 |
Газообмен в двухтактных дизелях
|
|
|
|
Типы продувок. В § 4 уже рассматривался простейший тип продувки, называемой поперечно-щелевой (рис. 65, а). Ее особенность заключается в том, что выпускные 3 и продувочные 4 окна расположены с разных сторон втулки цилиндра. Они соединены соответственно с выпускным коллектором 2 и с ресивером продувочного воздуха 5. Продувочным окнам придается наклон вверх, в связи с чем воздух движется сначала к крышке цилиндра, затем, вытесняя отработавшие газы, меняет свое направление на обратное.
Рис. 2.21 Схемы продувки двухтактных дизелей.
Чтобы к моменту открытия продувочных окон давление в цилиндре успело снизиться и стать ниже давления продувочного воздуха, выпускные окна 3 делают выше продувочных 4. Однако в этом случае поршень 1, двигаясь вверх, закроет сначала продувочные окна, выпускные будут еще частично открыты. Процесс продувки после закрытия продувочных окон заканчивается, следовательно, через частично открытые выпускные окна будет происходить некоторая утечка свежего заряда. Чтобы избежать ее, у крупных двигателей выпускные и продувочные окна делают одинаковой высоты, но в ресивере продувочного воздуха ставят невозвратные клапаны. Они предотвращают заброс отработавших газов из цилиндра в ресивер при открытии окон, продувка начнется лишь при падении давления в цилиндре после открытия выпускных окон. При движении же поршня вверх поступление продувочного воздуха будет продолжаться до момента закрытия и тех и других окон. С той же целью в некоторых крупных двигателях на выпускном патрубке ставят приводной золотник, привод которого регулируется так, чтобы в момент перекрытия поршнем продувочных окон золотник перекрыл выпускные. Поперечно-щелевая продувка получила очень широкое распространение вследствие ее простоты. В двигателях морского флота встречается петлевая продувка (рис. 65, б). Выпускные 3 и продувочные 4 окна расположены с одной стороны цилиндра, причем выпускные – над продувочными.(Выпускной коллектор 2 и ресивер продувочного воздуха 1 находятся с одной стороны двигателя. При таком расположении окон продувочный воздух омывает цилиндр по всему контуру, начиная с днища поршня 5. Это очень важно, так как продувочный воздух охлаждает днище поршня. В данном случае продувочным окнам придается небольшой наклон вниз, а днищу поршня – вогнутая форма.
|
|
|
Качество очистки цилиндра при петлевой продувке несколько выше, но утечка свежего заряда больше, чем при поперечно-щелевой продувке. Поэтому в двигателях большой мощности на выпускных патрубках ставят золотники, перекрывающие выпускной патрубок по окончании продувки.
При рассмотренных схемах продувок в цилиндре движутся встречные потоки воздуха и отработавших газов, вследствие чего воздух и газы перемешиваются. В местах изменения направления движения воздуха появляются вихри, в связи с чем там остаются отработавшие газы. Поэтому качество очистки цилиндра в таких двигателях ниже, чем в четырехтактных.
Качественная, не уступающая четырехтактным двигателям, очистка цилиндра обеспечивается при прямоточных продувках. Суть их заключается в том, что выпуск отработавших газов производится с одного конца цилиндра, а впуск продувочного воздуха – с другого. Это может быть достигнуто, например, установкой в крышке цилиндра выпускных клапанов 3 (рис. 65, в). Поршень 4 открывает лишь продувочные окна 1, а клапаны 3 открываются таким же приводом, как и у четырехтактных двигателей. Продувочные окна 1 располагаются по всей окружности цилиндра, причем им придается тангенциальный наклон для образования спирального вихря продувочного воздуха. Ресивер продувочного воздуха 2 охватывает втулку цилиндров по всей окружности.
|
|
|
Такая прямоточно-клапанная продувка применяется как в автомобильных дизелях (ЯАЗ-204), так и в двигателях с цилиндровой мощностью свыше 750 кВт (1000 л. с.). В дизелях большой мощности получила широкое применение также прямоточно-щелевая продувка (рис. 65, г). В цилиндре находятся два поршня: верхний 4 и нижний 8. Верхние поршни работают на верхний коленчатый вал 3, а нижние — на основной нижний вал 1. Валы сообщены посредством вертикального вала 2 и конических шестерен.
Верхний поршень 4 открывает и закрывает продувочные окна 5, а нижний – выпускные окна 7. Поршни движутся противоположно. Когда они сходятся к внутренней м.т., в цилиндре происходит сжатие и через форсунку 6 впрыскивается топливо. Затем под давлением газа поршни расходятся, открывая в конце хода расширения выпускные (поршень 8) и впускные (поршень 4) окна.
