Главное меню

Судовые двигатели

Контурные системы продувок двухтактных двигателей

Наибольшее применение из контурных систем продувок имеет система П-образная, бесклапанная, с эксцентричным расположением осей продувочных окон (дизели завода «Русский Дизель» и фирмы «Зульцер» имеют эту систему продувки).

Разрез илиндра двухтактного дизеля с контурной П-образной системой продувки

На рис. 82 показаны поперечный и продольный разрезы цилиндра с продувкой данной системы. Выпуск и продувка в этой системе осущест­вляются по следующей схеме.

При движении поршня от ВМТ к НМТ сначала открываются выпуск­ные окна (расположенные слева), и после того как в цилиндре давление снизится до давления продувочного воздуха, поршнем открываются продувоч­ные окна, так как высота их меньше, чем у выпускных окон. Продувочный воздух под давлением порядка рк = 1,1?1,35 ата (если двигатель работает без наддува), создаваемым в продувочном насосе, поступает через продувоч­ные окна. Расположение продувочных окон под углом (примерно 30°) к вертикали и эксцентричное в плане направляет внача­ле поток воздуха вверх вдоль цилиндра, а затем после поворота — к выпускным ок­нам. Такое движение воздуха в цилиндре обеспечивает удовлетворение основных тре­бований, предъявляемых к системам про­дувок.

При обратном движении поршня сна­чала он закрывает продувочные окна, а потом выпускные. После закрытия выпу­скных окон начинается процесс сжатия.

Закрытие выпускных окон позже про­дувочных при восходящем движении порш­ня способствует уменьшению свежего за­ряда воздуха, что является недостатком данной системы продувки. Однако такое расположение окон вдоль оси цилиндра диктуется необходимостью снижения дав­ления газов в цилиндре к моменту откры­тия продувочных окон, до давления проду­вочного воздуха.

Для определения «время-сечение» продувочных и выпускных органов строят­ся так называемые диаграммы открытия окон. Построение диаграмм открытия окон сводится к нахождению величины откры­тия окон в зависимости от угла поворота мотыля.

Для построения диаграммы открытия окон рассматриваемой П-образной систе­мы продувки введем обозначения: r — радиус мотыля, Lш—длина ша­туна, S — ход поршня.

Бицентровая диаграмма Брикса

Из центра О (рис. 83) опишем окружность радиусом мотыля в принятом масштабе. От точки 0 вниз отложим поправку Брикса OO', учитывающую косвенное влияние конечной длины шатуна OO' =r2/ 2Lш в масштабе чертежа.

На вертикальном диаметре окружности мотыля от НМТ отложим высоту выпускных окон h1 (расстояние от верхней кромки окна до кромки поршня при положении его в НМТ) в масштабе чертежа 1 см — тcм в натуре. Через точку 1 проведем горизонталь А1А' до пересечения с окружностью, затем точки А1 и А1' соединим с точкой О'. Проведя линию ОА0, параллельную О'А1 , получим положение мотыля в точке А0 при положении поршня в мо­мент начала выпуска. Точка А0’ будет соответствовать концу открытия выпускных окон.

Угол А0ОА0’ = ?1 является полным углом открытия выпускных окон. Откладывая высоту продувочных окон аналогично находим полный угол открытия продувочных окон ?1. Если разделить угол А10' А5 на равные части, то соответствующие положения поршня будут в точках 2; 3; 4 и т. д.

Следовательно, при повороте мотыля на угол А1О' А2 поршень откроет выпускные окна на величину 1—2, а при повороте на угол А1О' А3 выпуск­ные окна откроются на величину 1—3.

Для дальнейшего построения диаграммы открытия окон установим масштабы: по оси абсцисс 1 см — ? угла поворота мотыля, по оси ординат 1 см — т см величины линейного открытия окон. Откладывая в принятых масштабах по оси ординат линейные величины открытия окон, взятые из бицентровой диаграммы, а по оси абсцисс — соответствующие углы поворота мотыля, получим кривую А1A5А1' (рис. 84).

