Цель: ознакомление с методикой расчета 2 –х тактного двигателя, построение диаграммы «время-сечение»

Материальное обеспечение: чертежные принадлежности, миллиметровая бумага, калькулятор.

Вводный контроль:

1. Виды продувки.

2. Коэффициент продувки.

3. Диаграмма «время-сечение»

На очистку цилиндра от отработавших газов и заполнение его свежим зарядом в двухтактном двигателе при одинаковой частоте вращения уходит значительно меньше времени, чем в четырехтактном.

В четырехтактном двигателе на процессы газообмена отводится более двух тактов, что составляет 420-480º ПКВ. В двухтактном двигателе на выпуск и продувку отводится часть ходов расширения и сжатия, или примерно 130-150º ПКВ. Кроме того, движение воздуха и газов в процессе выпуска и продувки является неустановившимся.

Характер изменения давлений и скоростей газов зависит не только от скорости поршня и проходных сечений, но и от длины и формы трубопроводов, а также от колебательных процессов в выпускной системе. Все это значительно усложняет расчеты по газообмену двухтактного двигателя.

Краткая теория

    При разработке конструкции двухтактного двигателя геометрические параметры продувочно-выпускной системы, число и расположение окон, фазы газораспределения и профиль кулачков выбирают на основе данных уже выполненных однотипных двигателей.

При этом обязательна последующая экспериментальная доводка органов газораспределения. Для ускорения доводки двигателя широко применяют исследование процессов газообмена на статических и динамических прозрачных моделях.

Порядок выполнения работы:

       В теоретическом расчете процессов газообмена по известным из термодинамики формулам истечение газов с допущением установившегося движения определяют необходимые сечения органов газораспределения с учетом оптимальной скорости движения газов.

Критериями совершенства газообмена в двухтактном двигателе являются: коэффициент продувки φ_пр, коэффициент остаточных газов γ_ч, коэффициент наполнения η_н, давление продувочного (наддувочного) воздуха Рs (Рк).

Коэффициент продувки представляет собой отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, оставшегося в цилиндре в составе заряда к началу сжатия. Коэффициент продувки судовых дизелей лежит в пределах 1,45-1,65. Меньшие значения характерны для прямоточных, а большие – для контурных схем газообмена.

Существует также понятие удельного расхода воздуха g_s, представляющего собой отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр за цикл к эффективной цилиндровой мощности. Для двухтактных малооборотных двигателей g_s = 8,8-10,8 кг/(кВт ч). Эта величина дает возможность судить о непосредственных затратах воздуха на продувку.

Определение коэффициентов наполнения и остаточных газов было дано в лабораторной работе №33. следует отметить, что в двухтактных двигателях величина γ_ч зависит от схемы продувки: в прямоточной γ_ч = 0,04-0,08, в петлевой фирмы «МАН» γ_ч = 0,08-0,03; в петлевой фирмы «Зульцер» γ_ч = 0,09-0,12; в поперечной γ_ч = 0,12-0,14.

Снижение параметров φ_пр, γ_ч, Ps и повышение η_н уменьшает мощность, затрачиваемую на сжатие продувочного воздуха.

Процесс выпуска в двухтактных двигателях условно разделяют на три фазы. Во всех схемах продувки сначала открываются выпускные окна или клапаны, и давление в цилиндре снижается от величины Рв до некоторой величины Рц, соответствующей началу открытия продувочных органов (рис.15.11). Этот период «вm» называют первой фазой – свободный выпуск (предварение выпуска). Истечение газа из цилиндра происходит под влиянием разности давлений Рв > Рч.

Начало второй фазы соответствует моменту открытия продувочных окон (точка m). Эта фаза называется продувкой или принужденным выпуском. Она продолжается по диаграмме от точки «m» до точки «m’», то есть до момента закрытия продувочных окон при восходящем ходе поршня от НМТ к ВМТ. Во время этого периода отработавшие газы вытесняются из цилиндра, и он заполняется воздухом.

Третья фаза может быть двух видов. Если конструктивная схема продувки такова, что сначала закрываются продувочные окна при еще открытых выпускных, то третья фаза представляет собой выпуск после продувки (линия m’a). В этом случае через выпускные окна из цилиндра уходит часть заряда. Если же сначала закрываются выпускные органы (например, золотники в выпускном тракте), то третья фаза будет фазой дозарядки. В этом случае в цилиндр через продувочные окна поступает добавочное количество воздуха. При расчете процесс газообмена давления Рs, Рц и Рч за период продувки принимаются постоянными.

