Материал: Расчет процессов газообмена двухтактного дизеля

Введение

Для осуществления рабочего процесса в цилиндр двигателя необходимо подать воздух из атмосферы и удалить отработавшие газы. Процессами впуска свежего заряда и выпуска отработавших газов управляет механизм газораспределения. В четырёхтактных двигателях он состоит из впускных и выпускных клапанов, распределительного вала с кулачковыми шайбами, передаточного механизма от кулачковых шайб к клапанам (толкатели, штанги, клапанные рычаги) и привода от коленчатого вала к распределительному.

В двухтактных двигателях газораспределение осуществляется самим поршнем через выпускные и продувочные окна или поршнем (продувка) и клапаном в крышке (выпуск).

Газораспределительные механизмы и газообмен

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное поступление в цилиндры топлива, свежего воздуха и выпуск газов. В 4-х-тактных двигателях эти процессы осуществляются впускными и выпускными клапанами, приводимыми в действие распределительным валом. Распределительный вал соединяется с коленвалом через шестерёнчатую или цепную передачу.

Двухтактные двигатели, как правило, имеют контурное газораспределение, для чего в цилиндре сделаны окна, открывающиеся и закрывающиеся самим поршнем, который выполняет функции распределительного золотника.

В некоторых двухтактных двигателях имеется прямоточно-клапанная или прямоточно-щелевая продувка. При прямоточно-клапанной продувке газы выпускаются через клапаны, установленные в крышках цилиндра, а подача воздуха -- через окна во втулке.

Распределительный вал открывает в определённой последовательности впускные и выпускные клапаны при помощи имеющихся на нем профильных кулачных шайб.

При контурной продувке поток воздуха (смеси) движется вдоль внутренней поверхности цилиндра и его головки, повторяя их контур. Впускные и выпускные органы -- окна в стенках цилиндра -- расположены в его нижней части. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется самим поршнем, а специальный газораспределительный механизм отсутствует. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может осуществляться специальными дефлекторами на днище поршня и в головке цилиндра (в этом случае продувка называется дефлекторной) или специальной формой продувочных каналов, направляющих поток воздуха (смеси) к головке цилиндра, и сферической формой головки. Так как в последнем случае воздух (смесь) в цилиндре описывает петлю, такой тип продувки называется возвратно-петлевой или просто петлевой.

Поперечная щелевая продувка . Здесь выпускные окна расположены против продувочных, причем по высоте (в направлении хода поршня) выпускные окна превышают продувочные. Это сделано для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов. Частичное вытеснение поршнем через выпускные окна воздуха после закрытия продувочных окон служит, однако, причиной утечки свежего заряда, что ведет к уменьшению мощности двигателя. Преимуществом этого типа продувки является простота конструкции, эксплуатации (нет клапанов) и надежность работы. Поэтому рассмотренный тип продувки широко применяется в современных двигателях.

Петлевая продувка. Выпускные -- верхние и продувочные -- нижние окна расположены в два ряда один над другим. В конце рабочего хода кромкой днища поршня сначала открываются выпускные окна, а при дальнейшем ходе и продувочные. Продувочные окна наклонены вниз, почему воздух, поступающий .в цилиндр, направляется вниз, обтекает вогнутую поверхность поршня и далее, двигаясь в верхнюю часть цилиндра и описывая петлю, вытесняет продукты сгорания через выпускные окна. При движении поршня вверх сначала закрываются продувочные окна, а затем выпускные, т. е. так же как и при поперечной щелевой продувке. Преимущества и недостатки этих двух типов продувок одинаковы.

