Исследование газообмена и его влияния на основные показатели рабочего процесса двухтактного двигателя с прямоточной схемой продувки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.00.00, кандидат технических наук Яковлев, Геннадий Васильевич

• Яковлев, Геннадий Васильевич
• кандидат технических наук
• 1973

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яковлев, Геннадий Васильевич

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

ШВА I Экспериментальные методы исследования процесса газообмена. Состояние вопроса. Постановка задачи.

ГЛАВА П Экспериментально-расчетная методика оценки качества очистки цилиндра двухтактного двигателя с прямоточной системой продувки.

§ I. Экспериментальное определение полей скоростей воздуха в полости цилиндра.

§ 2. Расчетное определение продвижения фронта воздуха вдоль оси цилиндра.

§ 3. Расчетное определение перемешивания продувочного воздуха с условными продуктами сгорания.

§ 4. Расчет количественных показателей качества очистки цилиндра

ГЛАВА I Исследование методом квазистатического моделирования влияния конструктивных параметров продувочных окон на протекание очистки цилиндра.

§ I. Исследование влияния угла наклона продувочных окон в плане.

§ 2. Исследование влияния ширины продувочных окон.

ГЛАВА 17 Экспериментальная установка, программа и методика исследования

§ I. Экспериментальная установка

§ 2. Методы и погрешности измерения основных показателей работы двигателя.

§ 3. Методы и аппаратура для специальных измерений на двигателе

§ 4. Методы исследования газообмена

§ 5. Выбор режимов работы одноцилиндрового от сека.

§ 6. Программа опытных работ

ГЛАВА У Результаты экспериментальных исследований.

§ I. Исследование рабочего процесса в зависимости от угла наклона продувочных окон в плане

§ 2. Исследование рабочего процесса в зависимости от ширины продувочных окон . /

§ 3. Исследование влияния жа экономичность двигателя качественных характеристик процессов газообмена и смесеобразования.

§ 4. Исследование взаимосвязи геометрических параметров окон и формы камеры сгорания . . . ^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование газообмена и его влияния на основные показатели рабочего процесса двухтактного двигателя с прямоточной схемой продувки»

Работа выполнялась по заданию Коломенского тепловозостроительного завода им.В.В.Куйбышева на кафедре "Судовых двигателей внутреннего сгорания и установок" Ленинградского кораблестроительного института с 1964 г. по 1972 г.

Научный руководитель работы профессор Ваншейдт В.А., научный консультант доцент Коптев К.Н.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время развитие многих отраслей народного хозяйства невозможно без двигателей внутреннего сгорания. Особенно значительна роль двигателя внутреннего сгорания, как источника механической энергии на транспорте и, в частности, двухтактного дизеля, занимающего ведущее положение в силовых установках судов морского флота.

Для обеспечения технического прогресса в дизелестроении важное значение имеет повышение эффективности экспериментальных и конструкторских работ, связанных с созданием новых и совершенствованием серийных двигателей.

Весьма перспективным в этом направлении представляется разработка методов моделирования процессов газообмена двухтактных двигателей.

Среди существующих способов моделирования наиболее заманчивым является статический. Это объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с условиями исследования на динамических установках: а) простотой опытной установки; б) возможностью изготовления вариантных деталей из любых легко-обрабатываемых материалов; в) доступностью и простотой измерительной аппаратуры; г) надежностью и наглядностью результатов эксперимента.

С другой стороны, если оценивать оба метода по степени приближенности к действительному процессу, то безусловно предпочтение может быть отдано динамическим установкам. Однако, ввиду того, что выполнение моделирования процесса продувки обычно преследует цель сравнительной оценки рассматриваемых вариантов органов газораспределения этот недостаток не имеет решающего значения.

Несмотря на неоспоримые возможности и достоинства статических способов исследования процесса газообмена, в области прямоточных систем продувки ой не нашел достаточно широкого распространения по причине отсутствия надежной методики моделирования.

Решение этой проблемы позволит значительно уменьшить затраты материальных средств на экспериментальные исследования, а также ускорить проектирование и доводку новых конструкций двухтактных дизелей.

Настоящая работа посвящена разработке методики статического моделирования газообмена, изучению ее возможностей, экспериментальному исследованию процесса очистки цилиндра в зависимости от некоторых конструктивных параметров органов газораспределения двухтактных двигателей с прямоточной схемой продувки. Одновременно рассматривается влияние организации движения воздуха в цилиндре за период продувки на основные показатели рабочего процесса, а также его взаимосвязи с параметрами сопла форсунки.

