Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

238

от выпускного окна к противоположному концу выпускного ка-

нала, формируется волна разрежения. За волной разрежения к

концу свободного выпуска в выпускном канале давление газов

может быть значительно ниже среднего давления в выпускном

канале р

т ср

. Соответственно снижается и давление газов в ци-

линдре, что интенсифицирует поступление воздуха в цилиндр

(рис. 7.1). По сравнению с четырехтактными двигателями в двух-

тактных двигателях газодинамические явления в выпускных ка-

налах оказывают значительно большее влияние на процессы га-

зообмена в надпоршневой полости и показатели газообмена.

Продувка цилиндра обычно начинается позже начала от-

крытия впускных окон (после понижения давления газов в ци-

линдре до значений р < p

) и продолжается до момента закрытия

впускных окон (точка V, рис. 7.1). Поступающий в цилиндр све-

жий заряд вытесняет через выпускные окна продукты сгорания.

Вследствие перемешивания свежего заряда с газами в цилиндре

часть свежего заряда теряется. Доля потерь свежего заряда воз-

растает к концу продувки. При закрытии выпускных окон после

впускных имеет место также утечка смеси газов из цилиндра, а

соответственно и свежего заряда. Утечка свежего заряда в двига-

телях с золотниковым газораспределением может быть сущест-

венно уменьшена путем установки на выпуске дополнительно

клапана или золотника с приводом от коленчатого вала.

В течение более чем столетнего развития двухтактных дви-

гателей предложено и реа-

лизовано на практике

ряд схем осуществления

продувки цилиндров, ко-

торые можно разделить на

две группы: прямоточные

и непрямоточные (рис. 7.2,

рис. 7.3).

Прямоточные схемы

продувки, в свою очередь,

могут быть подразделены

на клапанно-щелевые, ще-

левые с противоположно

движущимися поршнями,

Рисунок 7.2 – Прямоточные схемы продувки:

а – клапанно-щелевая; б – щелевая с

противоположно движущимися поршня-

ми; в – щелевая двухпоршневая с общей

камерой сгорания на два цилиндра

239

щелевые двухпоршневые с общей камерой сгорания на два ци-

линдра (рис. 7.2). Фазы газораспределения в двигателях с прямо-

точной схемой продувки и золотниковым газораспределением

симметричны относительно НМТ поршней. Впускные окна в

двигателях с прямоточной схемой продувки закрывают после

выпускных окон или выпускного клапана. Показатели процессов

газообмена при этом улучшаются как вследствие улучшения очи-

стки цилиндра от продуктов сгорания, так и вследствие дозаряд-

ки цилиндра и уменьшения перемешивания свежего заряда с

продуктами сгорания.

Непрямоточные схе-

мы продувки подразде-

ляются на петлевую с

односторонним распо-

ложением окон, попе-

речную без и с золотни-

ком или клапаном на

выпуске (рис. 7.3). В

двигателях без золотника

в выпускном канале вы-

пускные окна закрыва-

ются после продувоч-

ных. Показатели газообмена в двухтактных двигателях с непря-

моточными схемами продувки в значительной степени зависят от

организации направления движения потоков воздуха в цилиндре,

т.е. от формы, направления и расположения впускных и выпуск-

ных окон, формы днища поршня. Решаются эти вопросы опыт-

ным путем на статических или динамических моделях и уточня-

ются уже непосредственно на двигателе.

По показателям процессов газообмена двигатели с непрямо-

точными схемами продувки заметно уступают двигателям с пря-

моточными схемами продувки (табл. 7.1) Установка на выпуске

золотников или клапанов несколько улучшает эти показатели.

В практике современного двигателестроения находят при-

менение почти все рассмотренные выше схемы продувки. Прямо-

точные преимущественно используются в быстроходных двига-

телях транспортного типа, непрямоточные – в тихоходных судо-

вых и стационарных двигателях, в быстроходных двигателях для

Рисунок 7.3 – Непрямоточные схемы продувки:

а – петлевая; б – поперечная;

в – поперечная с золотником на выпуске

240

мототехники, автомобилей. При проектировании двухтактных

двигателей конструктивные параметры органов газораспределе-

ния принимают по данным двигателей–прототипов, положитель-

но зарекомендовавших себя в эксплуатации. Затем конструктив-

ные параметры органов газораспределения, фазы газораспреде-

ления уточняют по данным расчетных исследований и в процессе

доводки рабочих процессов экспериментальных образцов двига-

теля.

