Построение диаграммы располагаемого «время-сечения» продувочных окон и выпускного клапана

Расчет газообмена судового длинноходного дизеля

 

Методические указания

к расчетно-графической работе по курсу «Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация»

 

Специальность 6.100300 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

 

Одесса - 2010

 

 

Методические указания разработаны Черемисиным Владимиром Ильичом – кандидатом технических наук, доцентом кафедры „Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация” Одесского национального морского университета в соответствии с рабочей программой дисциплины „Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация”, утвержденной Советом судомеханического факультета ОНМУ.

 

Методические указания одобрены кафедрой „Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация” ОНМУ 18.05.2010 (протокол № 18)

 

Рецензент: доктор технических наук, профессор В.Г.Ивановский

 

ЗАДАНИЕ

Расчет газообмена судового длинноходного дизеля

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Марка двигателя (тип двигателя) _____________________________

2. Частота вращения коленчатого вала n___________________мин ^-1

3. Тип продувки __________________________

Характеристики органов газообмена и фазы газообмена современных длинноходных дизелей

Для выпускного клапана

4. Отношение диаметра выпускного клапана d_кл к диаметру цилиндра D_ц ______________(0,5 – 0,55)

5. Отношение полного хода выпускного клапана h_кл к диаметру клапана d_кл ____________(0,2 – 0,25)

6. Угол начала открытия выпускного клапана φ_b =115 ^оПКВ от ВМТ (рис. 1,г)

7. Угол конца открытия выпускного клапана φ₁ =134 ^оПКВ от ВМТ (рис. 1,г)

8. Угол начала закрытия выпускного клапана φ₂ =225 ^оПКВ от ВМТ(рис. 1,г)

9. Угол конца закрытия выпускного клапана φ_а =253 ^оПКВ от ВМТ (рис. 1,г)

 

Для продувочных окон

10. Потерянная доля хода поршня ψ_п = = __________ (0,07 - 0,08)

где h_п - высота продувочных окон (рис. 1,а)

h_п' – расстояние от верхней кромки продувочных окон до кромки поршня при его положении в НМТ (рис. 1,а)

11. Угол наклона оси продувочных окон к оси цилиндра в вертикальной плоскости β_п __________(85 – 90)⁰ (рис. 1,а)

12. Угол наклона оси продувочных окон к радиусу цилиндра в горизонтальной плоскости γ_п _________ (75 – 85)⁰ (рис. 1,а)

 

В домашнем задании необходимо

- изучить схему газообмена двухтактного длинноходного дизеля [1, 3, 4]

- построить на миллиметровой бумаге диаграмму «время - сечение» для продувочных окон и для выпускного клапана

- определить масштабы площадей диаграммы «время - сечение» для продувочных окон и для выпускного клапана

- определить «время - сечение» всех периодов газообмена графическим и аналитическим путем.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фомин Ю.Я., Волошин А.А. Конструкция судовых дизелей. Методические указания к практическому занятию. Одесса, РИО ОГМУ, 1991.

2. Ивановский В.Г., Черемисин В.И., Колесов И.В. Расчет газообмена судовых двухтактных дизелей. Методические указания к выполнению дипломных и курсовых проектов, КМП ОГМУ, Одесса, 1997.

3. Самсонов В.И., Худов Н.И. ДВС морских судов: Учебник для ВУЗов. - М.: Транспорт, 1990.

4. Фомин Ю.Я. и др. Судовые ДВС: Учебник для ВУЗов, - Л.: Судостроение, 1989.

5. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок: Учебник для ВУЗов / Камкин С.В. и др. - М.: Транспорт, 1996.

6. Камкин С.В. и др. Эксплуатация судовых дизелей: Учебник для ВУЗов - М.: Транспорт, 1990.

 

 

Введение

В современных длинноходных двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой процесс газообмена (удаление продуктов сгорания из цилиндра и напол­нение его свежим зарядом воздуха) осуществляется через вы­пускной клапан и продувочные окна. На открытие и закрытие клапана и окон требуется определенное время, вследствие чего истечение газа из цилиндра и наполне­ние его воздухом осуществляются через изменяющиеся площади проход­ных сечений.