ШВА I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ШСЛВДОВАНШ ПРОЦЕССА ГАЗООБМЕНА. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Процесс смены рабочего тела оказывает решающее влияние на работу двухтактных двигателей с прямоточной продувкой. Без правильной настрой ки этого процесса невозможно получить удовлетворительных показателей по удельной мощности, экономичности и надежности. Это вызвано тем,что протекание газообмена обуславливает не только величину и качество воздушного заряда, но и воздействует на смесеобразование, эффективность системы наддува и теплонапряженность двухтактных двигателей.

Однако, непосредственное назначение процесса продувки - обеспечить наиболее полное удаление из цилиндра отработавших газов и наполнение его свежим воздухом. Успешное выполнение этой функции во многом зависит от характера организации потока воздуха в цилиндре во время принужденного выпуска. В идеальном случае под оптимальной организацией потока подразумевается течение с минимальными затратами энергии, минл мальным перемешиванием свежего воздуха и отработавших газов (стремление к послойному вытеснению) и минимальными потерями свежего воздуха в выпускную систему , а также отсутствие в объеме цилиндра застойных, непродуваемых зон.

На формирование потока воздуха в цилиндре двухтактного двигателя определяющее влияние оказывает конструкция органов газораспределения и значения скоростей воздуха и газа при течении через них. Величины скоростей, в свою очередь определяются соответствующими перепадами давлений и инерционностью движения масс газа в смежных системах.

Оценивая, влияние органов газораспределения на характер потока воздуха в цилиндре следует отметить, что влияние продувочных окон является преобладающим. Впускные окна, формируя струи воздуха и придавая им соответствующее направление, оказывают свое воздействие на картину потока в цилиндре на протяжении всей его длины. Влияние выпускных органов на характер течения в цилиндре сказывается только в непосредственной близости от них.

В связи с этим» очевидно, что проблема выбора оптимальных конструктивных параметров продувочного пояса имеет очень важное значение.

Условно процесс проектирования органов газообмена двухтактных двигателей с прямоточной системой продувки можно разбить на два следующих этапа: а) определение необходимых размеров проходных сечений органов впуска и выхлопа; б) выбор конструктивной формы, расположения и пространственной ориентации осей впусиных и выпускных окон, а в случае прямоточно-клапаняой продувки - количества и формы выхлопных клапанов.

Первый этап проектирования выполняется расчетным путем. В нашей стране наибольшее распространение получил расчет по методу А.С.Орли-на [72, 76), за рубежом - по методу Рингвальда [85], Цемана [178] и Швейцера [161] , с использованием в кавдом случае статистических данных из опыта создания аналогичных конструкций двухтактных дизелей.

Для решения задач второго этапа в теории и практике дизелестрое-ния отсутствуют обобщенные аналитические зависимости или достаточно надежные и простые экспериментальные модельные методы. Поэтому выбор оптимальных параметров органов газораспределения, и в первую очередь конструктивного выполнения продувочного пояса, в каждом конкретном случае приходится производить путем кропотливой экспериментальной работы на опытных отсеках.

К настоящему времени, в целях установления влияния конструктивных параметров продувочного пояса на качество очистки цилиндра выполнено сравнительно много экспериментальных работ и весьма ограниченное число теоретических исследований. Последнее, как известно, объясняется чрезвычайной сложностью процессов, происходящих при газообмене, а также недостаточностью числа связей между параметрами в характерных точках.

Рассмотрим материалы наиболее известных работ, в которых исследовалось влияние основных параметров продувочного пояса на качество очистки цилиндра, а также протекание рабочего процесса в целом.

Наибольшее внимание данному вопросу уделяется в опытных работах фирм и заводов, связанных с производством дизелей с прямоточно-кла-панной и прямоточно-щелевой продувкой. В СССР это заводы "Русский Дизель", Брянский Машиностроительный завод, Коломенский тепловозостроительный завод, а также ЦНВДИ, МВТУ, ХЕШ, Ц0ИГА. За рубежом -фирмы ОМС, Зульцер, Фиат, завод Цегельского и другие.

Исследования течения газов в цилиндре преследуют цель определения условий, которые обеспечивали бы наилучшее качество очистки цилиндра. Результаты теоретических разработок, выполненных к настоящему времени, в силу их несовершенства, практически не могут быть использованы в этом плане. Последнее обстоятельство заставляет исследователей искать решения этой задачи различными экспериментальными путями.

В течение почти пятидесятилетней истории развития этого направления исследований было разработано достаточно много самых разнообразных методов эксперимента. Большинство известных способов исследования, для удобства их рассмотрения и оценки, в литературе [151] часто объединяют по трем следующим группам:

1. Эксперименты на работающих двигателях;

2. Эксперименты на динамических моделях (натурных или "масштабных" размеров);

3. Эксперименты на статических моделях.

