Главная | Обратная связь

Практическое занятие №20

Тема: Разбор примера теплового расчета двухтактного двигателя

Цель:ознакомление с методикой расчета двигателя

Материальное обеспечение:

1. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.

2. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.

3. Справочная литература.

Вводный контроль:

На очистку цилиндра от отработавших газов и заполнение его свежим зарядом в двухтактном двигателе при одинаковой частоте вращения уходит значительно меньше времени, чем в четырехтактном.

В четырехтактном двигателе на процессы газообмена отводится более двух тактов, что составляет 420-480º ПКВ. В двухтактном двигателе на выпуск и продувку отводится часть ходов расширения и сжатия, или примерно 130-150º ПКВ. Кроме того, движение воздуха и газов в процессе выпуска и продувки является неустановившимся.

Характер изменения давлений и скоростей газов зависит не только от скорости поршня и проходных сечений, но и от длины и формы трубопроводов, а также от колебательных процессов в выпускной системе. Все это значительно усложняет расчеты по газообмену двухтактного двигателя.

Краткая теория

При разработке конструкции двухтаткного двигателя геометрические параметры продувочно-выпускной системы, число и расположение окон, фазы газораспределения и профиль кулачков выбирают на основе данных уже выполненных однотипных двигателей.

При этом обязательна последующая экспериментальная доводка органов газораспределения. Для ускорения доводки двигателя широко применяют исследование процессов газообмена на статических и динамических прозрачных моделях.

Порядок выполнения работы:

В теоретическом расчете процессов газообмена по известным из термодинамики формулам истечение газов с допущением установившегося движения определяют необходимые сечения органов газораспределения с учетом оптимальной скорости движения газов.

Критериями совершенства газообмена в двухтактном двигателе являются: коэффициент продувки φ_пр, коэффициент остаточных газов γ_ч, коэффициент наполнения η_н, давление продувочного (наддувочного) воздуха Рs (Рк).

Коэффициент продувки представляет собой отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр за цикл, к массе воздуха, оставшегося в цилиндре в составе заряда к началу сжатия. Коэффициент продувки судовых дизелей лежит в пределах 1,45-1,65. Меньшие значения характерны для прямоточных, а большие – для контурных схем газообмена.

Существует также понятие удельного расхода воздуха g_s, представляющего собой отношение массы воздуха, поступившего в цилиндр за цикл к эффективной цилиндровой мощности. Для двухтактных малооборотных двигателей g_s = 8,8-10,8 кг/(кВт ч). Эта величина дает возможность судить о непосредственных затратах воздуха на продувку.

Определение коэффициентов наполнения и остаточных газов было дано в лабораторных работах №13,14. следует отметить, что в двухтактных двигателях величина γ_ч зависит от схемы продувки: в прямоточной γ_ч = 0,04-0,08 , в петлевой фирмы «МАН» γ_ч = 0,08-0,03 ; в петлевой фирмы «Зульцер» γ_ч = 0,09-0,12 ; в поперечной γ_ч = 0,12-0,14.

Снижение параметров φ_пр, γ_ч, Ps и повышение η_н уменьшает мощность, затрачиваемую на сжатие продувочного воздуха.

Процесс выпуска в двухтактных двигателях условно разделяют на три фазы. Во всех схемах продувки сначала открываются выпускные окна или клапаны, и давление в цилиндре снижается от величины Рв до некоторой величины Рц, соответствующей началу открытия продувочных органов (рис.15.11). Этот период «вm» называют первой фазой – свободный выпуск (предварение выпуска). Истечение газа из цилиндра происходит под влиянием разности давлений Рв > Рч.

 

Начало второй фазы соответствует моменту открытия продувочных окон (точка m). Эта фаза называется продувкой или принужденным выпуском. Она продолжается по диаграмме от точки «m» до точки «m’», то есть до момента закрытия продувочных окон при восходящем ходе поршня от НМТ к ВМТ. Во время этого периода отработавшие газы вытесняются из цилиндра, и он заполняется воздухом.

Третья фаза может быть двух видов. Если конструктивная схема продувки такова, что сначала закрываются продувочные окна при еще открытых выпускных, то третья фаза представляет собой выпуск после продувки (линия m’a). В этом случае через выпускные окна из цилиндра уходит часть заряда. Если же сначала закрываются выпускные органы (например, золотники в выпускном тракте), то третья фаза будет фазой дозарядки. В этом случае в цилиндр через продувочные окна поступает добавочное количество воздуха. При расчете процесс газообмена давления Рs, Рц и Рч за период продувки принимаются постоянными.

При данной разности давлений количество вытекающего газа будет пропорционально площади сечения окон и времени их открытия. Увеличение живого сечения окон и уменьшение скорости движения поршня будут способствовать лучшей очистке цилиндра от газов и лучшему заполнению его свежим воздухом, а уменьшение размеров окон и увеличение быстроходности приводит к обратным результатам.