Рассмотренную продувку имеют, например, отечественные тепловозные двигатели Д100. У двигателей с противоположно движущимися поршнями могут быть и другие кинематические схемы.
При прямоточной продувке легко осуществить дозарядку цилиндра, если предусмотреть закрытие выпускных окон или клапанов раньше, чем продувочных. У двигателей с противоположно движущимися поршнями для этого верхний и нижний кривошипы располагают под углом, отличающимся от 180°, ходы поршней делают разными.
Диаграммы газораспределения. Так как рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за 360° п. к. в., диаграмма его газораспределения имеет вид кольцевой ленты (рис. 66). При простейшей поперечно-щелевой или петлевой продувке (рис. 66, а) угол a2, характеризующий продолжительность выпуска, всегда больше угла a3 продувки: выпускные окна открываются раньше, а закрываются позднее продувочных. При прямоточных и некоторых других схемах продувка может заканчиваться даже позднее, чем выпуск. Поэтому продолжительность впуска (угол a3, рис. 66, б) может быть больше, чем продолжительность выпуска (угол a2). В этом случае по окончании выпуска осуществляется так называемая д о з а р я д к а цилиндра.
В обеих диаграммах (см. рис. 66) угол a1 является утлом опережения подачи топлива.
|
|
|
Наддув
Наддув воздуха как средство повышения мощности давно используется на больших дизельных стационарных и судовых установках. В противоположность атмосферному впуску у дизелей с наддувом воздух подается в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса воздуха в цилиндре, что при большой массе топлива приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объеме.
Наддув воздуха осуществляется при помощи так называемых нагнетателей. Дизель особенно хорошо подходит для наддува, так как в его впускном тракте сжимается только воздух, а не топливовоздушная смесь, и на основе качественного регулирования он может хорошо комбинироваться с наддувом.
Виды наддува
Различают несколько видов наддува:
Инерционный наддув. Инерционный наддув обеспечивается путем использования газодинамических явлений (колебания и инерция столба воздуха и др.) происходящих во впускном трубопроводе двигателя и достигаемых путем установки удлиненных впускных трубопроводов и кулачковых шайб специального профиля.
Каждый удлиненный впускной трубопровод объединяет впуск от 2 – 3х цилиндров.
Инерционный наддув заключается в следующем: благодаря специальному профилю кулачка впускной клапан открывается как бы в два приема: в начале хода поршня – на незначительную величину и в середине хода он открывается полностью.
В результате этого за первую часть хода поршня в цилиндре двигателя образуется разрежение величиной 0,3 – 0,4 кг/см2 (29,43 – 39,24 кПа) при незначительном проходном сечении впускного клапана. Затем во второй части хода поршня при открытом впускном клапане вся масса воздуха, имеющая большую инерцию, устремляется со значительной скоростью, доходящей до 200 м/сек, в цилиндры двигателя, в результате чего обеспечивается поступление в них некоторого количества воздуха, то есть осуществляется наддув воздуха.
Таким образом вследствие наличия удлиненного впускного трубопровода и значительной кинетической энергии движущегося столба воздуха давление в цилиндре быстро повышается и достигает в конце сжатия 1,18 – 1,2 кг/см2 (115,8 – 117,7 кПа).
|
|
|
Проведенные работы показали, что при инерционном наддуве среднее эффективное давление, а следовательно и мощность ДВС повышаются не значительно (не более 20 %). При этом величина наддува зависит от атмосферных условий.
Наличие кулачковых шайб специального профиля резко изменяет скорости во впускных клапанах при их открытии, что неблагоприятно сказывается на динамике приводов клапанов и, как следствие, приводит к ограничению форсировки двигателей с инерционным наддувом по оборотам, в результате повышенных напряжений в деталях привода.
При инерционном наддуве не обеспечивается одинаковая степень наддува для всех цилиндров на разных режимах работы двигателя, так как каждая группа цилиндров поддувается отдельным трубопроводом с неизменными параметрами (сечение, длина и др.).
Кроме того интенсивность продувки цилиндра при таком низком наддуве с давлением 0,3 – 0,4 кг/см2 и небольших углах перекрытия клапанов, равных примерно 100 пкв, крайне низкая, что приводит к перегреву поршневой группы двигателя и ухудшению условий очистки цилиндров от продуктов сгорания.
В силу указанных недостатков инерционный наддув практического применения не получил и по существу не вышел за рамки опытно - экспериментальных работ.
