Лекция №8 Петлевые схемы (системы) газообмена. В

Лекция №8
Петлевые схемы (системы) газообмена.
В
зависимости
от
характера
взаимного
расположения
органов
петлевые схемы могут быть
поперечными
а),
с
односторонним б), круговым
в),
и
смешанным
расположением окон.
Направление каналов продувочных и выпускных окон может быть различным:
параллельным а), радиальным б), эксцентричным в) и тангенциальным д).
Параллельное
каналов
направление Радиальное
каналов
направление Эксцентричное направление
каналов
Тангенциальное
направление окон
Поперечная петлевая схема газообмена с параллельным расположением окон
используется в настоящее время редко. Для этой схемы характерны значительные
застойные зоны в верхней части цилиндра и над поршнем, перемешивание свежего
воздуха с продуктами сгорания на границе встречных потоков.
Направленность потоков газов во многом
зависит от угла наклона осей продувочных
окон к оси цилиндра β и изменяется по мере
перемещения поршня к Н.М.Т. При
больших углах наклона более вероятно
«замыкание» потока – движение его по
кратчайшему пути от продувочных окон к
выпускным.
Чтобы избежать этого и получить более устойчивый по направлению поток, нужно
уменьшить угол наклона β. Однако при этом уменьшается живое сечение окон и для
восстановления его приходится увеличивать высоту последних, что приводит к
увеличению потери хода поршня.
Этот недостаток в той или иной степени присущ и ряду других вариантов петлевой
схемы газообмена.
Исследования показали большие возможности улучшения процесса газообмена за
счет более рационального взаимного расположения за счет более рационального
взаимного
расположения и направления органов газораспределения (особенно
продувочных окон).
Тангенциальное расположение окон д) обеспечивает дополнительную турбулизацию
в цилиндре и способствует лучшему смесеобразованию, в то время приводит к более
интенсивному перемешиванию в процессе газообмена воздуха с продуктами сгорания.
В последние годы получила распространение система газообмена Листа-Шнюрме.
Отличительной ее особенностью является
расположение продувочных окон двумя
группами по обе стороны выпускных.
Продувочный воздух поступает в цилиндр
двумя потоками в направлении стенки
напротив выпускных окон, поднимается
вверх, а затем опускается к ним, выталкивая
продукты сгорания.
Петлевая схема газообмена Листа-Шнюрме.
При такой схеме газообмена уменьшается перемешивание продувочного воздуха с
продуктами сгорания, улучшается весь процесс газообмена. Схема эта наибольшее
применение получила на транспортных двигателях.
Фирма MAN использует петлевую схему газообмена с односторонним
расположением окон (схема б)). Такое расположение окон позволяет размещать их на
большей части окружности и получить больше проходные сечение. Эта схема
обеспечивает сравнительно хорошее обтекание внутренней поверхности цилиндра и
качественную его очистку.
Для рассмотренных систем газообмена характерны симметричные диаграммы фаз
газораспределения.
Диаграмма
симметричная
фаз
газораспределения
В период φn2 – φb1 поступление в цилиндр продувочного воздуха прекращается,
через открытые еще выпускные окна продолжается истечение газов, что связано с
возможностью значительных потерь свежего заряда воздуха. Для устранения этого
недостатка в ряде конструкций главным образом малооборотных мощных дизелей (фирмы
MAN, «Зульцер») за выпускными окнами устанавливаются с целью их перекрытия
клапаны или золотники.
Более эффективным и надежным оказывается помещение клапанов на впуске, перед
продувочными окнами. В этом случае продувочные окна могут быть несколько выше
выпускных, что обеспечивает появление фазы дозарядки и улучшения наполнения
цилиндра, за счет уменьшения относительной высоты выпускных окон снижается потеря
рабочего хода.
В обоих случаях получается несимметричная диаграмма фаз газораспределения.
Прямоточные схемы газообмена.
Находят применение в транспортных двигателях повышенной удельной мощности –
автомобильных и тепловодных и быстроходных судовых двигателях, а также в судовых
двигателях большой мощности. Различают прямоточные щелевые схемы газообмена.
Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена была применена на заводе
«Русский дизель» в 1906-1907 гг.
В
современных
двигателях
поступление
продувочного воздуха в цилиндр осуществляется через
окна, расположение равномерно по всей окружности
цилиндра в нижней его части. Выпуск производится
через выпускные клапаны, устанавливаемые в голове
цилиндра. Окнам обычно придается тангенциальная
направленность, вследствие чего продувочный воздух
движения в цилиндре по спирали, обеспечивая
хорошую очистку его от продуктов сгорания и
способствуя его лучшему смесеобразованию.
Следует отметить более благоприятные условия работы поршня и втулки цилиндра,
омываемых продувочных воздухом.
Наличие клапанов позволяет получить несимметричную диаграмму фаз
газораспределения с исключением фазы потери заряда и получением фазы дозарядки.
Схема газообмена обеспечивает хорошую очистку цилиндра двигателя от продуктов
сгорания при сравнительно малом расходе продувочного воздуха.
Следует, однако отметить, что рассматриваемая схема уступает прямоточной
щелевой схеме газообмена, потому что несколько хуже качество очистки цилиндра из-за
повышенных гидравлических сопротивлений в клапанах и плохой продувки верхней части
цилиндра, затруднительно обеспечение надежной работы клапанной группы (высокая
температура клапанов, большие нагрузки на клапанные пружины).
