Конспект лекции «Газообмен в четырехтактном дизеле»


Автор: Малышев Юрий НиколаевичСсылка на страницу с работой: https://infourok.ru/konspekt-lekcii-gazoobmen-v-chetirehtaktnom-dizele-626311.htmlПроцесс газообмена. Газообмен в четырехтактном дизеле.
Процесс газообмена (наполнения). Физические основы. Критерии оценки газообмена (наполнения)
Общие сведения. Для осуществления рабочего цикла необходимо после завершения процесса расширения удалить из цилиндра продукты сгорания и заполнить его к началу сжатия зарядом свежего воздуха. Эти задачи решаются в процессе газообмена. Схема газовоздушного тракта двигателя с наддувом и обозначения параметров воздуха и газов в отдельных его элементах показаны на рис. 10.2.
Параметры воздуха и газов на выпуске и впуске. Заданную степень форсирования рабочего процесса обусловливает давление наддува ps, которое представляет собой давление воздуха в ресивере непосредственно перед впускными органами. Давление воздуха pk создаваемое наддувочными агрегатами (см. рис. 10.2), должно быть выше давления ps на значение сопротивления воздухоохладителя Δp=0.002-0.004 МПа. В свою очередь pk = p0πk, (где πk — степень повышения давления в наддувочных агрегатах). В двигателе без наддува давление воздуха перед цилиндром определяется давлением окружающей среды.
Среднее давление газов за цилиндром (в выпускном патрубке) pг или pт в двигателях с наддувом находится в прямой зависимости от давления воздуха перед цилиндром (в ресивере) ps и сопротивления продувочно-выпускного тракта цилиндра, в основном определяемого сопротивлением продувочно-выпускных окон или клапанов
pт=ξпps (10.5)
где ξп — коэффициент потери давления (для двухтактных дизелей ξп=0,88÷0,96).
В отличие от двухтактных двигателей, в которых давление ps всегда больше pт, четырехтактные могут работать с разными соотношениями давлений. В большинстве случаев ps>pт, но в целях повышения мощности турбины не исключена возможность работы при pт>ps.
В двигателях с выпуском в атмосферу давление pт зависит от сопротивлений выпускного трубопровода утилизационного котла и глушителя шума на выпуске и лежит в пределах абсолютного давления pг=0,103÷0,105 МПа Такое же давление характеризует условия в выпускном трубопроводе за турбиной в двигателе с газотурбонагнетателем (ГТН).
Температура наддувочного воздуха
Tk=T0πk(nk-1)/nk(10.6)
где T0 — температура окружающего воздуха, °С; πk=pk/p0 — степень повышения давления в наддувочных агрегатах;
nk— показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе (для центробежных нагнетателей nk=1.6÷1.8 для поршневых насосов nk=1.45÷1.6)
В современных дизелях Tk достигает 140°С.
Температура воздуха перед цилиндром (в ресивере) Ts (после сжатия в наддувочных агрегатах воздух обычно направляется в воздухоохладитель и лишь, затем поступает в ресивер)
Ts min=Tвз+(10÷15)(10.7)
где Tвз — температура забортной воды на входе в воздухоохладитель, °С.
В двигателях без наддува температура воздуха перед цилиндрами определяется температурой охлаждающей среды Т0.
Газообмен в четырехтактном дизеле. На газообмен в четырехтактном цикле отводятся два хода поршня. В действительности для более полной очистки цилиндра от продуктов сгорания и лучшего наполнения свежим воздухом впускные и выпускные клапаны, как это видно из диаграммы газораспределения (рис. 10.5), приходится открывать раньше, а закрывать позже. В итоге продолжительность газообмена занимает более двух ходов поршня и состоит из следующих периодов: свободного выпуска bb’ выпуска b’r продувки r"rr' наполнения rа' и дозарядки а'а.
Для более подробного ознакомления с процессами газообмена рассмотрим рис. 10.6, на котором приведены кривые изменения давлений в цилиндре pц, в выпускном патрубке pт и в ресивере ps в функции угла поворота коленвала. Здесь же нанесены моменты открытия и закрытия клапанов.
175260247650Свободный выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана, осуществляемого за 20—50° п. к. в. до прихода поршня в НМТ, поэтому расширение газов в цилиндре заканчивается ранее — в точке b. Давление в цилиндре в этот момент равно 0,88 МПа, а давление в выпускном патрубке — 0,16 МПа. Столь значительная разница способствует тому, что, несмотря на продолжающееся движение поршня вниз, газы с большой скоростью устремляются из цилиндра в выпускной патрубок. Из-за малого объема патрубка и выпускного тракта, по которому газ направляется к газовой турбине, давление в нем резко поднимается и возникает импульс давления (на рисунке отмечен цифрой 1). Продолжительность свободного выпуска bb' приблизительно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана ∝1 (см. рис. 10.5).
