Расчет параметров газообмена двухтактных длинноходных дизелей МАН – Бурмейстер и Вайн типа МС и Зульцер типа RTA

3.1.1. Выбор исходных данных

3.1.1.1. Диаметр цилиндра D_ц, м

3.1.1.2. Ход поршня S, м

3.1.1.3. Частота вращения коленчатого вала n, мин^-1

3.1.1.4. Степень сжатия ε

3.1.1.5. Давление наддувочного воздуха p_s, МПа

3.1.1.6. Коэффициент остаточных газов γ_г

3.1.1.7. Температура наддувочного воздуха T_s, К

3.1.1.8. Температура в начале сжатия T_a, К

3.1.1.9. Максимальное давление сгорания p_z, МПа

3.1.1.10. Максимальная температура сгорания T_z, К

3.1.1.11. Показатель политропы расширения n₂

3.1.1.12. Степень предварительного расширения ρ

3.1.1.13. Коэффициент расхода выпускного клапана в период предварения выпуска μ_в1

3.1.1.14. Коэффициент расхода выпускного клапана в период принужденного выпуска μ_в

3.1.1.15. Коэффициент расхода продувочных окон μ_п

3.1.1.16. Угол начала открытия выпускного клапана φ_b, ⁰ПКВ от ВМТ

3.1.1.17. Угол начала открытия продувочных окон φ_d, ⁰ПКВ от ВМТ

3.1.1.18. Угол конца линейной части подьема клапана φ₁, ⁰ПКВ от ВМТ

3.1.1.19. Угол закрытия продувочных окон φ_d1, ⁰ПКВ от ВМТ

3.1.1.20. Угол начала закрытия клапана φ₂, ⁰ПКВ от ВМТ

3.1.1.21. Угол начала сжатия φ_a, ⁰ПКВ от ВМТ

3.1.1.22. Массовый коэффициент избытка продувочного воздуха φ_g

3.1.1.23. Относительная ширина продувочных окон β

3.1.1.24. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ_ш

В исходных данных численные значения пунктов 3.1.1.1 – 3.1.1.12 принимаются по результатам теплового расчета, остальные – из методических указаний / 14 /.

3.1.2. Расчет постоянных

3.1.2.1. Объем, описанный ходом поршня, м³

3.1.2.2. Доля хода поршня, потерянная на линии сжатия до закрытия выпускного клапана

3.1.2.3. Объем камеры сжатия, м³

3.1.2.4. Объем цилиндра в момент начала сжатия (определяется по моменту закрытия выпускного клапана), м³

3.1.2.5. Объем в точке «z» индикаторной диаграммы, м³

3.1.2.6. Объем цилиндра в начале выпуска газов, м³

3.1.2.7. Степень последующего расширения в точке «b»

3.1.2.8. Температура газов в точке «b», К

3.1.2.9. Давление газов в точке «b», МПа

3.1.2.10. Объем цилиндра в момент открытия (закрытия) продувочных окон, м³

3.1.2.11. Средний объем цилиндра за период предварения выпуска, м³

3.1.2.12. Максимальное проходное сечение выпускного клапана, м²

Это сечение, как правило, намного превышает проходное сечение корпуса клапана. При отсутствии чертежа клапанного узла можно принимать внутренний диаметр корпуса 0,75×d_кл , а площадь штока равной 7 % от проходной площади. Тогда

В дальнейших расчетах принимаем за максимальное проходное сечение клапана проходное сечение корпуса клапана.

3.1.3. Расчет время-сечения продувочных окон

В предлагаемом методе расчета газообмена дизеля с прямоточно-клапанной продувкой, открытие выпускного клапана осуществляется гидравлическим приводом и диаграмма открытия имеет вид трапеции (рис. 3.1), поэтому время сечение выпускного клапана может быть определено аналитически вместо графического определения площадей диаграммы открытия (закрытия) клапана. Для общности время-сечение продувки определяется также аналитически.

Методика графического построения диаграммы время-сечение приведена в /14/.

Рис. 3.1. Диаграмма время – сечение длинноходного двигателя и ее построение

К моменту открытия продувочных окон путь поршня от ВМТ определяется как

, м

а доля потерянного хода поршня на продувочные окна

Элементарное время - сечение продувки, м² ∙с

После ряда математических преобразований имеем полное располагаемое время-сечение продувки, м² ∙с

(3.1)

Так как продувка начинается при φ_н > φ_d , то часть А_п^р теряется на свободный выпуск, что учитывается в формуле

(3.2.)

В расчетно-пояснительную записку входит расчет только А_п^р , а после определения φ_н и А_п1^р.