Диаграмма открытия окон

Участок кривой А1 А5 соответ­ствует открытию выпускных окон, а участок А5 А1 соответствует закрытию выпускных окон. Откладывая, как это показано, величину h2, получим кри­вую SA5S' открытия продувочных окон. Ранее установленные масштабы диаграммы открытия окон выразим в зависимости от времени поворота мотыля и сечения открытия окон.

где ?2 угол наклона продувочных окон.

Схема расположения окон

Величина площади диаграммы открытия окон выражает «время-се­чение», т. е. произведение времени открытия окон в секунду на суммарное проходное их сечение в квадратных сантиметрах.

Площадь F1 выражает «время-сечение» выпуска до продувки, или «время-сечение» свободного выпуска:

Пределы интегрирования для определения F1 : t = 0 (начало выпуска) t = ts (начало продувки).

Площадь F2 выражает «время-сечение» продувки в пределах инте­грирования

t1 = ts и t2 = ts'— начало и конец продувки.

Диаграмма открытия окон П-образным, поперечной системы продувки

Площадь F3 (рис. 86, площадь F2 перенесена вниз) выражает «время-сечение» выпуска в период продувки, или «время-сечение» принужденного выпуска, т. е.

Площадь F4 выражает «время-сечение» выпуска после продувки. Таким образом, для определения «время-сечения» окон надо замерять площадь соответствующего участка диаграммы открытия окон и умножить на масш­таб площади. Зная «время-сечение», можно определить условные средние скорости истечения.

Условная средняя скорость свободного выпуска

Обычно ?1 составляет 250 — 800 м/сек.

Условная средняя скорость продувки

Обычно ?2 составляет 65—100 м/сек.

Условная средняя скорость принужденного выпуска

Обычно ?3 составляет 50 — 200 м/сек,

где V3' — рабочий объем цилиндра в см3;

?1— коэффициент избытка воздуха при продувке;

? — отношение высоты выпускных окон к ходу поршня. Использование энергии импульса газов, возникающих в выпускном коллекторе с подобранным числом цилиндров, двухтактного дизеля позво­ляет увеличить наполнение цилиндра как за счет непосредственного напол­нения, так и за счет гидравлического запирания цилиндра.

Изменение фаз распределения у судового дизеля 6ДНР 30/50 (увеличе­ние угла закрытия выпускных окон (угол поворота коленчатого вала дизеля после НМТ) с 65 до 73° и соответственно увеличение угла начала вы­пуска позволили повысить его мощность на 20 % и снизить удельный расход топлива на 6—8 г/э. л. с.ч.

Таким образом, для рассматриваемой поперечной контурной системы продувки оказалось целесообразнее использовать энергию выпуска непо­средственно для наполнения цилиндра и в газовой турбине, чем трансфор­мирование этой энергии только в турбокомпрессоре.

Применение управляемого золотника на выпускном тракте значительно усложняет конструкцию дизеля, а потому является менее эффективным, чем этот способ. Указанный дизель имеет два выпускных коллектора, которые объединяют цилиндры 1У 2, 3 и 4, 5 и 6 соответственно; вы­пуски в каждом коллекторе сле­дуют через 120° п. к. в.

Схема петлевой системы продувки

Односторонняя петлевая систе­ма продувки (рис. 87) применяется в судовых дизелях фирмы МАН.

В этой системе продувки окна продувочные и выпускные имеют одностороннее расположение; верх­ние окна выпускные, нижние про­дувочные. Продувочные окна име­ют небольшой наклон книзу (око­ло 15°) и лучевое расположение в плане, которое имеют и выпускные (разрезы АА и ББ).

При движении поршня от ВМТ к НМТ сначала открываются выпуск­ные окна и потому начинается свободный выпуск, в результате чего давле­ние в цилиндре падает. В период времени перемещения поршня с момента начала открытия выпускных окон до момента начала открытия продувоч­ных окон давление в цилиндре падает до давления, равного давлению проду­вочного воздуха. Продувочный воздух, вследствие наклона продувочных окон, сначала омывает днище поршня, а затем, описав петлю по контуру цилиндра, направляется в выпускные окна. Вихревой мешок, который обра­зуется вдоль оси цилиндра (рис. 88), зависит от ширины окон; с увеличением ширины окон он уменьшается.