К недостаткам контурной продувки вообще следует отнести симметричность открытия и закрытия продувочных и выпускных окон относительно нижней мёртвой точки. Дело в том, что выпускное окно должно открываться раньше продувочного, чтобы часть отработавших газов вытекла в выпускной коллектор, и давление в цилиндре стало меньше давления воздуха (смеси) в продувочном насосе (иначе продувка будет невозможна). По окончании продувки выпускное окно желательно закрыть чуть раньше продувочного -- тогда произойдёт дозарядка цилиндра (предварительное сжатие воздуха или смеси, что позволит повысить мощность). Но при поршневом управлении открытием окон это сделать невозможно -- моменты открытия и закрытия окон симметричны относительно нижней мёртвой точки -- выпускное окно закрывается позже продувочного. При начале сжатия через это окно теряется часть воздуха (смеси). Для сокращения потерь следует уменьшить угол запаздывания закрытия выпускного окна. Но он равен углу предварения выпуска, который следует увеличить. Это заставляет идти на компромисс при проектировании двигателей или применять особые конструктивные решения, вроде введения распределительных гильз или золотниковых механизмов.

Кроме того, при контурной продувке в цилиндре всегда имеются застойные (непродуваемые) зоны, что ухудшает технико-экономические характеристики двигателя.

При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Управлять открытием и закрытием продувочных и выпускных окон одним поршнем невозможно, что требует применения специальных устройств. Может использоваться клапанный механизм, установленный в головке цилиндра, через который происходит выпуск отработавших газов (впускные продувочные окна открываются и закрываются поршнем).

При прямоточной продувке качество очистки цилиндра от остаточных газов качественно выше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднений. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан закрывается раньше продувочного, это исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышением давления.

Несмотря на указанные достоинства, двигатели с прямоточной продувкой получили меньшее распространение. Дело в том, что по сложности они порой превосходят четырёхтактные. Двигатели с прямоточной продувкой выгодно применять в тех случаях, когда четырёхтактный двигатель близких размеров не может быть форсирован до необходимой мощности за счёт повышения числа оборотов. Такая ситуация возникает на судах дальнего плавания, где двигатель вращает гребной винт с винтом переменного шага без редуктора.

Расчёт процессов газообмена двухтактного дизеля

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Двухтактного двигателя с контурной поперечно щелевой продувкой

Поршень, под действием силы давления продуктов сгорания движется к НМТ (производя полезную работу) и открывает выпускные окна. Затем поршень открывает продувочные окна, по которым в цилиндр двигателя из ресивера под давлением подаётся воздух. Сжатый воздух омывает цилиндр по периметру и, выталкивая остатки продуктов сгорания, осуществляет его наполнение свежим зарядом. Далее поршень движется к ВМТ, последовательно закрывая своими кромками продувочные и выпускные окна. После того как закроются выпускные окна, начинается процесс сжатия воздушного заряда.

Расчёт рабочего объёма цилиндра

Рабочий объём - объём, освобождаемый поршнем в цилиндре при перемещении поршня от точки минимального объёма до точки максимального объёма.

Полный объем цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сжатия.

Литраж двигателя - суммарный рабочий объём цилиндров двигателя внутреннего сгорания.

Расчёт камеры сжатия

Степень сжатия - отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сжатия. С. С. показывает, во сколько раз уменьшился объем горючей смеси или воздуха при сжатии.

Значение коэффициента -, рассчитывается с учётом фаз газораспределения двигателя, по повороту коленчатого вала от момента закрытия выпускных окон.

Зная угол поворота коленчатого вала соответствующий закрытию выпускных окон, который приведён в задании, определяют долю потерянного хода:

(угол закрытия выпускных окон, приведённый в задании не соответствует реальным параметрам, поэтому к расчёту были приняты откорректированные данные: 70⁰, что соответствует выбранному типу продувки)

По доле Д_i определяют величину потерянного хода, выраженную в метрах.

Используя соотношение определяют значение :

Расчёт объёма цилиндра в начале открытия выпускных, продувочных окон и среднего объёма

Объем цилиндра в начале открытия выпускных окон

- доля потерянного хода поршня, соответствующая моменту открытия выпускных окон:

Объем цилиндра при открытии продувочных окон.

- доля потерянного хода поршня при открытии продувочных окон:

Проверка условий истечения газов по скорости

Принимая во внимание, что в результате эксплуатации двигателей были определены экстремальные значения скорости истечения газов, в работе проводится проверка выполненных расчётов по этому параметру посредством сравнения полученных значений с данными, приведёнными в таблице:

Скорость истечения газов в фазе свободного выпуска:

Скорость истечения газов в фазе принудительного выпуска: