать необходимые фазы газораспределения: прежде всего, открывать его с большим опережением (), что дает возможность отбирать газ из цилиндра при повышенном давлении (=0.7 МПа) и тем самым увеличивать мощность газовой турбины. Клапан начинает закрываться после перекрытия поршнем продувочных окон (). Окончание газообмена и начало процесса сжатия можно считать совпадающими с моментом закрытия поршнем продувочных окон, и относительная величина потерянной части хода поршня в этом случае определяется высотой продувочных окон.

Прямоточно-щелевую схему газообмена применяют в судовых и тепловозных двигателях с противоположно движущимися поршнями (Д Оксфорд, Д100). Характерной особенностью является расположение продувочных и выпускных окон по концам цилиндра. При этом один поршень (нижний или верхний) управляет фазами открытия и закрытия выпускных, а другой - продувочных окон. Поскольку для обеспечения фазы свободного выпуска выпускные окна должны открываться раньше продувочных, то управляющие ими поршни движутся с опережением по отношению к противоположно перемещающимся поршням. Это достигается взаимным смещением кривошипов верхнего и нижнего рядов поршней на угол 6-12° п. к. в.

Организация потоков воздуха и газов в цилиндре такая же, как в рассмотренной схеме, качественные показатели продувки также подобны.

Прямоточные схемы газообмена по сравнению с контурными имеют некоторые преимущества: лучшее качество газообмена и меньшие потери воздуха на продувку; наличие управляемого выпуска, благодаря чему имеется возможность варьирования энергией газов, направляемых в ТК; симметричное распределение температур во втулке цилиндра и головке поршня и др.

Коэффициент наполнения. Заряд воздуха в цилиндре

Основная задача газообмена состоит в наполнении цилиндров двигателя зарядом свежего воздуха. В идеальном случае в цилиндре двигателя может быть размещено воздуха. Для этого необходимо, чтобы весь рабочий объем был заполнен только воздухом при параметрах и . В действительности количество размещающегося в цилиндре свежего заряда всегда меньше теоретически возможного . Причины этого в основном сводятся к следующим двум факторам.

Первый фактор, определяющий снижение заряда воздуха, состоит в уменьшении давления и повышении температуры поступающего в цилиндр воздуха в процессе наполнения.

Давление в цилиндре в конце наполнения , как правило, меньше давления перед цилиндром вследствие потерь на перетекание воздуха из ресивера в цилиндр и составляет в двигателях четырехтактном , двухтактном Верхние пределы характерны для двигателя с импульсным наддувом. Причина случаев, когда изложена в § 10.3.

Температура воздуха в цилиндре в конце наполнения Т_а выше температуры T_s, так как во время наполнения воздух нагревается от стенок цилиндра на и в цилиндре смешивается с находящимися в нем остаточными газами, имеющими температуру 700.

Температура

(10.8)

где

Из уравнения состояния pV = RT, которое может быть также записано =RT, находим плотность . Отсюда плотность воздуха в ресивере , в цилиндре .

Поскольку р_а < р_s; Т_а > Т_s, то плотность воздуха в цилиндре р_а меньше плотности воздуха перед цилиндром р_s (в ресивере). В результате масса заряда воздуха, попавшего в период наполнения в цилиндр, находится в прямой зависимости от плотности и будет меньше массы, которую можно было бы разместить, если бы параметры воздуха оставались равными р_s и Т_s.

Второй фактор, определяющий сокращение заряда воздуха, состоит в невозможности полного использования рабочего объема цилиндра для размещения в нем воздуха. Часть объема занимают оставшиеся после газообмена продукты сгорания (остаточные газы), которые полностью удалить из цилиндра не удается.

Количество остаточных газов характеризуется коэффициентом γ_г = G_r/G_B, значение которого зависит от совершенства процессов очистки цилиндра от продуктов сгорания и газообмена в целом.