3.1.4. Определение давлений в цилиндре и выпускном коллекторе в период продувки (первое приближение)

При расчете газообмена известно только давление наддувочного воздуха p_s. Давление в цилиндре в период принужденного выпуска р_н и давление за цилиндром р_г должны быть определены по известному располагаемому времени-сечению. Этими давлениями можно задаться в качестве первого приближения, основываясь на опытных данных, но тогда неизбежно применение метода нескольких последовательных приближений. Более короткий путь определения р_н и р_г состоит в определении функции истечения воздуха через продувочные окна ψ_п и газов через выпускной клапан ψ_в

для чего в формуле для ψ_пнеобходимо определить коэффициент наполнения.

3.1.4.1. Коэффициент наполнения

3.1.4.2. В первом приближении потеря время-сечения на свободный выпуск не учитывается. По формуле (3.1) находим А_п^р

3.1.4.3. Функция истечения через продувочные окна

3.1.4.4. По ψ_п находим перепад давлений β_п

3.1.4.5. Давление в цилиндре в период продувки – выпуска, МПа

3.1.4.6. Располагаемое время-сечение выпускного клапана (без учета свободного выпуска) от момента открытия до закрытия продувочных окон (рис.3.1), м² ∙с

3.1.4.7. Масса газа, покинувшая цилиндр от начала выпуска до начала продувки, кг

, К

, кг

, кг

3.1.4.8. Функция истечения через выпускной клапан за период принужденного выпуска (без учета свободного выпуска)

Средняя температура смеси газов и воздуха в период выпуска - продувки определяется по формуле

, К

3.1.4.9. Отношение давлений

3.1.4.10. Давление газов за выпускным клапаном, МПа

3.1.5. Расчет газообмена с учетом свободного выпуска (второе приближение)

3.1.5.1. Располагаемое время – сечение предварения выпуска, м² ∙с

3.1.5.2. Отношение давлений в момент открытия продувочных окон

3.1.5.3. Допустимое отношение давлений

(верхняя граница поля допуска)

(нижняя граница поля допуска)

В малооборотных дизелях к началу открытия окон давление в цилиндре падает до p_s в ресивере и затем, вследствие эжектирующего действия потока газа, вытекающего из цилиндра, оно снижается до давления в выпускном патрубке р_г . Таким образом, если полученное отношение входит в допустимые пределы, то заброс газов из цилиндра в продувочный ресивер или из выпускного патрубка в цилиндр исключается. Наличие или отсутствие заброса газов определяется максимальным давлением p_z , углом φ_в и временем – сечением предварения выпуска .

3.1.5.4. Давление р_d в цилиндре в момент открытия продувочных окон определяется из выражения

3.1.5.5. Критическое давление в цилиндре для давления р_г

До открытия продувочных окон процесс истечения проходит сначала в надкритической фазе, затем в подкритической и формула для справедливая для двух фаз считается примененной правильно.

3.1.5.6. Время – сечение свободного выпуска от момента открытия продувочных окон до начала принужденного выпуска

3.1.5.7. Полученное через масштаб откладываем на диаграмме время – сечение выпускного клапана и находим угол начала продувки φ_н . Для двигателей с трапецевидной диаграммой сдвиг по углу ПКВ можно найти аналитически

3.1.5.8. Уточненное располагаемое время – сечение продувки с учетом потери на свободный выпуск определим по формуле (3.2)

3.1.5.9. Функция истечения через продувочные окна

3.1.5.10. По значению этой функции находим отношение

и давление р_н из выражения

3.1.5.11. Уточненное время-сечение выпуска, м² ∙с

3.1.5.12. Масса газа, покинувшая цилиндр с учетом свободного выпуска, кг

, К

, К

, кг

3.1.5.13. Функция истечения газа через выпускной клапан (во втором приближении)

По ψ_в находим

и из выражения находим р_г.

3.1.6. Фаза потери заряда

В современных двухтактных длинноходных дизелях закрытие выпускного клапана происходит при угле поворота кривошипа φ_а, т.е. позже угла закрытия продувочных окон. За этот период происходит начальное сжатие заряда цилиндра и истечение смеси через закрывающийся клапан. Потеря заряда снижает коэффициент наполнения и коэффициент избытка воздуха при сгорании топлива.

3.1.6.1. Время-сечение потери заряда, м² ∙с

3.1.6.2. Изменение давления в цилиндре за этот период можно определить по методу проф. Глаголева Н.М. Частный случай расчетного уравнения имеет вид

где д_вV и dV - частные приращения объема цилиндра за счет выпуска и перемещения поршня

3.1.6.3. Давление в цилиндре к началу сжатия

3.1.6.4. Массовая потеря заряда

3.1.6.5. Масса смеси в начале сжатия

3.1.6.6. Масса возможного свежего заряда в объеме V_s

3.1.6.7. Коэффициент наполнения цилиндра воздушным зарядом

3.1.6.8. Коэффициент избытка воздуха при сгорании при цикловой подаче топлива q_ц

3.1.6.9. Доля потери заряда