Измерить скорости течения воздушных потоков в цилиндре работающего двигателя практически невозможно. В литературе имеются лишь краткие сообщения о попытках киносъемки визуализированного потока продувочного агента. Однако каких-либо реальных результатов такие попытки не дали. В основном, первая группа включает в себя исследования, связанные с изучением влияния отдельных параметров и конструктивных элементов органов газообмена и смежных с цилиндром систем на качество процесса продувки. Последнее большей частью определяется по результатам анализа газовых проб [14 , 33 , 43 , 44 , 73 , 76 , 79 , 86 , 87] , либо методами присадок трассирующего газа [9, 107] и радиоактивных изотопов [84].

Применяемые в практике эксперимента динамические модели по принципу действия делятся на два типа: а) непрерывного действия; б) одноцикловые

Работа на установках непрерывного действия по методике и получаемым результатам мало отличается от исследований на работающих двигателях. Иногда даже такие модели представляют собой натурный двигатель прокручиваемый электромотором.

Метод исследования на динамических одноцикловых установках определяется тем, какого вида рабочее тело в них предполагается использовать - газ или жидкость.

Применение жидкости позволяет в моделях натурных размеров уменьшить скорость вращения коленчатого вала в 15* 20 раз (возможно и более - в зависимости от выбранного давления жидкости, имитирующей продувочный воздух) при соблюдении основных законов подобия. Снижение скорости вращения позволяет создать модель с ходом поршня только по высоте впускных окон, что дает возможность изготовить верхнюю часть цилиндра из прозрачного материала, а следовательно и выполнять кинорегистрацию потока в полости цилиндра [126].

Количественные показатели газообмена в "гидравлических** моделях, определяются после совершения однократного процесса смены заряда, путем определения весовых количеств - смеси рабочих тел в цилиндре и в выпускной системе, а также жидкости оставшейся в продувочной полости.

В одноцикловых установках, предназначенных для использования газообразных рабочих тел, поршни должны перемещаться со скоростями равными таковым у реальных двигателей. Это обуславливает то, что проведение экспериментов в части определения качества газообмена становится идентичным с характером экспериментов на работающих двигателях. В обоих случаях показатели газообмена, определяются по результатам анализа газовых проб, отобранных из цилиндра. У двигателей и динамических моделей непрерывного действия проба отбирается из цилиндра непосредственно во время работы на соответствующих режимах, а у одноцикловых моделей после остановки поршня, совершившего разовый цикл. Очевидно, что в последнем случае величина газовой пробы, которая может быть отобрана для анализа, равна весовому заряду цилиндра, а при отборе пробы у работающего двигателя ее величина обычно не превосходит 5-10$ заряда цилиндра и определяется размерами газоотборочного клапана и его быстродействием.

Необходимо отметить, что получить пробу даже в таком количестве далеко не просто, а иногда практически невозможно. Уменьшение количества отбираемого газа, особенно на линии сжатия, как известно, снижает надежность результатов эксперимента, т.к. состав пробы отличается от среднего состава газов в цилиндре. С этой точки зрения исследования на одноцикловых моделях должны обеспечивать более высокую точность результатов.

Безусловно здесь следует оговориться, что при проведении исследований на одноцикловых моделях (практически на любых видах моделей ДВС) невозможно обеспечить идентичность их условий работы с условиями реального двигателя в части динамики протекания процессов, а иногда и в части полного соблюдения условий подобия. Однако, по всей вероятности при исследовании и доводке процесса газообмена это может вызвать расхождение только в абсолютных величинах показателей очистки цилиндра, полученных на двигателе и моделе, не искажая общей закономерности.

Последняя, третья группа охватывает исследования процесса очистки цилиндра в статических условиях. Эта группа, как по количеству выполненных работ, так и по разнообразию использованных и разработан ных методов значительно более обширна, чем другие [4,29,36,55,56,70, 108,111,122,135,127,128,156,159,161,175 и др.]

Выполнение статических исследований также возможно на "гидравлических" и "воздушных" моделях. Однако, использование жидкости в этом случае ни только не приносит каких-либо преимуществ, а наоборот усложняет экспериментальную установку и измерение скоростей, а также делает невозможным соблюдение подобия по ряду критериев ( Ма,Ен и дй Во многом этим можно объяснить ограниченное применение жидкости при статических экспериментах.

Наиболее распространено экспериментальное исследование процесса газообмена методом продувки полости цилиндра воздухом в статических условиях. Оценка качества возможного протекания процесса в каждом конкретном случае выполняется либо по данным визуального наблюдения картины движения потоков в цилиндре, либо по результатам измерения полей скоростей в его полости.

Исследования, использующие метод визуализации воздушных потоков, как правило, дают только качественную картину течения, кроме того, последняя может носить субъективную оценку, во многом определяемую практическим опытом экспериментатора.

Измерение посредством скоростных трубок и шаровых многоканальных зондов поля скоростей в цилиндре позволяет получать более объективные данные о характере течения воздушного потока.