Таблица 7.1 – Показатели процессов газообмена

двухтактных двигателей

№№

п/п

Схемы

продувки

  



1. Прямоточная 1,1–1,5 0,2–0,6 0,03–010

0,8–0,9

2. Непрямоточная 1,4–2,0 0,4–0,7 0,10–0,15

0,6–0,8

§2. Расчет процессов газообмена в двухтактных

двигателях с нагнетателем

Расчет процесса свободного выпуска в двухтактных двига-

телях отличается от расчета процесса выпуска в четырехтактных

двигателях незначительно. Практически сохраняется и блок-

схема алгоритма расчета.

Конечной целью расчета процесса свободного выпуска в

двухтактных двигателях является определение параметров рабо-

чего тела в надпоршневой полости к моменту начала открытия

впускных окон (точка d на рис. 7.1). Участок свободного выпуска

после открытия впускных окон, когда продукты сгорания из над-

поршневой полости уходят и через впускные окна (заброс про-

дуктов сгорания во впускной канал), обычно относят к расчету

процессов продувки.

В тихоходных двухтактных двигателях и в быстроходных

двухтактных двигателях (n > 3000 мин

–1

) с относительно корот-

кими выпускными каналами, соединяющими цилиндры с выпуск-

ным коллектором, газодинамические явления в выпускных кана-

241

лах оказывают относительно незначительное влияние на процес-

сы продувки, т.е. давление газов в выпускном канале может быть

принято постоянным и равным среднему значению. В быстро-

ходных двигателях с длиной выпускного канала, в 2–3 раза пре-

восходящей ход поршня, влияние газодинамических явлений в

выпускном канале может быть столь значительным, что в опре-

деленном диапазоне изменения частот вращения коленчатого ва-

ла в выпускном канале возникает разрежение и возможно обес-

печить достаточно эффективную продувку надпоршневой полос-

ти без нагнетателя. Поэтому в этих случаях необходимо совмест-

но решать систему уравнений нестационарных процессов массо-

обмена и теплообмена в надпоршневой полости и систему диф-

ференциальных уравнений неустановившегося течения газов в

выпускном канале. В подобной постановке обычно решаются за-

дачи при специальных исследованиях, требующих значительных

затрат времени. Для подавляющего большинства инженерных за-

дач по оценке выбора конструктивных параметров органов газо-

распределения и фаз газораспределения, оценке показателей га-

зообмена в двухтактных двигателях влиянием газодинамических

явлений в газовоздушных трактах вполне допустимо пренебречь.

При этих условиях возможно использовать для расчета процессов

газообмена и массообмена в надпоршневой полости на участке

свободного выпуска те же зависимости, что и для надпоршневой

полости четырехтактного двигателя для участка выпуска (зави-

симости (6.32)–(6.36)).

Условные обозначения исходных данных и постоянных ве-

личин в блок-схеме алгоритма расчета свободного выпуска в

двухтактном двигателе должны быть те же, что и в случае четы-

рехтактного двигателя (табл. 6.2, рис. 6.7). Та же должна быть и

форма представления зависимости эффективной площади про-

ходных сечений окон от угла поворота кривошипа 

, т.е. на уча-

стке открытия выпускных окон

 































 180cos15,0

в.пв.п

вв1в.сввв

iiiii

fSSbf

, (7.1)

где 

ві

– коэффициент расхода для выпускных окон; b

в.с

– сум-

марная ширина выпускных окон, м;

S – текущее перемещение

242

поршня от ВМТ после открытия выпускных окон, м; S

– значе-

ние перемещения поршня, соответствующее началу открытия

выпускных окон, м;









1в.cв

вв

5,0 SSbf









– максимальное

значение эффективной площади проходного сечения выпускных

окон; 

, 

в.п

, 

в.п

– текущее значение угла поворота криво-

шипа, угол поворота кривошипа, соответствующий моменту от-

крытия выпускных окон, продолжительность открытия выпуск-

ных окон в ПКВ, поправка на продолжительность открытия вы-

пускных окон.

Коэффициент расхода для впускных и выпускных окон в

стенках цилиндра в зависимости от степени открытия окон

поршнем изменяется незначительно (

 

 0,8–0,9). Поэтому в

расчетах можно принять значение коэффициента расхода окон

неизменным и равным примерно 0,85. Заканчивается расчет про-

цесса свободного выпуска в принятой схеме расчета газообмена

при угле поворота кривошипа, соответствующему моменту от-

крытия впускных окон (точка d на рис. 7.1).

В быстроходных двухтактных двигателях с традиционными

схемами организации процессов газообмена энергию отработав-

ших газов на участке свободного выпуска целесообразно исполь-

зовать в газовой турбине или в обменнике давления для подачи

воздуха с избыточным давлением к продувочным окнам. Однако

при этом существенно усложняется конструкция двигателя.