При данной разности давлений количество вытекающего газа будет пропорционально площади сечения окон и времени их открытия. Увеличение живого сечения окон и уменьшение скорости движения поршня будут способствовать лучшей очистке цилиндра от газов и лучшему заполнению его свежим воздухом, а уменьшение размеров окон и увеличение быстроходности приводит к обратным результатам.

Так как в процессе газообмена ни высота окон, ни время их открытия, взятые в отдельности, не могут служить характеристикой их пропускной способности, то в теорию ДВС вводится понятие «время-сечение». «Время-сечение» это сумма произведений мгновенного значения площади проходного сечения окна на время открытия этого сечения. Время-сечение имеет единицу измерения: произведение площади проходного сечения на время открытия (см² с).Сущность расчета продувки состоит в том, чтобы определить теоретически необходимое время – сечение для прохождения газов при определенных давлениях и скоростях. Теоретическое время – сечение подсчитывают отдельно по фазам: для предварения выпуска, принужденного выпуска во время продувки и для продувки. Полученные значения теоретического время – сечение сравнивают соответственно по фазам с располагаемым время - сечением, которое находят на основании предварительно выбранных размеров окон и скорости поршня. Отношение теоретически необходимого время - сечения к располагаемому должно быть близко к единице, в противном случае вводят необходимые поправки в запроектированные размеры окон

Располагаемое (действительное) время-сечение подсчитывают графически с помощью диаграмм изменения площади проходных сечений выпускных и продувочных органов в зависимости от угла поворота кривошипа или в зависимости от времени, с.

Для построения диаграммы время-сечение необходимо иметь график перемещения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Такой график можно построить, предварительно подсчитав путь поршня аналитически, но проще воспользоваться бицентровой диаграммой Брикса.

Построение диаграммы целесообразно выполнять следующим образом.

В выбранном линейном масштабе вычерчивают схему рабочего цилиндра с указанием высоты выпускных h₁ и продувочных h₂ окон (рис.15.13)

 

 

 

Рис.15.13 Построение диаграммы время-сечение для контурной продувки

Правее в том же масштабе описывают полуокружность радиусом R = 0,5 S таким образом, чтобы она касалась линии уровня кромки днища поршня при положении его в НМТ.

Далее откладывая вниз от центра О в масштабе чертежа величину поправки

OO’ = R² / 2L

При проектировании нового двигателя длину шатуна L находят из соотношения λ = R/L, которое выбирается по аналогии с выполненными двигателями. Тогда поправку Брикса можно представить так:

OO’ = R·R / 2L = Rλ / 2

Поправка OO’ дает возможность учесть влияние конечной длины шатуна на путь, проходимый поршнем в цилиндре.

Проведя горизонтальную линию на уровне верхней кромки выпускных окон до пересечения с полуокружностью в точках 1 и 1’ и соединив их с новым центром O’, находят полный угол поворота кривошипа φ₁, соответствующий фазе открытия выпускных окон.

Выпускное окно откроется за φ/2 ПКВ до НМТ и в силу симметричности фаз закроется после НМТ тоже через φ₁/2 ПКВ. Из нового центра O’ описываем дугу произвольным радиусом «r», она нужна для удобства деления угла φ₁ на равное число частей (можно обойтись и без вспомогательной дуги, если делить угол транспортиром).

Обычно делят угол φ₁/2 на четыре-пять равных частей. Такие деления на вспомогательной дуге соединяют с центром O’, и радиусы продолжают до пересечения с основной полуокружностью. Точки пересечения нумеруют 1,2,3 и т.д. Следует заметить, что ввиду поправки ОO’ дуги основной полуокружности, отсекаемые радиусами, будут неравными.

Чтобы построить путь поршня от точки 1 до точки 1’, выбираем произвольный отрезок l, который в масштабе (1 см длины равен «К» градусов будет выражать время поворота кривошипа на угол φ₁). Середина этого отрезка соответствует НМТ, движение идет по стрелке «Б». Разделим половину отрезка «l» на такое число равных отрезков, на какое был разделен угол φ₁/2 на диаграмме Брикса. Точки на отрезке соответственно пронумеруем.

Далее, восстановив перпендикуляры до пересечения с горизонтальными линиями, проведенными от одноименных точек основной полуокружности бицентровой диаграммы Брикса, получим точки 1,2,3,4, расположенные на кривой пути поршня в зависимости от угла поворота кривошипа. Теперь соединим эти точки плавной кривой. Правая половина кривой строится аналогично ввиду симметричности диаграммы. Общая площадь диаграммы (1-НМТ-1’-1), ограниченная кривой пути поршня и горизонтальной прямой 1-1’ будет в масштабе выражать время-сечение выпускных окон.