Статические исследования газообмена, в силу сравнительной простоты выполнения эксперимента и достаточной надежности результатов, исторически начали проводиться значительно раньше всех остальных. Так уже в начале 30-х годов количество выполненных интересных исследований, достигло десяти. К настоящему времени это число (только по работам, опубликованным в печати) намного больше. Однако, подавляющая часть работ, выполненных на статических стендах посвящена исследованию либо доводке процесса газообмена у двигателей с контурными схемами продувки. Количество же работ, посвященных изучению смены заряда в двигателях с прямоточными системами газообмена крайне ограничено.

С чем же связано такое предпочтительное отношение дизелистов к исследованию контурных продувок в статических условиях по сравнению с прямоточными? Объяснить это только более сложной картиной течения в цилиндре и большей трудоемкостью доводки процесса газообмена не совсем правомерно. Представляется, что другой, не менее существенной причиной, является методическая оснащенность статического исследования контурной продувки, т.е. возможность оценки рассматриваемых вариантов органов газообмена. Основные положения статических методов исследования контурных систем продувки разработаны авторами работ [108, 122, 135, 154] .

В последнее время практически все дизелестроительные заводы и фирмы, выпускающие двухтактные двигатели с контурными продувками, при доводке процесса газообмена используют статические модели. Несколько иная картина наблюдается при создании двигателей с прямоточными продувками - статический метод применяется очень редко, зато все большее распространение получают исследования на динамических установках [51,53,102,111,159] и двигателях [14,21,33,42 и др.]

Одной из основных причин ограниченного применения статических способов исследования прямоточных схем продувки является несовершенство разработанных методик, на основании которых рекомендуется выполнять эксперименты и оценивать качество очистки цилиндра, при использованш различных конструктивных вариантов органов газообмена. Несмотря на недостатки этих методик, кавдая из выполненных работ сыграла определенную положительную роль в изучении процесса газообмена и установле нии некоторых конструктивных соотношений, необходимых при проектировании элементов газо-воздушного тракта двигателя.

Одно из первых исследований прямоточной продувки на статическом стенде было выполнено в 1933-34 гг. в ЦИАМ под руководством профессора А.С.Орлина [70]. Целью работы был "выбор рациональной формы и размеров органов распределения с точки зрения лучшей очистки цилиндра от продуктов сгорания и минимального образования мертвых зон".

Установка включала в себя цилиндр в сборе с крышкой и продувочным ресивером, а также систему подачи воздуха с нагнетателем, успокоительным баком и расходомерной шайбой. Верхняя часть цилиндра была выполнена стеклянной, а пояс продувочных окон - деревянным. Продувочные пояса были изготовлены в большом количестве вариантов, отличающихся друг от друга: а) углом наклона окон в плане (в диапазоне 10°+ 25°); б) углом наклона окон к вертикальной оси цилиндра (0°+ 30°); в) размерами и формой окон.

Методика экспериментального исследования качества газообмена была следующей - цилиндр модели наполняли ,дымом, а затем начинали продувать воздухом и по наблюдению через прозрачную часть втулки определяли время его очистки от дыма. Измеренный период времени и являлся показателем качества продувки.

На основании выполненных опытов отмечается, что среди выбранных значений углов наклона продувочных окон в плане 10°+ 25° цилиндр лучше всего очищается при 10°.

Наиболее подробно в работе рассмотрено влияние на характер потоков и время очистки отношения осевой длины окна " [ " (величина близкая к толщине стенки цилиндровой втулки) к его ширине " в и. Опыты показали, что оптимальное значение этого отношения следует считать равным или очень близким к единице. При уменьшении этого отношения было выявлено появление неравномерности в распределении поля давлений перед продувочными окнами, приводившей к образованию вихрей и увеличению времени очистки.

Правильность этого положения десятью годами позже была подтверждена исследованиями к.Иавпег'а. [177].

Примененный в работе ЦИАМ метод эксперимента в дальнейшем для исследования прямоточных продувок практически не использовался. Объясняется это тем, что проведение подобного моделирования процесса продувки, как впрочем и любого другого, основанного только на принципе визуального наблюдения течения воздуха в цилиндре, может дать только весьма ориентировочные данные.

Вероятно, в настоящее время метод можно было бы существенно уточнить, используя современные приборы для измерения средней концентрации дыма в объеме цилиндра до и после продувки воздухом. Иначе ори/ ентировочность результатов опыта делает невозможным использование их для сравнительной оценки вариантов органов газораспределения, дающих весьма близкие показатели по качеству очистки цилиндра. Это, в частности, подтверждается сделанным в работе ошибочным выводом по влиянию формы тарелки выпускного клапана на протекание процесса газообмена. Вывод, что выпуклая головка обеспечивает более благоприятные условия.для очистки цилиндра, чем плоская в последующих работах [34, 164] не подтвердился. Как показали опыты этих исследований, наблюдалась обратная картина, т.е. очень небольшое преимущество плоских и вогнутых (типа "тюльпан") тарелок клапанов.