Момент начала открытия впускных окон (точка d на рис. 7.1)

обычно не совпадает с началом продувки (началом поступления

свежего заряда в надпоршневую область), когда давление в ци-

линдре р

становится меньше, чем давление воздуха р

перед

впускными окнами (р

 р

). Поэтому, как и в четырехтактных

двигателях после открытия впускных клапанов, в двухтактных

двигателях после открытия впускных окон (точка d на рис. 7.1)

давление газов в надпоршневой полости р

обычно выше, чем

давление воздуха во впускном канале р

, т.е. имеет место заброс

продуктов сгорания во впускной канал (происходит двойной вы-

пуск, р

 р

 р

). Продукты сгорания из надпоршневой полости

будут выходить во впускной канал, оттесняя от впускных окон

свежий заряд. Изменение давления газов в надпоршневой полос-

ти при двойном выпуске за расчетный промежуток времени

243

 





















iis

рк

цвтц

, (7.2)

где

 

issisi

iis

тц

ср

тц

















 – масса продуктов сго-

рания, поступивших из надпоршневой полости во впускной канал

в течение расчетного промежутка времени (

= 

(6 n));































тт

тц

W – скорость продуктов сгора-

ния в расчетном сечении впускного окна;

ТR

 – плотность

продуктов сгорания в надпоршневой полости в начале расчетного

промежутка времени; (

)

ср

– среднее значение эффективной

площади проходного сечения впускных окон на расчетном участ-

ке;

 

iii

цв

ср

вв

цв

















 – масса продуктов сго-

рания, ушедших из надпоршневой полости в выпускной канал в

течение расчетного промежутка времени; (

вi

)

ср

– среднее зна-

чение эффективной площади проходного сечения выпускных

окон (клапанов) на расчетном участке;































тт

цв

W – скорость продуктов сгора-

ния в расчетном сечении выпускных окон (выпускных клапанов).

Зависимость эффективной площади проходных сечений

впускных окон от угла поворота кривошипа на участке их откры-

тия целесообразно представить в той же форме, что и зависи-

мость (7.1) для эффективной площади проходных сечений вы-

пускных окон (клапанов). При величине расчетного шага 1–5 

ПКВ вместо средних значений эффективной площади проходных

сечений окон допустимо принимать значение эффективной пло-

244

щади проходных сечений окон на расчетном шаге, равном их

значениям в начале расчетного шага. На участке закрытия окон

зависимость (7.1) следует несколько видоизменить. Например,

для выпускных окон на этом участке газообмена

 

































 180cos15,0

в.пв.п

вввв

iiii

где





– угол поворота кривошипа, соответствующий моменту

начала закрытия выпускных окон.

На каждом расчетном шаге вычисляют:

 количество продуктов сгорания М

цsтi

и М

цвi

, вышедших

из цилиндра через впускные и выпускные окна в течение расчет-

ного промежутка времени;

 количество продуктов сгорания М

цsт(i+1)

, поступивших во

впускной канал с момента начала открытия впускных окон к на-

чалу следующего расчетного шага;

 количество продуктов сгорания М

цв(i+1)

, вышедших из

надпоршневой полости в выпускной канал с момента начала от-

крытия выпускных окон к началу следующего расчетного шага;

 среднее значение температуры продуктов сгорания Т

цsт(i+1)

во впускном канале к началу следующего расчетного шага, пред-

полагая, что не происходит их смешивание со свежим зарядом во

впускном канале;

 потери теплоты от газов в стенки Q

тi

в течение расчет-

ного промежутка времени и с момента открытия выпускных окон

т(i+1)

к началу следующего расчетного шага;

 параметры продуктов сгорания в надпоршневой полости

к началу следующего расчетного шага (р

(i+1)

, Т

(i+1)

, М

(i+1)

Блок-схема алгоритма расчета процессов в надпоршневой

полости двухтактного двигателя на участке свободного выпуска

та же, что и в случае четырехтактного двигателя (рис. 6.7), а при

двойном выпуске представлена на рис. 7.4, а. Цикл вычислений

по данному алгоритму продолжается до тех пор, пока сохраняет-

ся данное соотношение давлений (р

 р

 р

). Если в конце оче-

редного расчетного шага давление продуктов сгорания р

в над-

поршневой полости будет меньше, чем давление газов во впуск-

ном канале (р

 р

 р

), продукты сгорания из впускного канала

245

начнут возвращаться в надпоршневую полость. Изменение дав-

ления газов в надпоршневой полости за расчетный промежуток

времени

 





















pк

цвiцтi

тт

, (7.3)

где

 

issisi

sis

цт

ср

тцт

















 – масса продуктов сго-

рания, поступивших в надпоршневую полость из впускного кана-

ла в течение расчетного промежутка времени;

тцт



–

плотность продуктов сгорания во впускном канале;































тцт

цт

sis

W – скорость продуктов сгора-

ния в расчетном сечении впускных окон; Т

цsт

– среднее значение

температуры продуктов сгорания во впускном канале в конце

процесса заброса продуктов сгорания во впускной канал.