Выпуск продуктов сгорания в двухтактном двигателе представляет собой часть рабочего цикла, в течение которого отработавшие газы свободно истекают из цилиндра в выпускной коллектор. Процесс истечения продуктов сгорания осуществляется за счет перепада давлений в цилиндре и выпускном коллекторе. Истечение газов из цилиндра происходит в два периода.

Первый период - сво­бодный выпуск на участке движения поршня от начала открытия выпускного клапана, продолжающийся до установления равенства давлений в цилиндре и выпускном коллекторе.

Свободный выпуск можно условно разделить на две фазы: предварение выпуска (от начала открытия выпускного клапана до начала открытия продувоч­ных окон) и окончание свободного выпуска (от начала открытия продувочных окон до установления равенства давлений в цилиндре и в выпускном коллекторе).

Второй период истечения газов из цилиндра - принужденный выпуск, т.е. вытеснение продувочным воздухом оставшихся продуктов сгорания из цилиндра через выпускные органы и одновременно наполнение цилиндра воздухом через продувочные окна.

Принужденный выпуск начинается с момента окончания свободного вы­пуска и продолжается до прихода поршня в НМТ (первая фаза) и далее при движении поршня от НМТ вверх до конца закрытия продувочных окон.

Если закрытие выпускного клапана происходит позже закрытия продувоч­ных окон, то наступает третий период - период потери воздушного заряда. За этот период про­исходит частичное сжатие заряда воздуха поршнем в цилиндре и истечение сме­си воздуха и остаточных газов через закрывающийся выпускной клапан. Потеря воздушного заряда снижает коэффициент наполнения и коэффициент избытка продувочного воздуха при сгорании.

 

Построение диаграммы располагаемого «время-сечения» продувочных окон и выпускного клапана

В масштабе h_м = 5 по высоте двигателя (1 см чертежа – 5 см натуры) вычерчивается нижняя часть цилиндровой втулки в районе продувочных окон (рис. 1,а) с соответствующим наклоном кромок окон к оси цилиндра β_п и к радиусу цилиндра γ_п и указывается положение поршня в НМТ, затем на чертеже определяется положение верхней кромки продувочных окон относительно кромки поршня, находящегося в НМТ по потерянной доле хода поршня по продувочным окнам ψ_п.

Нижняя кромка окон может быть выше, ниже или на уровне кромки поршня при его положении в НМТ, что необходимо учитывать при построении диаграммы Брикса. В рассматриваемых дизелях нижняя кромка продувочных окон находится на одном уровне с кромкой поршня при его положении в НМТ, т.е. h_п = h_п'.

В принятом масштабе h_м, радиусом кривошипа R = из точки О описывается полуокружность (рис. 1,б) так, чтобы она касалась горизонтали 1-1, соответствующей положению поршня в НМТ.

Для определения углов поворота кривошипа, соответствующих различным положениям поршня строится диаграмма Брикса (рис. 1,б). Из точки О в сторону НМТ с учетом принятого масштаба h_м откладывается поправка Брикса ОО₁

где R – радиус кривошипа, мм;

L – длина шатуна, мм

λ_ш - постоянная механизма

В рассматриваемых дизелях λ_ш можно принять от 0,4 до 0,42.

Из точки О₁ до пересечения с окружностью радиуса R проводятся лучи через 10 ^оПКВ с началом отсчета углов от ВМТ.

Положение поршня, соответствующее моменту начала открытия продувочных окон определяется точкой d, что соответствует углу φ_d, а закрытия продувочных окон определяется точкой d₁, что соответствует углу φ_d1. Углы φ_d и φ_d1 определяются из диаграммы Брикса точками пересечения полуокружности с горизонталью, проведенной через верхнюю кромку продувочных окон.

Центральный угол φ_п поворота кривошипа соответствует периоду открытия продувочных окон.

Для построения диаграммы «время-сечение» продувочных окон (рис. 1,г) по оси абсцисс в масштабе Δφ = 10 (1см оси абсцисс –

10 ^оПКВ) наносятся углы поворота кривошипа φ, а по оси ординат – соответствующие им величины мгновенных площадей f открытия продувочных окон или при прямоугольных продувочных окнах - величины линейных открытий окон h_x (см. рис. 1), которые снимаются с диаграммы Брикса при соответствующих углах поворота кривошипа φ_х.