Проведем горизонтальную линию от верхней кромки продувочного окна h₂ до пересечения с кривой пути поршня. В точках aa’ восстановим перпендикуляры до пересечения с горизонтальной прямой 1-1’. Таким образом, диаграмма разделилась на четыре участка (I, II, II + III, IV), каждый из которых выражают время - сечения определенной фазы газообмена. В точке 1 начинают открываться выпускные окна, что соответствует началу первой фазы (предварению выпуска), которая заканчивается в момент открытия продувочных окон (точка «а»).

Площадь I в масштабе представляет располагаемое время-сечение выпуска до начала продувки. Допустим, что площадь I равна F₁, см², а путь поршня и угол поворота кривошипа отложены в следующих масштабах: по оси ординат 1 см длины чертежа равен S, см хода поршня; по оси абсцисс 1 см равен φ₁/lK градусов, или в секундах, 1 см = К/6.

Если учесть постоянную ширину выпускных окон по окружности цилиндра В₁, см, то масштаб для выпускных окон по окружности цилиндра В₁, см, то масштаб для выпускных окон, см²с

для продувочных окон нужно взять их ширину В₂ и m₂ = В₂SK/6n, тогда располагаемое время-сечение первой газы- выпуска до начала продувки А_I, см²с, будет А_I = F₁m₁. В точке «а» открываются продувочные окна и после НМТ в точке «а» они закрываются. Следовательно, площадь II представляет графически в масштабе располагаемое время-сечение продувки

A_II = F₂m₂

За время продувки выпускные окна продолжают оставаться открытыми и их время-сечение в масштабе графически представляется суммой площадей II и III. Обозначим сумму площадей II и III через F₃, тогда располагаемое время-сечение на выпуск во время продувки будет A_III = F₃m₃.

После продувки в рассматриваемой схеме имеется фаза потери заряда время-сечение этой фазы (площадь IV) будет равно время- сечению первой фазы выпуска до начала продувки (площадь I).

A_IV = F₄m₁

В предварительных расчетах для современных двухтактных дизелей высоту и ширину окон принимают:

- выпускных h₁ ≈ (0,16 - 0,25) S; B₁ ≈ (0,20 – 0,35)πD;

- продувочных h₂ ≈ (0,08 - 0,13) S; B₂ ≈ (0,25 – 0,40)πD.

Задание 1 Рассчитать по заданию преподавателя размер выпускных и продувочных окон.

   Задание2 Описать и выполнить по методике построение диаграммы «время –сечение»

   Задание 3 Дать определение и указать физический смысл поправки Брикса.

Содержание отчета:

1. Тема и цель лабораторной работы.

2. Материальное обеспечение.

3. Отчет о проделанной работе.

Заключительный контроль:

1. Дать понятие о диаграмме Брикса.

2. Построение диаграммы Брикса.

3. Построение диаграммы «время-сечение».

4. Что представляет собой контурная продувка?

5. Особенности очистки цилиндров 2-хтактных двигателей по сравнению с 4-хтактным.

6. Коэффициент продувки.

7..Коэффициент остаточных газов.

8..Коэффициент наполнения.

9. Давление продувочного воздуха.

10. 1-ая фаза продувки.

11..2-ая фаза продувки.

12. 3-ая фаза продувки.

13. В чем заключается сущность продувки?

 

Литература

1. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые дизельные энергетические установки и их эксплуатация», 2014г..

6. Захаров Г.В.Техническая эксплуатация судовых энергетических установок- изд.3 исп. и допол.- М.Трас Лит.2013.-320с.

 

 

Практическое занятие №12

Тема: Определение нормальных, радиальных и касательных усилий и моментов действующих в двигателе

Цель: Определение действия этих сил при работе двигателя

Материальное обеспечение: чертежные принадлежности, миллиметровая бумага, калькулятор.

 

Вводный контроль:

1. Понятие о силах давления газов.

2. Действие сил тяжести поступательно движущихся частей.

3. Силы трения.

4. Силы инерции.

                                                    Краткая теория

 

           В судовых ДВС возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи кривошипно-шатунного механизма. Силы, действующие в этом механизме, можно разделить на четыре группы.

1. Силы от давления газов на днище поршня Рч, Н, мгновенное значение которых Рч = РчF (Рч – давление газа в цилиндре двигателя в данный момент времени, Па; F = πD²/4 – площадь поршня, м²; D – диаметр цилиндра, м).

2. Давление газов изменяется за цикл в широких пределах от Ра до Рz в зависимости от положения поршня и угла поворота кривошипа. Период изменения давлений для четырехтактных двигателей 720º ПКВ, а для двухтактных 360º.