Механический наддув. В качестве нагнетателя обычно служат объемные или центробежные компрессоры. Первые более приемлемы для двигателей, работающих по нагрузочной характеристике, вторые – по винтовой. Для наддува судовых крейцкопфных дизелей нередко используют подпоршневые полости цилиндров.
Положительным качеством механического наддува является хороший пуск и удовлетворительная приемистость двигателя. Это объясняется тем, что цикловая подача воздуха практически полностью определяется частотой вращения вала компрессора, приводимого через механическую передачу от коленчатого вала, и не зависит от температуры отработавших газов
Однако механический наддув требует значительной затраты энергии на привод компрессора, что снижает механический КПД и, следовательно, экономичность двигателя. Кроме того, при механическом наддуве увеличиваются потери теплоты с отработавшими газами, так как они уходят из цилиндров в атмосферу с повышенными давлением и температурой (по сравнению с дизелем без наддува).
Если увеличить давление наддува, то эффективная мощность дизеля сначала возрастет, а затем, пройдя максимум, снижается до нуля (когда вся мощность дизеля расходуется на привод компрессора). Это объясняется тем, что индикаторная мощность поршневого ДВС с ростом давления наддува увеличивается медленнее, чем мощность, затрачиваемая на привод компрессора.
|
|
|
Из-за перечисленных недостатков механический наддув в судовых 4-тактных дизелях применяется сравнительно редко.
Турбонаддув. Наддув воздуха турбонагнетателем, который приводится в действие отработавшими газами, находит наиболее широкое применение среди всех известных способов. Этот вариант даже на двигателях малого рабочего объема позволяет получить крутящий момент и мощность достаточной величины при высоком КПД. Турбонагнетатели используют на легковых и грузовых автомобилях, судовых двигателях и тепловозах.
Если раньше турбонаддув использовался, прежде всего, для повышения удельной мощности, то теперь он находит все большее применение для повышения величины максимального крутящего момента на низких и средних частотах вращения коленчатого вала. Это имеет значение, в частности, при использовании электронного регулирования давления наддува.
Конструкция и принцип действия. Энергия находящихся под давлением горячих отработавших газов дизеля большей частью теряется, поэтому напрашивалось решение использовать часть этой энергии для повышения давления во впускном тракте.
Турбонагнетатель состоит из двух газодинамических устройств: газовой турбины, которая воспринимает энергию потока отработавших газов и компрессора, который соединен валом с турбиной и сжимает подаваемый воздух.
Горячие отработавшие газы поступают на турбину и раскручивают вал до высокой частоты вращения, которая у дизелей достигает 200 000 мин-1. Направленные лопатками турбинного колеса отработавшие газы двигаются к оси турбины, откуда затем выходят через канал в выпускной тракт (радиальная турбина). Вал приводит во вращение радиальный компрессор. Здесь противоположная картина: поток подаваемого воздуха входит по оси компрессора, ускоряется лопатками при движении наружу и при этом превращается в поток сжатого воздуха.
Для двигателей большого рабочего объема применяются также осевые турбины, где отработавшие газы подаются на осевое колесо. Такие турбины имеют более высокую эффективность и в производстве обходятся дешевле, чем радиальные.
Сопротивление движению отработавших газов, возникающее перед турбиной, увеличивает работу выталкивания, производимую двигателем на такте выпуска. Несмотря на это, КПД дизеля в диапазоне частичных нагрузок повышается.
На стационарном режиме с постоянной частотой вращения коленчатого вала поле характеристик турбины и компрессора можно согласовать одновременно на высокий КПД и высокое давление наддува. Гораздо сложнее определить параметры для нестационарных условий работы двигателя, от которого ожидают высокого крутящего момента. В начале разгона низкая температура отработавших газов и незначительное их количество, а также необходимость ускорения массы подвижных частей турбонагнетателя замедляют увеличение давления в компрессоре.
Различают два принципа турбонаддува.
При наддуве с постоянным давлением резервуар перед турбиной сглаживает пульсации давления в выпускном тракте. Вследствие этого турбина может пропускать при меньшем среднем давлении больше отработавших газов в области высоких нагрузок двигателя. Так как противодавление отработавших газов в этой точке становится меньше, расход топлива тоже сокращается.
Кинетическая энергия пульсаций давления при выходе отработавших газов из цилиндра используется при импульсном наддуве, который обеспечивает более высокий крутящий момент на более низких частотах вращения коленчатого вала. Чтобы отдельные цилиндры при газообмене не влияли на работу друг друга, у шестицилиндровых двигателей, например, выпускные магистрали объединяются по три на коллектор.