Так как в процессе газообмена ни высота окон, ни время их открытия, взятые в отдельности, не могут служить характеристикой их пропускной способности, то в теорию ДВС вводится понятие «время-сечение». «Время-сечение» это сумма произведений мгновенного значения площади проходного сечения окна на время открытия этого сечения. Время-сечение имеет единицу измерения: произведение площади проходного сечения на время открытия (см² с).Сущность расчета продувки состоит в том, чтобы определить теоретически необходимое время – сечение для прохождения газов при определенных давлениях и скоростях. Теоретическое время – сечение подсчитывают отдельно по фазам: для предварения выпуска, принужденного выпуска во время продувки и для продувки. Полученные значения теоретического время – сечение сравнивают соответственно по фазам с располагаемым время - сечением, которое находят на основании предварительно выбранных размеров окон и скорости поршня. Отношение теоретически необходимого время - сечения к располагаемому должно быть близко к единице, в противном случае вводят необходимые поправки в запроектированные размеры окон.

 

Содержание отчета: 1.Тема и цель практического занятия.2.Материальное обеспечение.

3.Отчет о проделанной работе.

Заключительный контроль:

1. Особенности очистки цилиндров 2-хтактных двигателей по сравнению с 4-хтактным.
2. Коэффициент продувки. 3.Коэффициент остаточных газов. 4.Коэффициент наполнения.

5. Давление продувочного воздуха. 6.1-ая фаза продувки. 7.2-ая фаза продувки.

6. 3-ая фаза продувки. 8.В чем заключается сущность продувки?

Литература:

1. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.

2.Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.

Практическое занятие №21

Тема: Определение нормальных, радиальных и касательных усилий в КШМ (кривошипно-шатунный механизм)

Цель:определение действия этих сил при работе двигателя

Материальное обеспечение:

1. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.

2. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.

Вводный контроль:

1. Понятие о силах давления газов.
2. Действие сил тяжести поступательно движущихся частей.
3. Силы трения.
4. Силы инерции.

Краткая теория

 

В судовых ДВС возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи кривошипно-шатунного механизма. Силы, действующие в этом механизме, можно разделить на четыре группы.

1. Силы от давления газов на днище поршня Рч, Н, мгновенное значение которых Рч = РчF (Рч – давление газа в цилиндре двигателя в данный момент времени, Па; F = ПД²/ч – площадь поршня, м²; Д – диаметр цилиндра, м). Давление газов изменяется за цикл в широких пределах от Ра до Рz в зависимости от положения поршня и угла поворота кривошипа. Период изменения давлений для четырехтактных двигателей 720º ПКВ, а для двухтактных 360º.
2. Силы тяжести поступательно движущихся частей Рв. Считают, что у тронковых двигателей в поступательном движении участвуют поршень и 0,4 массы шатуна, а у крейцкопфных, кроме того, шток, крейцкопф и ползун. Сила тяжести подвижных частей тронковых высокооборотных двигателей мала по сравнению с другими силами, поэтому ее обычно не учитывают. Однако в крейцкопфных двигателях ею пренебрегать не следует. В любом случае сила тяжести постоянна по величине и направлена вниз. Ее определяют по опытным данным или по чертежам двигателя.
3. Силы трения, которые не поддаются точному теоретическому подсчету и включаются в механические потери двигателя.
4. Силы инерции подвижных частей Ри, Н, в общем случае Ри = -М*а, где М – масса поступательно движущихся частей, кг; а –ускорение движущихся частей, м/с². знак «минус» указывает, что направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения.

 

Порядок выполнения работы:

 

Из технической механики известно, что для центрального кривошипно-шатунного механизма (у которого ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала) ускорение поршня «а» определяется приближенным выражением а = Rω²(cosφ + λcos2φ), где R – радиус кривошипа, м; ω = Пn/30 – угловая скорость, рад/с (n - расчетная частота вращения, об/мин); λ – R/L (L – длина шатуна, м); φ – угол поворота кривошипа, отсчитываемой от ВМТ. В этом случае выражение для сил инерции поступательно движущихся частей примет окончательный вид:

Ри = - М R ω²(cosφ + λcos2φ) (16.1)

 

Из этого уравнения следует, что силы инерции поступательно движущихся частей изменяются как по величине, так и по направлению в зависимости от угла φ, причем эти изменения будут периодическими.

Известно, что сила инерции достигает наибольшего значения там, где скорость становится равной нулю и меняет свой знак. Такими положениями для кривошипно-шатунного механизма должны быть мертвые точки. В ВМТ при φ = 0º выражение (16.1) принимает вид:

Ри = - М R ω²(1 + λ) (16.2)

 

в НМТ при φ = 180º Ри = - М R ω²(-1 + λ) = - М R ω²(1 - λ) (16.3)

 

Как видно в ВМТ силы инерции подвижных частей имеют отрицательное и наибольшее абсолютное значение, а в НМТ они положительны и принимают несколько меньшее значение, если иметь в виду, что λ = 1/3,5 - 1/5.