3. Силы тяжести поступательно движущихся частей Рв. Считают, что у тронковых двигателей в поступательном движении участвуют поршень и 0,4 массы шатуна, а у крейцкопфных, кроме того, шток, крейцкопф и ползун. Сила тяжести подвижных частей тронковых высокооборотных двигателей мала по сравнению с другими силами, поэтому ее обычно не учитывают. Однако в крейцкопфных двигателях ею пренебрегать не следует. В любом случае сила тяжести постоянна по величине и направлена вниз. Ее определяют по опытным данным или по чертежам двигателя.

4. Силы трения, которые не поддаются точному теоретическому подсчету и включаются в механические потери двигателя.

5. Силы инерции подвижных частей Ри, Н, в общем случае Ри = -М*а, где М – масса поступательно движущихся частей, кг; а –ускорение движущихся частей, м/с². знак «минус» указывает, что направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения.

 

Порядок выполнения работы:

Из технической механики известно, что для центрального кривошипно-шатунного механизма (у которого ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала) ускорение поршня «а» определяется приближенным выражением а = Rω²(cosφ + λcos2φ),

где R – радиус кривошипа, м;

ω = πn/30 – угловая скорость, рад/с (n - расчетная частота вращения, об/мин);

λ – R/L (L – длина шатуна, м);

φ – угол поворота кривошипа, отсчитываемой от ВМТ.

В этом случае выражение для сил инерции поступательно движущихся частей примет окончательный вид:

Ри = - М Rω²(cosφ + λcos2φ)      1         

Из этого уравнения следует, что силы инерции поступательно движущихся частей изменяются как по величине, так и по направлению в зависимости от угла φ, причем эти изменения будут периодическими.

Известно, что сила инерции достигает наибольшего значения там, где скорость становится равной нулю и меняет свой знак. Такими положениями для кривошипно-шатунного механизма должны быть мертвые точки.

В ВМТ при φ = 0º выражение (1) принимает вид:

Ри = - М Rω²(1 + λ)                                    

в НМТ при φ = 180º             Ри = - М Rω²(-1 + λ) = - М Rω²(1 - λ)              

Как видно в ВМТ силы инерции подвижных частей имеют отрицательное и наибольшее абсолютное значение, а в НМТ они положительны и принимают несколько меньшее значение, если иметь в виду, что λ = 1/3,5 - 1/5.

Кроме поступательно движущихся частей в двигателе есть вращательно движущиеся части, к которым относится неуравновешенная часть кривошипа и вращающаяся часть шатуна (условно ~ 60% Gш). Массы этих частей считаются сосредоточенными на оси шейки кривошипа. Так как центростремительное ускорение в этой точке а_ц = Rω², то сила инерции вращающихся частей Рц = -М Rω², где Мц – масса вращающихся частей, кг. Знак «минус» указывает, что эта сила направлена от центра вращения по радиусу кривошипа.

Таким образом, в кривошипно-шатунном механизме работающего двигателя в любой промежуток времени действуют силы от давления газов, силы тяжести и силы инерции поступательно движущихся частей, алгебраическая сумма которых выразится равнодействующей Рg, называемой движущей силой.

Рg = ±Рч ± Рв ± Ри                                     

Все эти силы, в том числе и движущая, считаются положительными (знак «+»), если они способствуют движению поршня и наоборот.

Движущая сила действует по оси цилиндра и приложена в центре головного соединения точке А (рис.16.1).

Разложим равнодействующую Рg по правилам механики на две составляющие: Рш, направленную на оси шатуна, и Рн, направленную перпендикулярно оси цилиндра. Условимся, что угол поворота кривошипа имеет некоторое мгновенное значение φ, а между осями цилиндра и шатуна образуется угол β. Сила Рн = Рц tgβ, которая называется нормально силой, прижимая поршень поочередно к противоположным стенкам цилиндра, вызывает износ цилиндропоршневой группы в этой плоскости (износ на эллипс).

В крейцкопфных двигателях сила Рн имеет большое значение и передается ползунам крейцкопфа на параллели, что облегчает условия работы цилиндропоршневой группы, именно этими обстоятельствами объясняется крейцкопфное исполнение малооборотных двухтактных двигателей.

Рис.1 Схема сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Сила, действующая по оси шатуна Рш = Рg/cosβ, стремится сжать стержень шатуна. Перенося эту силу на ось шейки кривошипа в точку В, разложим ее по двум направлениям – по радиусу кривошипа и по касательной к окружности, описываемой центром шейки вала. Радиальная сила Рр определяется выражением:

Рр = Рш cos (φ + β) = Pgcos (φ + β)/ cosβ