Выпуск условно начинается в НМТ и продолжается в течение всего хода поршня к ВМТ. В начальной фазе восходящего движения поршня эффект выталкивания невелик, так как около мертвой точки мала скорость поршня, и истечение из цилиндра происходит в основном вследствие перепада давлений (рц — рт). В дальнейшем скорость поршня увеличивается, в средней части достигает максимума, растет и масса выталкиваемого газа. Это приводит к вторичному повышению давления (цифра 2, см. рис. 10.6) в выпускном патрубке, на которое существенно влияет также первый импульс давления.В силу увеличивающегося сопротивления истечению газа из цилиндра падение давления в нем в это время замедляется. Изменение массы заключенного в цилиндре газа характеризуется кривой Gцг.
Продувка начинается с открытием впускного клапана (ориентировочно за 30—50° п. к. в. до прихода поршня в ВМТ) — r" и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана (40-70° п.к.в. за ВМТ) — r'. К моменту полного открытия выпускного клапана давление рц оказывается равным, а затем и ниже давления воздуха в ресивере ps — точка 3, благодаря чему он получает возможность поступать в цилиндр, несмотря на продолжающееся движение поршня вверх. Давление в выпускном патрубке pт еще ниже (рт< рц <рs); оставшиеся в камере сжатия газы вытесняются воздухом и уходят вместе с ним в выпускной тракт. Падение давления в цилиндре и выпускном патрубке продолжается на протяжении всего периода продувки, и разность давлений ps-pц наибольшего значения (4) достигает в то время, когда поршень, двигаясь вниз, приобретает максимальную скорость. Это способствует еще большему поступлению воздуха в камеру сжатия и ее продувке.
Благодаря продувке обеспечивается возможность заполнения воздухом не только объема цилиндра, описываемого ходом поршня, но и объема камеры сжатия. Наличие периода продувки способствует также снижению температур стенок камеры, выпускного клапана и его седла, температуры выпускных газов, а это положительно сказывается на ресурсе газовой турбины.
Поэтому в двигателях с высоким наддувом, где проблема теплонапряженности особенно остра, идут на увеличение фазы перекрытия клапанов: в отдельных двигателях она достигает 150° п. к. в.
Наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха фактически начинается вблизи ВМТ и вначале, до закрытия выпускного клапана — r', протекает одновременно с продувкой. Окончание наполнения совпадает с приходом поршня в НМТ.
После закрытия выпускного клапана значение и характер изменения давления в выпускном тракте несущественны. Не оказывает влияния и то обстоятельство, что к патрубку в этот момент подходит волна давления (5), возникшая благодаря начавшемуся свободному выпуску и появлению импульса давления в цилиндре, объединенном с рассматриваемым общим выпускным трактом.
К окончанию наполнения давление в цилиндре рц поднимается и достигает значения ps.
Дозарядка продолжается от НМТ, и, хотя поршень пошел вверх, воздух продолжает поступать через открытый клапан в цилиндр вследствие отсасывающего действия столба движущегося по инерции по впускному тракту воздуха, а также вследствие существования положительной разности рs - рц. В последней фазе дозарядки из-за движения поршня вверх давление в цилиндре рц начинает расти, несмотря на все еще открытый впускной клапан. Здесь сказывается дросселирование воздуха в уменьшающейся щели под клапаном (поскольку он начал закрываться). С закрытием впускного клапана (а) дозарядка и газообмен завершаются. Общая продолжительность газообмена четырехтактного двигателя составляет 400—500° п. к. в.
Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2010 г.и. Стр. 20-30
Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2008 г.и. Стр. 27-38
Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация - 1990 г.и. Стр. 200-204

Приложенные файлы

  • docx file131
    Размер файла: 207 kB Загрузок: 0