Схема газопотока в петлевой системе продувки

Наличие указанного вихревого мешка снижает качество очистки ци­линдра, так как место расположения вихря заполнено продуктами' сгора­ния. Большой путь продувочного воздуха (примерно два диаметра плюс два хода поршня) и изменение скорости по пути способствуют перемешива­нию воздуха с продуктами сгорания. Опытные данные показывают, что ко­эффициент остаточных газов у двигателей с данной системой продувки дости­гает значения 0,10—0,12.

При движении поршня в обратном направлении, от НМТ к ВМТ сначала закрываются поршнем продувочные окна, а потом выпускные, вследствие чего снижается вес свежего заряда воздуха.

Разрез илиндра дизеля с петлевой системой продувки

Для устранения этого недостатка фирма МАН в своих двигателях стала применять за выпускными окнами вращающиеся золотники (рис. 89). Зо­лотники всех цилиндров связаны между собой и имеют один общий привод в действие от коленчатого вала двигателя. С помощью этих золотников выпускной тракт цилиндра перекрывается еще раньше закрытия поршнем продувочных окон при его движении вверх. Следовательно, вследствие этого устраняется имеющее место в этой системе продувки уменьшение заряда свежего воздуха, а наоборот, осуществляется некоторая дозарядка. Однако эксплуатации установка золотников себя не оправдала, и они не приме­няются.

Диаграмма открытия окон петлевой системы продувки

На рис. 90 показана диаграмма открытия окон рассматриваемой петлевой системы продувки. Обозначения здесь все прежние. В точке К вы­пускные окна открыты полностью, а промежуток времени между точками K и S соответствует прохождению поршнем в цилиндре перемычки между ядами выпускных и продувочных окон вдоль оси цилиндра. В точке S' продувка заканчивается, и на участке S'А' будет происходить выпуск после продувки. При наличии золотника в выпускном тракте выпуск заканчивается раньше точки S', а потому «время-сечение» продувки F2 становится равно или больше «время-сечения» принужденного выпуска F3 + Fl' (Fl' в этом случае равно нулю) и поэтому будет происходить дозарядка, цилиндра свежим воздухом.

Схема системы продувки с двумя рядами продувочных окон

К поперечной контурной си­стеме продувки относится и система продувки, усложненная двумя рядами продувочных хон, которая применяется в судовых дизелях фирмы «Зульцер». Верхний ряд продувочных окон, которые расположены вы­ше выпускных, либо оба ряда перекрыты автоматическими клапа­нами (рис. 91, а). При движении поршня от ВМТ к НМТ верхние продувочные окна открываются поршнем раньше выпускных, но ввиду того что давление газов в цилиндре до открытия выпускных окон остается большое давления продувочного воздуха, верхние продувочные окна остаются перекрытыми клапанами. После открытия выпускных окон, когда давле­ние в цилиндре станет равным давлению продувочного воздуха, продувоч­ный воздух будет поступать через оба ряда продувочных окон, так как лапаны будут открыты. Продувочные окна имеют наклон вверх около 30° вертикали. При обратном движении поршня (от НМТ к ВМТ) верхние продувочные окна закрываются поршнем позже выпускных, а потому происходит дозарядка цилиндра продувочным воздухом.

Диаграмма открытия окон системы продувки с двумя рядами продувочных окон

На рис. 92 приведена диаграмма открытия окон данной системы продувки с двумя рядами продувочных окон. На этой диаграмме «время-се­чение» продувки выражается площадью F2= F2' + F2'' (здесь площадь F2' накладывается на площадь F2'', что показано штриховкой). Площадь F3 вы­ражает «время-сечение» принужденного выпуска, а F1 — «время-сечение» свободного выпуска, при этом начало выпуска в точке А, а конец — в точке А'.