Прямоточная щелевая схема.
Щелевая с противоположно- Золотниковая
движущимися поршнями
С общей камерой для двух
цилиндров
Прямоточная щелевая схема газообмена применяется в быстроходных транспортных
двигателях тепловых и судовых двигателях. Возможны следующие варианты:
1)
с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре
(П.Д.П.): а) с одним коленвалом; б) с двумя коленвалами;
2)
с золотниковым газораспределением;
3)
с двумя цилиндрами, имеющими общую камеру сгорания.
При всех вариантах этих схем газообмена есть возможность получить
несимметричную диаграмму фаз газораспределения.
Двигатели с противоположно движущимися поршнями (П.О.П.) отличаются
наилучшей очисткой цилиндра. Из-за тангенциальной направленности окон заряд
получает вращательное движение, сохраняющееся до конца сжатия, что обеспечивает
лучшее смесеобразование. Направление выпускных окон не оказывает существенного
влияния на качество газообмена. Часто они имеют радиальное направление осей.
Получение несимметричной диаграммы фаз газораспределения достигается путем
взаимного смещения коленвалов или боковых кривошипов относительно центрального
(при одновальный конструкции) на угол ∆φ, превышающий1800 на 8-200 П.К.В. Один вал
связан с поршнем, управляющим продувочными окнами, а другой – с поршнем,
управляющим выпускными окнами.
Уменьшение тепловоспринимающей поверхности за счет отсутствия крышек
цилиндров обусловливает меньшую относительную величину потерь теплоты в
охлаждающую цилиндры воду.
Двигатели с П.Д.П. обычно имеют повышенную удельную мощность. К недостаткам
этих двигателей следует отнести сложность конструкции остова. Два коленвала и силовая
связь между ними усложняет и удорожает ее.
Золотниковое газораспределение может быть выполнено в различных вариантах.
Наибольшее распространение получила схема, при которой роль золотника играет
поршень малого диаметра (≤ 0,5 Д), размещенный в крышке цилиндра и совершающий
возвратно-поступательное движение. Поршень управляемый выпускными окнами, ход его
обычно не превышает 0,4÷0,5 хода основного поршня. От поршня – золотника на
коленвал передается до 10% мощности двигателя.
Возможно применение гильзового распределения, или вращающихся золотников.
Как и в двигателе с П.Д.П., есть возможность получить несимметричную диаграмму
фаз газораспределения (за счет смещения по времени движения золотника и поршня).
К преимуществам двигателей с золотниковым распределением следует отнести
отсутствие необходимости в двух коленвалах или сложной связи верхнего поршня с
коленвалом, а также лучше, чем у поршня, температурное состояние золотников.
В качестве основных преимуществ прямоточных схем газообмена по сравнению с
петлевыми следует отметить:
1) относительно хорошую очистку цилиндра двигателя от продуктов сгорания и
лучшее наполнение цилиндра при сравнительно малом расходе продувочного воздуха;
2) меньшую долю потери рабочего хода;
3) возможность организации движения заряда воздуха, обеспечивающего лучшее
смесеобразование.
Для двигателей с прямоточной схемой газообмена характерны значения Pe от 5,5÷7,0
кг/см2 без наддува до 12 кг/см2 с наддувом, для двигателей с петлевыми схемами Pe от
4,5÷5,5 без наддува и до 9 (10) кг/см2 с наддувом.
Основными достоинствами двигателей с петлевыми схемами газообмена считают
простоту конструкции, меньшую первоначальную стоимость, простоту реверса и
обслуживания.
Органы газораспределения.
Продувочные окна могут быть прямоугольными, в виде параллелограммов
(ромбовидными), трапециевидными, овальными, круглыми. Наибольшее проходное
сечение при меньшей высоте обеспечивается первыми двумя вариантами. Круглые окна
являются наиболее технологичными; нередко они располагаются в несколько рядов (до
четырех) в шахматном порядке. Угол наклона продувочных окон к оси цилиндра β обычно
находятся в пределах 20÷600 (чаще 300) – для петлевых схем газообмена и 10÷900 – для
прямоточных схем. Тангенциальный угол α выбирается в пределах 8÷250.
1. Суммарная
ширина
окон:
петлевая
bn=(0,25÷0,4)ПД;
прямоточная
bn=(0,6÷0,75)ПД;
2. Высота окон (расстояние от верхней кромки окна до кромки днища поршня при
расположении его в Н.М.Т.
Для одного ряда окон hn=(0,08÷0,15)S, при этом меньшая высота характерна для
прямоточных схем газообмена. Для двухрядного расположения окон или при установке
клапанов перед продувочными окнами hn=(0,25÷0,35)S
Выпускные органы двухтактных дизелей выполняются либо в виде окон чаще всего
прямоугольной или ромбовидной формы, либо в виде тарельчатых клапанов. Направление
каналов выпускных окон , в отличие от продувочных, не оказывает существенного
влияния на процесс газообмена. Чаще они имеют радиальную направленность под углом
900 к оси цилиндра.
Суммарная ширина выпускных окон: при петлевой схеме газообмена Bb=(0,2÷0,35)
ПД, при прямоточной Bb=(0,5÷0,6) ПД.
Расстояние верхней кромки окон от поверхности днища поршня при расположении
его в нижней мертвой точке.
hb=(0,15÷0,35)S
Меньшие значения – для прямоточно-щелевой схемы.