Блок-схема алгоритма расчета процессов в надпоршневой

полости на следующем участке газообмена представлена на

рис. 7.4, б.

На каждом расчетном шаге вычисляют:

 количество продуктов сгорания М

sцтi

и М

цвi

, посту-

пивших в надпоршневую полость из впускного канала и вышед-

ших из надпоршневой полости через выпускные окна в выпуск-

ной канал в течение расчетного промежутка времени;

 количество продуктов сгорания М

цsт(i+1)

, оставшихся во

впускном канале к началу следующего расчетного шага;

 количество продуктов сгорания М

цв(i+1)

, вышедших из

надпоршневой полости в выпускной канал с момента начала от-

крытия выпускных окон к началу следующего расчетного шага;

 потери теплоты от газов в стенки Q

тi

в течение расчет-

ного промежутка времени и с момента открытия выпускных окон

т(i+1)

к началу следующего расчетного шага;

246

FBI = 0,5



FBM



[1– cos((FI–FB1)/(FBП+DFПB)



180)];

FSI = 0,5FSM[1– cos((FI–FS1)/(FSП+DFПS)180)];

DMCBI =

     





DT1PIPT1TIA3FBIPIPTTIRTPI

KT2KT1

 ;

DMCSTI =

     





DT1PIPS1TIA3FSIPIPSTIRTPI

KT2KT1

 ;

FCI =





0,5



{1– cos(FI)+S/(8



[1– cos2(FI)]};

LTI = 128D

–0,2

(6,18CM)

0,8

(10

–5

PI)

0,8

(TI)

–0,53

;

DQTI = LTI



(TI

–

)+F



(TI

–

)+F



(TI

–

TC)]



DT1

V(I+1) = VC+0,5



{1– cos(FI+DF)+S/(8



[1– cos2(FI+DF)]};

DVI = V(I+1) –VI

DPI =

 

















 DVIPIDQTIKT2DMCBIDMCSTI

TIRT

PIKT

;

P(I+1) = PI + DPI; M(I+1) = MI – DMCBI – DMCSTI;

T(I+1) = P(I+1)V(I+1)/[M(I+1)RT];

MCB(I+1) = MCBI + DMCBI; MCST(I+1) = MCSTI + DMCSTI;

TCST(I+1)=

 



















TIDMCSTI)1I(T)1I(DMCST)1I(MCST1

;

QT(I+1) = QTI + DQTI







< PT



VIII

XII

Рисунок 7.4 – Блок-схема алгоритма расчета процессов газообме

на

в надпоршневой полос

ти двухтактного дв

гателя

247

FBI = 0,5



FBM



–

cos((FI

–

)/(FB

+DF



180)];

DMCBI =

     





DT1PIPT1TIA3FBIPIPTTIRTPI

KT2KT1

 ;

DMSCTI =

     





DT1PSPI1TCSTA3FSIPSPITCSTRTPS

KT2KT1

 ;

FCI =





0,5



{1– cos(FI)+S/(8



[1– cos2(FI)]};

LTI = 128D

–0,2

(6,18CM)

0,8

(10

–5

PI)

0,8

(TI)

–0,53

;

DQTI = LTI



(TI

–

)+F



(TI

–

)+F



–

TC)]



DT1

V(I+1) = VC+0,5



{1– cos(FI+DF)+S/(8



[1– cos2(FI+DF)]};

DVI = V(I+1) –VI

DPI =





















DVIPIDQTIKT2DMCBI

TIRT

DMSCTI

TCSTRT

PIKT

;

P(I+1) = PI + DPI; M(I+1) = MI + DMSCTI – DMCBI;

T(I+1) = P(I+1)V(I+1)/[M(I+1)RT];

MCB(I+1) = MCBI + DMCBI; MCST(I+1) = MCSTI – DMSCTI;

QT(I+1) = QTI + DQTI

MCST(I+1)

 PT



> PS

 PS





III

VII

XIХ

Рисунок 7.4 – Продолжение

FSI = 0,5



FSM



[1– cos((FI–FS1)/(FSП+DFПS)



180)];

< FBПК



FBПК

FBI = FBM;

FSI = FSM;

< FSПК

 FSПК

VII

XХ