Мерой количественной оценки процесса наполнения цилиндров воздухом служит коэффициент наполнения η_н = G_В/G_Vs - отношение массы оставшегося в цилиндре к окончанию газообмена заряда воздуха G_B к массе воздуха G_Vs которая теоретически могла бы заполнить рабочий объем цилиндра V_s при параметрах перед цилиндром ρ_s и Т_s. Для более глубокого анализа и расчетов можно воспользоваться выражениями

(10.9)

(10.10)

где ε - действительная степень сжатия.

Выражения составлены исходя из предположения, что при наполнении используется полезный объем цилиндра V_s. Поэтому если необходимо η_н отнести ко всему рабочему объему V'_s, то необходимо выражение умножить на отношение V_s/V'_s = 1-ψ_s (где ψ_s - относительные значения потерянного хода поршня на газообмен).

Зная коэффициент наполнения η_н, нетрудно определить массу заряда воздуха G_B = G_Vs η_н. В свою очередь G_Vs = ρ_sV_s тогда

(10.11)

К снижению заряда воздуха G_B, а именно оно может отрицательно отразиться на мощности и экономичности двигателя, приводит уменьшение коэффициента наполнения η_н и плотности воздуха ρ_s. Коэффициент наполнения мало меняется при изменении режима работы двигателя (частоты вращения и нагрузки), практически не зависит от параметров окружающей среды, но может существенно понизиться при загрязнении впускного и выпускного трактов двигателя, продувочных и выпускных окон. Плотность воздуха ρ_s в противоположность η_н существенно зависит от состояния окружающей среды-давления р₀ и температуры Т₀ атмосферного воздуха, его влажности φ, температуры забортной воды T_вз. Уменьшение плотности ρ_s возможно, когда падает давление p_s и растет температура T_s

где π_к - степень повышения давления в ГТК; Δр_во - падение давления в воздухоохладителе вследствие его сопротивления (Δр_во ~ 0,001 - 0,002 МПа); ΔT_охл - температурный напор в воздухоохладителе ΔT_охл - 10 - 12 °С).

Из представленных выражений видно, что давление р_а находится в прямой зависимости от р₀ и с его падением соответственно снижается, приводя к уменьшению плотности воздуха p_s и заряда воздуха в цилиндрах G_B.

Однако само изменение атмосферного давления не столь уж велико - обычно 96-105 кПа (720-780 мм рт. ст.). Более существенно изменение температуры воздуха Т₀, которая в тропиках может увеличиться до 35°С, соответственно до 32-33°С возрастает температура забортной воды. Если воздухоохладитель обладает достаточно развитой поверхностью охлаждения и находится в технически исправном состоянии, он будет поддерживать температуру воздуха перед цилиндрами Т_а на необходимом уровне вне зависимости от изменений Т₀ и Т_вз. Это означает, что в таком двигателе плотность ρ_s и заряд воздуха G_B оказываются независимыми от внешних условий. Иначе, если воздухоохладитель не обладает необходимым запасом охлаждающей способности, на изменение температуры окружающей среды будет реагировать двигатель. У такого двигателя при переходе судна в тропики температура воздуха за турбокомпрессорами Т_к будет расти пропорционально росту Т₀, следуя зависимости . Будет увеличиваться и температура за воздухоохладителями Т_s, а это, как уже отмечалось, приведет к падению p_s и снижению заряда воздуха G_В.

Как будет дальше показано, уменьшение заряда воздуха в цилиндрах отрицательно сказывается на сгорании топлива и влечет за собой рост температур и температурных напряжений в ЦПГ. Поэтому приходится идти на снижение мощности двигателя путем сокращения подачи топлива в цилиндры. Существенное влияние на воздух оказывает его влажность, характеризуемая относительной влажностью

где ρ_п - плотность водяного пара во влажном воздухе; ρ_{п max} - максимально возможная плотность пара при данных давлениях и температуре смеси

Таблица 10.3

содержащегося в воздухе пара. Для пересчета можно воспользоваться формулой

где d = G_п/G_B - влагосодержание (здесь G_п - масса водяного пара, табл. 10.3).

6