Следующая методическая разработка [15б] в этой области появилась в печати более, чем через двадцать лет после только что рассмотренной. Статья н.Регс1уа1\я является очень обстоятельным обобщением многолетних методических и экспериментальных работ, выполненных научно-исследовательским отделом фирмы по изучению процесса газообмена в двухтактных двигателях с прямоточно-клапанной продувкой.

В обзорной части статьи отмечается, что на протяжении свыше 20 лет этим отделом при доводке процесса продувки были испробованы при широко поставленных опытах наиболее распространенные способы исследования - на двигателях и динамических моделях, а также на статических "гидравлических" и "воздушных" моделях. Среди рассмотренных способов наиболее пригодным для изучения и доводки газообмена был признан метод измерения поля скоростей в полости цилиндра при статической продувке. Обосновывается это тем, что все остальные способы могут дать ответ только о качестве очистки цилиндра (по анализу газовых проб), но не дают представления о картине течения воздуха в цилиндре, а следовательно и о путях улучшения продувки.

В основу своей методики \у.н.Регс!уа1 положил принцип сравнения картины течения, установленной измерением при статической продувке, с идеализированным потоком, у которого по всему поперечному сечению цилиндра одинаковая осевая скорость продувочного воздуха.

Сравнение выполняется следующим образом:

1. По результатам статической продувки, строится график распределения осевых скоростей по радиусу для среднего по высоте сечения цилиндра. На рис.1 схематически показаны графики для двух случаев течения: I (слева) - поток воздуха без обратного течения; II (справа) - с обратным течением около стенки цилиндра.

2. На основании, построенной кривой графическим интегрированием вычисляется величина средней скорости воздуха в цилиндре, с которой предполагается движение идеализированного потока. Далее для суждения о качестве газообмена рассматривается соотношение объемов получаемых вращением соответствующих площадок (рис.1), которые образуются в ре

CASE I

Рис Д. Схема деления на площадки относительно средней скорости эпюры распределения по радиусу цилиндра осевых скоростей.

-----— ч,- у°т Q-®.

• TOT*L VDUMC О, И-о,

Рис.2, вменение коэффициента эпюры осевых скоростей. в зависимости от формы юо

90 •О

70

Л. , \ \ " / \\ \ У J ш

О 4

12 1С 20 24 21 » N 40

PORT ANOLC р

Рис.3. Зависимость коэффициента Ч6 от угла наклона продувочных окон в плане. зультате пересечения линии средней скорости с графиком изменения осевой скорости.

3. Объем получаемый вращением площадки В (рис.1) предполагается пропорционалвяым количеству воздуха, остающемуся в цилиндре к концу продувки, а объем + у = У + - всему количеству воздуха, проходящему через цилиндр за время принувденного выпуска. Объем Уа » образуемый вращением площадки А, ограниченной кривой графика и лежащей выше линии средней скорости, рассматривается как соответствующий количеству воздуху, уходящему в избыток. На основании этих предположений, в качестве критерия для сравнительной оценки рассматриваемых вариантов систем газообмена предлагается следующий параметр: ^ ув

Пг

Ув + Ус (I) названный автором синтетическим коэффициентом продувки. Очевидно, что значение этого коэффициента может быть равно 100$ только в случае идеализированной картины течения в цилиндре, т.е. когда график осевых скоростей совпадает с линией средней скорости (см.рис.2).

Если принять во внимание, сделанное в работе предположение относительно физического смысла объемов V8 и ( Ув + Ус ), то предлагаемый параметр представляет собой отношение количества воздуха, остающегося в цилиндре к полному расходу воздуха за цикл. Следовательно величина Qs может характеризовать качество протекания газообмена только с точки зрения использования продувочного воздуха.

В качестве примера практического использования предлагаемой методики в работе приводятся результаты исследования зависимости синтетического коэффициента продувки от угла наклона (J3 ) продувочных окон в плане (рис.3). Наилучшие показатели достигаются при угле наклона окон в районе 28+30°, что достаточно хорошо согласуется с данными других исследователей [ill, 160, I68J .

Дальнейшим развитием рассмотренной методики является работа, выполненная н.вг1тапо*вк1 и «ЬБ^гуг; [128]| которые также в качестве показателя оценки газообмена используют синтетический коэффициент продувки.

Авторы статьи [128] , учитывая основные недостатки в работе Регез.уа1'а , на основе предложенного им коэффициента Чё делают попытку создать методику, позволяющую более полно отразить характер течения воздуха в цилиндре, установленный при статической продувке.