Кроме поступательно движущихся частей в двигателе есть вращательно движущиеся части, к которым относится неуравновешенная часть кривошипа и вращающаяся часть шатуна (условно ~ 60% Gш). Массы этих частей считаются сосредоточенными на оси шейки кривошипа. Так как центростремительное ускорение в этой точке а_ц = R ω², то сила инерции вращающихся частей Рц = -М R ω², где Мц – масса вращающихся частей, кг. Знак «минус» указывает, что эта сила направлена от центра вращения по радиусу кривошипа.

Таким образом, в кривошипно-шатунном механизме работающего двигателя в любой промежуток времени действуют силы от давления газов, силы тяжести и силы инерции поступательно движущихся частей, алгебраическая сумма которых выразится равнодействующей Рg, называемой движущей силой.

Рg = ±Рч ± Рв ± Ри (16.4)

 

Все эти силы, в том числе и движущая, считаются положительными (знак «+»), если они способствуют движению поршня и наоборот.

Движущая сила действует по оси цилиндра и приложена в центре головного соединения точке А (рис.16.1).

 

Рис.16.1 Схема сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

 

Разложим равнодействующую Рg по правилам механики на две составляющие: Рш, направленную на оси шатуна, и Рн, направленную перпендикулярно оси цилиндра. Условимся, что угол поворота кривошипа имеет некоторое мгновенное значение φ, а между осями цилиндра и шатуна образуется угол β. Сила Рн = Рц tgβ, которая называется нормально силой, прижимая поршень поочередно к противоположным стенкам цилиндра, вызывает износ цилиндропоршневой группы в этой плоскости (износ на эллипс).

В крейцкопфных двигателях сила Рн имеет большое значение и передается ползунам крейцкопфа на параллели, что облегчает условия работы цилиндропоршневой группы, именно этими обстоятельствами объясняется крейцкопфное исполнение малооборотных двухтактных двигателей.

Сила, действующая по оси шатуна Рш = Рg/cosβ, стремится сжать стержень шатуна. Перенося эту силу на ось шейки кривошипа в точку В, разложим ее по двум направлениям – по радиусу кривошипа и по касательной к окружности, описываемой центром шейки вала. Радиальная сила Рр определяется выражением:

Рр = Рш cos (φ + β) = Pg cos(φ + β)/cos β

 

Касательная (тангенциальная) сила Рк

Рк = Рш sin (φ + β) = Pg sin(φ + β)/cos β (16.5)

Перенесем радиальную силу Рр по направлению ее действия в центр коленчатого вала «О» и приложим одновременно к центру вала две взаимно противоположные и равные силы Рк’ и Рк”, параллельные и равные, в свою очередь, касательной силе Рк. Силы Рк’ и Рк” на плече R образуют пару сил, момент которой называется крутящим моментом. Этот момент приводит во вращение коленчатый вал и в общем случае Мкр = Рк*R. Из-за периодического изменения касательной силы величина крутящего момента также будет переменной. Дальнейшее сложение сил Рк” и Рр, приложенных к центру вала, дает результирующую силу Рш’, которая прижимает вал к вкладышам рамовых подшипников.

Раскладывая силу Рш’ на составляющие Рн и Pg’ и, имея в виду, что угол между силами Рш’ и Pg’ равен β, получим, что Рн’ = Рн, а Pg’ = Рg. Из выражения (16.4) следует, что в состав силы Рg входит сила от давления газов Рч, которая имеет абсолютно наибольшее значение по отношению к другим составляющим и поэтому без большой погрешности можно принять Рg ≈ Рч. В этом случае силы Рg’ и Рч’, действующие по оси цилиндра, условно равные и направленные в противоположные стороны, будут вызывать растягивающие нагрузки в деталях остова, а при наличии анкерных связей растягивать их.

Равные по величине и противоположные по направлению силы Рн и Рн’ образуют пару сил с плечом Н. создаваемый ими момент называется опрокидывающим, так как он стремится повернуть двигатель вокруг продольной оси в сторону, противоположную вращению коленчатого вала. Опрокидывающий момент численно равен крутящему, но направлен в противоположную сторону Мопр = - Мкр. Опрокидывающий момент передается опорам фундамента, вызывая в них реакции R₁ и R₂

 

Содержание отчета:

1. Тема и цель практического занятия.

2. Материальное обеспечение.

3. Отчет о проделанной работе.

Заключительный контроль:

1. Формула ускорения поршня и от каких величин она зависит?

2. Сила инерции поступательно движущихся частей.

3. Сила инерции вращающихся частей.

4. Движущая сила, ее составляющие.

5. Действие радиальной силы.

6. Действие касательной силы.

7. От каких сил и плеча зависит опрокидывающий момент?

 

Литература:

1. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.

2. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.