В турбинах с разделенным потоком, которые имеют два внешних канала, потоки отработавших газов также разделяются в зоне турбины.
Чтобы быстрее выходить на рабочий режим, турбонагнетатель устанавливается по возможности ближе к выпускным клапанам, поэтому он должен изготавливаться из термостойких материалов. На судне, из-за опасности пожара, турбонагнетатель охлаждается водой или теплоизолируются.
Методы регулирования турбонаддува.
Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбонагнетатель конструируется из расчета небольшой скорости потока отработавших газов. Для того, чтобы при больших скоростях потока отработавших газов нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются три конструктивных варианта:
- нагнетатель с перепуском отработавших газов;
- нагнетатель с изменяемой геометрией турбины;
- нагнетатель с дросселированием турбины.
Нагнетатель с перепуском отработавших газов. При высоких нагрузках на двигатель часть потока отработавших газов через перепускной клапан направляется мимо турбины в систему выпуска отработавших газов. Вследствие этого поток газов через турбину уменьшается, что снижает как степень сжатия воздуха компрессором, так и излишне высокую частоту вращения вала турбонагнетателя. При низких нагрузках на двигатель клапан закрывается, и весь поток отработавших газов направляется в турбину.
Нагнетатель сконструирован таким образом, что перепуск при неисправности блока управления открывается автоматически. Благодаря этому при больших нагрузках не возникает высокое давление наддува, которое повредило бы нагнетатель или сам дизель.
Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины дает возможность ограничить поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.
Подвижные направляющие лопатки соплового аппарата изменяют поперечное сечение каналов, через которые отработавшие газы устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникающее в турбине давление газа с требуемым давлением наддува. При низкой нагрузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сечение каналов так, что увеличивается противодавление отработавших газов. Поток газов развивает в турбине высокую скорость, обеспечивая высокую частоту вращения вала нагнетателя. При этом поток отработавших газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины. Таким образом, возникает большое плечо силы, которое дополнительно увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что уменьшает скорость течения потока отработавших газов. Вследствие этого турбонагнетатель при равном количестве отработавших газов меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува.
Нагнетатель с дросселированием турбины устанавливают на небольших двигателях. Регулировочная заслонка постепенным открытием подводных каналов изменяет проходное сечение для потока отработавших газов в турбине.
При небольших частотах вращения коленчатого вала или малых нагрузках на двигатель открыт только один канал. Меньшее поперечное сечение приводит к высокому противодавлению отработавших газов, высокой скорости течения газов и тем самым к высокой частоте вращения вала газовой турбины.
При достижении желаемого давления наддува регулирующая задвижка плавно открывает второй канал. Скорость течения отработавших газов, а вместе с тем частота вращения вала турбины и давление наддува уменьшаются. Регулятор двигателя задает положение указанной задвижки с помощью пневматического цилиндра.
Комбинированный наддув. Характерным признаком данной системы является одновременное применение на дизеле механического и газотурбинного наддува. Существует две схемы комбинированного наддува: с последовательным и параллельным включением компрессоров. Первый вариант имеет разновидность – так называемую обращенную последовательную схему, когда приводимый от двигателя компрессор является первой ступенью, а от турбины – второй. Недостатком этой схемы (по сравнению с первой) является более быстрый рост мощности, потребляемой приводимым от двигателя компрессором, при повышении давления наддува. Это ведет к снижению КПД двигателя и поэтому данная схема применения не нашла.
Механический наддув позволяет улучшить приемистость двигателя и его работу на всех режимах, включая пуск. Преимуществом параллельной системы комбинированного наддува по сравнению с последовательной являются несколько меньшие габариты и массы компрессоров, каждый из которых рассчитан на относительно меньшую подачу. Последовательная же система обеспечивает несколько лучшие эксплуатационные характеристики и относительно более экономичную работу двигателя при высоких давлениях наддува.
Двухступенчатый наддув. При высоких степенях наддува использование одного турбокомпрессора вызывает большие трудности. Так, на долевых нагрузках наблюдается рассогласование характеристик поршневого двигателя и турбокомпрессора. При максимальной нагрузке центробежный компрессор для повышения высоких степеней повышения давления требует больших окружных скоростей на периферии колеса, что снижает КПД компрессора и вызывает трудности в обеспечении прочности его лопаток. С учетом этих недостатков систем наддува с одним ТК уделяется внимание разработке и применению двухступенчатых систем воздухоснабжения, несмотря на повышенную стоимость изготовления дизелей, оборудованных такими системами.
Системы топливоподачи
|
|
|