Очевидной недоработкой в методике Регез.уа1'а является то, что оценка той или иной схемы выхлопа - продувки выполняется только по одной эпюре осевых скоростей, измеряемой в среднем по высоте сечении цилиндра в момент полного открытия продувочных окон. В результате совершенно не учитывается картина потока воздуха в нижней и верхней части цилиндра, а также ее изменение по мере открытия и закрытия органов газораспределения.

Принимая во внимание это обстоятельство, н*Ба1е*апоиг8к1 предлагает следующую схему статического исследования:

1. Статическая продувка для измерения полей осевых скоростей выполняется для четырех положений поршня, соответствующих следующим открытиям впускных окон: 4/4 = Н^; 3/4 = Н2; 2/4 = Н3; 1/4 » Н4 (рис.4).

2. Для каадой фазы открытия окон скорости измеряются в трех различных по высоте сечениях цилиндра.

3. По результатам статической продувки строится двенадцать эпюр изменения осевой составляющей вектора скорости по радиусу цилиндра (рис.4).

4. Для каждой эпюры вычисляется синтетический коэффициент продувки.

5. Далее по 12-ти значениям синтетического коэффициента продувки

Ы т/зек] У*[тАек] ЧгСт/ик! Ыт/ик1

Рис.4. Схема расположения точек измерения скорости воздуха в полости цилиндра, принятая в работе [128] . определяется его средняя величина, которая названа обобщенным к.п.д. продувки. Однако, каким образом рекомендуется выполнять осреднение в статье к сожалению описано очень "туманно", хотя в принципе это является основным новым элементом рассматриваемой работы.

Анализируя отдельные положения этого метода: во-первых необходимо отметить, что его авторы не увязывают между собой фазы открытия впускных окон и выхлопных клапанов. Ввиду несимметричности диаграммы время - сечения выпуска относительно НМТ, характер течения в цилиндре при частичных открытиях окон (1/4, 2/4, 3/4) для нисходящего и восходящего ходов поршня существенно различается. Пренебрежение этим фактором делает методику практически непригодной для исследования гидравлических характеристик газовоздушного тракта и значительно влияет на условия моделирования.

Второе положение методики, которое следует коротко проанализировать, касается предлагаемого осреднения двенадцати коэффициентов продувки. Общеизвестно, что в процессе принужденного выпуска по мере его развития поток свежего воздуха движется в направлении от продувочных к выхлопным органам. А поэтому в начальной фазе процесса, пока фронт воздуха находится между сечениями 1-1 и П-П (рис.4) значение ^ , вычисленное для эпюры в сечении Ш-1 не должно приниматься во внимание при осреднении для определения обобщенного коэффициента продувки. Аналогичная картина имеет место в конечной фазе процесса, в этом случае форма эпюр скоростей в сечении 1-1 и присущие им коэффициенты £ не должны учитываться при вычислении обобщенного коэффициента продувки.

Одновременно, можно заметить, что каждое из принятых открытий окон далеко не равноценно по влиянию на процесс газообмена в целом. При больших открытиях в цилиндр втекает соответственно и большее количество воздуха, однако это явление тоже не нашло своего отражения в рассматриваемой методике.

Кроме того, исследование газообмена только по эпюре осевых скоростей, позволяет с определенной степенью приближения оценивать качество очистки цилиндра только путем вытеснения. Поэтому в обоих последних работах полностью пренебрегается одновременно протекающей очисткой цилиндра посредством смешения.

Общая же недоработанность всех рассмотренных методик статического исследования газообмена двигателей с прямоточной схемой продувки заключается в том, что они не доведены до своего логического завершения, т.к. не показывается,в какой мере результаты статических экспериментов согласуются с данными испытаний реальных двигателей.

Несмотря на отмеченные недостатки рассмотренных работ, они все сыграли известную роль как в непосредственном изучении процесса газо обмена, так и в развитии и применении различных способов экспериментальной гидро- и газодинамики к исследованию закономерностей течения воздуха в цилиндре двухтактных двигателей с прямоточной продувкой.

Рассмотренные три работы в принципе заключают в себе все основные известные нам материалы, посвященные методическому оснащению статических исследований прямоточной системы продувки. Вообще же круг работ, в которых был использован статический метод для исследования различных частных вопросов, связанных с протеканием процессов продувки - выхлопа безусловно значительно шире. Однако, введу того, что эти работы не имеют непосредственного отношения к рассматриваемой проблеме, представляется достаточным ограничится только их указанием в библиографии.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

I. Создание современного двигателя внутреннего сгорания сопряжено с большим объемом опытных и доводочных работ. Исследование и доводка двухтактного двигателя помимо всего, значительно осложняется необходимостью отыскания конструктивных решений, обеспечивающих оптимальное протекание процесса газообмена.