Для удобства пользования диаграмму «время-сечение» продувочных окон рекомендуется строить под осью абсцисс.

При построении диаграммы «время-сечение» выпускного клапана необходимо руководствоваться следующим.

В современных двигателях LMC, RTA диаграмма открытия выпускного клапана практически симметрична относительно НМТ и состоит из линейных участков (рис. 1,г). Для всех моделей таких двигателей фазы газообмена φ_b, φ₁, φ₂, φ_а для выпускного клапана можно принимать такими, как приведено выше, а полный ход клапана h_кл следует уточнить в зависимости от диаметра клапана d_кл.

По оси ординат откладываем непосредственно площадь проходного сечения выпускного клапана.

Максимальное проходное сечение выпускного клапана (см. рис 1, в)

Это сечение намного превышает проходное сечение корпуса клапана . При отсутствии чертежа можно принимать внутренний диаметр корпуса клапана для двигателей LMC, RTA

, см

а площадь nnnn ся следующим.

момента их закрытиясечения штока клапана

= 0,07 · , см²

Тогда

, см²

Чтобы построить диаграмму «время-сечение» выпускного клапана необходимо принять масштаб площади по оси ординат f_кл = 100 т.е.

1 см ординаты – 100 см² площади проходного сечения выпускного клапана. Тогда отложив по ординате и проводим линии параллельно оси абсцисс. Согласно закону открытия выпускного клапана (рис. 1,г) углу конца открытия выпускного клапанаφ₁ соответствует т. 1, далее клапан находится в открытом положении и его площадь сечения не изменяется; углу начала закрытия клапанаφ₂ соответствует т. 2. Соединяя т. «b» с т. 1 получаем т. 1' на пересечении с линией площади проходного сечения горловины клапана . Соединяя т. «а» с т. 2 получаем т. 2'.

В результате вышеизложенных построений получаем диаграмму «время-сечение» продувочных окон F_п^р (по оси ординат которой отложена высота открытия продувочных окон, а с учетом их ширины и угла наклона окон в вертикальной β_п и горизонтальной γ_п плоскостях – мгновенная площадь открытия продувочных окон f_п) и выпускного клапана F_кл^р (рис. 1,г). На этом рисунке:

F_пр^р – площадь диаграммы, соответствующая фазе предварения выпуска. см²;

F_п^р – площадь диаграммы, соответствующая периоду продувки, см²;

F_пв^р – площадь диаграммы, соответствующая периоду принужденного выпуска (от момента открытия продувочных окон до момента их закрытия) см²;

F_пз^р – площадь диаграммы, соответствующая периоду потери воздушного заряда, см².

 

Определение масштабов диаграммы «время-сечение»

 

Масштаб времени откладываемого по оси абсцисс на диаграмме «время-сечение»

,

где n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Масштаб площади открытия продувочных окон откладываемой по оси ординат на диаграмме «время-сечение» продувочных окон

m_f = h_м ∙ b_п ∙ Sin β_п · Sin γ_п,

где β_п - угол наклона продувочных окон к оси цилиндра, град;

γ_п - угол наклона продувочных окон в горизонтальной плоскости, град;

b_п - суммарная ширина продувочных окон, см

b_п = 0,79 · π · D_ц

Масштаб площади диаграммы «время-сечение» для продувочных окон

С_п = m_τ · m_f = · h_м ∙ b_п ∙ Sin β_п · Sin γ_п,

Таким образом, умножив F_п^р диаграммы продувочных окон на масштаб площади С_п, получим располагаемое «время-сечение» продувки

A_п^р = F_п^р ∙ С_п, см² · с

где F_п^р - площадь диаграммы «время-сечение», соответствующая периоду продувки.

Масштаб площади открытия выпускного клапана по оси ординат можно принять

m_f' = 100

Масштаб площади диаграммы «время-сечение» для выпускного клапана

С_в = m_τ · m_f' = ·100,