В точке S начало продувки через оба ряда окон, в точке S' конец про­дувки через нижние окна, а конец продувки через верхние окна в точке С'. Линия СD соответствует открытию верхних продувочных окон, а линия К'О' соответствует закрытию автоматических клапанов. Площадь А'С"O"С'А" условно выражает «вре­мя-сечение» дозарядки свежим воздухом, так как она соответствует превышению «время-сечения» продувки над «время-сечением» выпу­ска. В действительности «время-сечение» дозаряд­ки равно разности «время-сечения» продувоч­ных и выпускных окон для каждого положения коленчатого вала. Дан­ная система продувки имеет коэффициент ос­таточных газов 0,07— 0,10, но усложнение кон­струкции двигателя яв­ляется недостатком ее. Фирма «Зульцер» в по­следнее время стала применять систему про­дувки с одним рядом продувочных окон, но с установкой поворотных заслонок в выхлопных патрубках. Наличие за­слонок в выпускном тракте, приводимых в действие от распределительного вала двигателя, также позволяет осуще­ствлять дозарядку свежего воздуха.

В дизелях с наддувом типа RD фирма «Зульцер» применяет измененную систему продувки (см. рис. 91, б). Продувочный воздух по выходе из турбо­нагнетателя 3 поступает в холодильник 5 и дальше в подпоршневое прост­ранство 8 цилиндра 1. Полость 7 ресивера продувочного воздуха является отдельной для каждого цилиндра дизеля. При ходе поршня 10 к НМТ воздух в подпоршневом пространстве сжимается до 2—2,2 ата и вследствие этого невозвратные клапаны 6 закрываются. Кроме основного ряда продувоч­ных окон 11 имеется еще один ряд дополнительных продувочных окон 9, которые расположены под выпускными окнами 12. После открытия поршнем продувочных окон 11 начинается продувка цилиндра и вслед за падением давления воздуха в подпоршневом пространстве ниже давления продувоч­ного воздуха, поступающего от турбонагнетателя, открываются клапаны 6; продолжается зарядка цилиндра воздухом от турбонагнетателя. Воздух, поступающий в цилиндр через окна 9, создает подпирающий поток продувочного воздуха, идущий через основные окна 11. Такая система продувки является поперечно-петлевой. Наличие дополнительных продувочных окон увеличивает «время-сечение» продувки и улучшает очистку цилиндра. На­личие заслонки 2 в патрубке 4, которая закрывается при ходе поршня вверх после закрытия продувочных окон), устраняет потерю свежего заряда воздуха.

Схема системы продувки с одинаковой высотой продувочных и выпускных окон

Видоизменением системы продувки с двумя рядами продувочных окон является система продувки, применяемая заводом «Поляр» (рис. 93), кото­рая имеет продувочные и выпускные окна одинаковой высоты. Продувочные окна перекрыты автоматически­ми клапанами.

Диаграмма открытия окон системы продувки с одинаковой высотой окон

Диаграмма открытия окон этой системы продувки показана на рис. 94, где кривая SK является линией открытия автоматических клапанов. Площадь так­же выражает «время-сечение» продувки.

Односторонняя петлевая систе­ма продувки (рис. 87) применяется в судовых дизелях фирмы МАН.

В этой системе продувки окна продувочные и выпускные имеют одностороннее расположение; верх­ние окна выпускные, нижние про­дувочные. Продувочные окна име­ют небольшой наклон книзу (око­ло 15°) и лучевое расположение в плане, которое имеют и выпускные (разрезы АА и ББ).

При движении поршня от ВМТ к НМТ сначала открываются выпуск­ные окна и потому начинается свободный выпуск, в результате чего давле­ние в цилиндре падает. В период времени перемещения поршня с момента начала открытия выпускных окон до момента начала открытия продувоч­ных окон давление в цилиндре падает до давления, равного давлению проду­вочного воздуха. Продувочный воздух, вследствие наклона продувочных окон, сначала омывает днище поршня, а затем, описав петлю по контуру цилиндра, направляется в выпускные окна. Вихревой мешок, который обра­зуется вдоль оси цилиндра (рис. 88), зависит от ширины окон; с увеличением ширины окон он уменьшается.