Нахождение таких решений, равно как и определение показателей газообмена в зависимости от конструктивного выполнения органов газораспределения аналитическим путем невозможно. С другой стороны экспериментальная доводка процесса газообмена непосредственно на двигателе сопряжена с большими материальными затратами и значительно удли няет сроки создания двухтактных дизелей.

Отмеченные обстоятельства подсказывают необходимость создания новых и совершенствования существующих методов "безмоторного" исследования процесса очистки цилиндра. При этом предполагается, что методы должны отвечать следующим требованиям: а) Возможности применения их на начальных этапах создания двигателей, т.е. в период проектирования, предшествующий созданию экспериментальных отсеков; б) Соответствовать основным законам общей теории подобия. в) В достаточной степени отражать физическую сущность действитель ного процесса. г) Практическое использование должно быть простым и не связано со значительными материальными затратами.

Практическая и теоретическая ценность подобного способа экспериментального исследования прямоточных схем продувки значительно возрастает, если одновременно окажется возможным оценивать интенсивность вращательного движения воздуха, организованного в период газообмена и оказывающего определяющее влияние на протекание процессов смесеобразования и сгорания.

В достаточной мере удовлетворить поставленным требованиям, особенно в части их первого и последнего пунктов, возможно только при использовании статического способа исследования. Это позволит одновременно с выполнением работ по выбору оптимальной конструкции органов газораспределения провести экспериментальное определение гидравлических качеств газовоздушного тракта, а если потребуется и его доводку.

Однако, до настоящего времени практика исследования прямоточных систем продувки не оснащена надежными методами эксперимента в статических условиях. Поэтому в данной работе была поставлена задача разработать экспериментально-расчетный метод статического исследования процесса газообмена двухтактных двигателей с прямоточной продувкой.

2. Апробирование разработанного метода моделирования было запланировано провести на двигателе типа 40 Д, который в настоящее время является одним из наиболее массовфыпускаемых в нашей стране двухтактных дизелей данного класса. Поэтому при выполнении этой части работы естественно возник вопрос - являются ли основные конструктивные параметры продувочного пояса данного двигателя оптимальными с точки зрения экономичности и каково возможное направление их совершенствования? Дать ответ на этот вопрос также является одной из за. дач настоящего исследования.

3. Для анализа возможностей практического применения метода статического моделирования процесса продувки была поставлена задача рас* смотреть влияние одного из наиболее важных конструктивных параметров впускных окон, а именно, угла их наклона в плане на основные закономерности протекания и качество очистки цилиндра, а также на интенсивность вращательного движения воздушного заряда.

ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ

КАЧЕСТВА ОЧШТКИ ЦИЛИНДРА ДВУХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ С ПРЯМОТОЧНОЙ СЖТШОЙ ПРОДУВКИ

Излагаемая ниже методика исследования качества очистки цилиндра двухтактного двигателя с прямоточной продувкой основывается на результатах измерения полей скоростей воздуха в полости цилиндра в статических условиях.

При разработке метода преследовалась цель воссоздать приближенную картину движения потока продувочного воздуха в цилиндре, на основании экспериментально определенных скоростей и вычислить значения количественных показателей процесса газообмена. При статических исследованиях натурных моделей вариантов продувочных поясов это дает возможность проследить зависимость характера движения продувочного воздуха и показателей процесса очистки цилиндра от изменения конструктивных элементов органов газораспределения и параметров в смежных с цилиндром системах.

В основе метода лежит общеизвестное положение о том, что качество очистки цилиндра (удаление продуктов сгорания) в конечном итоге опр© деляется скоростью и равномерностью продвижения воздуха вдоль оси цилиндра, в направлении выпускных органов. При любой интенсивности вращательного движения продувочного воздуха, малые составляющие вектора скорости вдоль оси цилиндра обуславливают медленное удаление продуктов сгорания.

Методика построена с пренебрежением следующими явлениями, имеющими место в реальном процессе:

1) инерционностью потоков воздуха и газа;

2) теплообменом продувочного воздуха со стенками цилиндра и с удаляемым газом;

3) вихреобразованием;

4) несимметричностью потока относительно оси цилиндра;

5) изменением кинетической энергии потока по длине цилиндра;

6) неодинаковостью параметров рабочего тела по объему цилиндра.

Сделанные допущения позволяют существенно упростить расчетную

часть методики, не внося принципиальных искажений в исследование процесса продувки. Подтвервдением этому, в частности, является достаточно хорошая сходимость расчетных и экспериментальных результатов по величинам расходов воздуха и ряду других показателей.

Оценка качества очистки цилиндра рассматриваемым методом выполняется в два этапа: первый - экспериментальное определение полей скоростей воздуха в полости цилиндра; второй - расчетное определение продвижения фронта воздуха вдоль оси цилиндра и перемешивания продувочного воздуха с условными продуктами сгорания.

Рассматриваемая методика излагается применительно к исследуемому двигателю типа 40 Д с прямоточно-клапанной системой продувки.

§ Экспериментальное определение полей скоростей воздуха в полости цилиндра

Экспериментальная часть рассматриваемой методики исследования выполнялась на специальном стенде, состоящем из бака - успокоителя (камера давления) и системы подвода воздуха. На последней была установлена расходомерная диафрагма для определения количества воздуха, протекающего через исследуемый тракт — цилиндр - крышка.

При выполнении статической продувки исследуемого варианта продувочного пояса цилиндр в сборе с крышкой монтировались на стенде таким образом, чтобы впускные окна находились внутри бака, в котором устанавливалось требуемое давление ( Р8 ).

Для исследуемого двигателя картина движения воздуха, как уже отмечалось выше, воссоздавалась на основе статических продувок цилиндра, которая выполнялась для восьми различных положений поршня в период открытия впускных окон, увязанных по фазе с открытием выхлопных клапанов. При статической продувке для каждого положения поршня имитировались условия, соответствующих моментов процесса газообмена. Это выражалось в том, что отношение давления перед продувочными окнами ( Pß) к давлению за выпускными органами ( Ро ) при статической продувке в каждый имитируемый момент поддерживалось таким же, какое имеет место в работающем двигателе в аналогичный момент процесса. Для определения указанного отношения давлений использовались осциллограммы Рг и P« , записанные в выхлопном патрубке и продувочном ресивере на трех следующих режимах работы двигателя: I режим (номинальный) - /г = 750 об/мин; Ю0$; Ne = 100$

П режим - /2 = 650 об/мин; Мнрг 75$; Л£= 65$

Ш режим - п. = 550 об/мин; М«р* 50$; л£= 37$

При статической продувке истечение из выхлопного тракта происходит в атмосферу, т.е. среду с постоянным давлением ( Ро ), поэтому для создания требуемого (в данный момент по осциллограммам) отношения Р&/р0 , поддерживалось только необходимое давление ( Рб)перед окнами. Величина давления Pß определялась для каждого рассматриваемого положения мотыля ( оС 0 пи § ) и вычислялась по формуле: где Рцл и Ргм - абсолютные давления в продувочном и выхлопном продувки.

Использованные в данной работе экспериментальные кривые протекания давлений Рк и Рр по углу поворота коленчатого вала приведены мм вод.ст. (2) трактах в К момент времени реального процесса

•ый на рис.5. Там же показаны выбранные для исследования моменты времени (1,П,. X) процесса газообмена, а в таблице даны значения давлений которые устанавливались при статической продувке в каждый имитируемый момент времени (давления в таблице приведены для Р0 = 1,03 ата] В случае отсутствия экспериментальных осциллограмм для определения текущих отношений Рб/ Р0 , могут быть использованы кривые Рк и полученные современными расчетными методами.

Таким образом, период протекания процесса продувки рассматриваемого двигателя делится выбранными десятью моментами времени (1,П,.Х) на девять участков времени (1,2,.9). Моменты времени I (134° после ВМТ) и X (226° после ВМТ) соответствуют началу и концу периода открытия продувочных окон, поэтому полагаем, что в эти моменты в цилиндр не происходит поступление продувочного воздуха (скорость потока воздуха в цилиндре равна нулю). В связи с этим, статическую продувку в данном случае следует выполнять только для восьми моментов времени -с П по IX.

Основной целью при проведении статической продувки являлось определение поля скоростей потока воздуха в полости цилиндра и расхода воздуха ( для кавдого из восьми положений поршня.

Измерение скоростей выполнялось пятиканальным аэродинамическим зондом, позволяющим определять абсолютную величину и направление скорости в любой точке объема цилиндра. Для получения достаточно полной кар тины о движении потока воздуха, при каждом положении поршня скорости измерялись в семи точках по радиусу на трех уровнях по высоте (рис.6)1 Обоснованность измерения скоростей только по радиусу, а не по диаметру цилиндра была проверена экспериментально. При этом на нижнем и среднем уровнях по высоте цилиндра поток был практически осесимметри-чен. На верхнем уровне (под крышкой) отмечалась незначительная несимметричность потока, вызванная различной пропускной способностью

-АО <Ь 9

Рис. 6 Схема зондиробамш

70J70C/77C/ цше/tfâpa ближних и дальних (относительно выходного сечения крышки) выпускных клапанов.

В результате выполнения статической продувки в полости цилиндра оказываются определенными поля скоростей воздуха для каждого рассматриваемого положения поршня. Каждое поле определено величиной и направлением вектора скорости в сорока двух точках диаметрального сечения цилиндра.