Расчет процессов газообмена двухтактного дизеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодёжи и спорта Украины

АЗОВСКИЙ МОРСКОЙ ИНСТИТУТ

Одесской национальной морской академии

Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Судовые двигатели внутреннего сгорания»

Расчёт процессов газообмена двухтактного дизеля

Мариуполь 2012



Содержание

Цель выполнения работы

Введение

1. Газораспределительные механизмы и газообмен

2. Расчёт процессов газообмена двухтактного двигателя

3. Судовой двигатель MAN B&W K90GF (ДКРН 90/180)

4. Конструктивные особенности двигателя MAN B&W K90GF

5. Основные технические характеристики

Заключение

Список литературы



Цель выполнения работы

Целью выполнения расчёта является определение теоретически необходимого времени-сечения и скорости истечения газов для процесса газообмена. газораспределительный двигатель двухтактный судовой

Сравнивая полученные результаты с допустимыми значениями параметров газообмена, необходимо избрать тип двигателя - прототипа и дать оценку эффективности газообмена по рассчитанным результатам. При этом следует предложить возможные пути устранения отмеченных погрешностей, которые выявляются на основании полученных результатов расчётов, посредством перерасчёта значений.

Сделать вывод о степени соответствия заданных и рассчитанных параметров с реальными.



Введение

Для осуществления рабочего процесса в цилиндр двигателя необходимо подать воздух из атмосферы и удалить отработавшие газы. Процессами впуска свежего заряда и выпуска отработавших газов управляет механизм газораспределения. В четырёхтактных двигателях он состоит из впускных и выпускных клапанов, распределительного вала с кулачковыми шайбами, передаточного механизма от кулачковых шайб к клапанам (толкатели, штанги, клапанные рычаги) и привода от коленчатого вала к распределительному.

В двухтактных двигателях газораспределение осуществляется самим поршнем через выпускные и продувочные окна или поршнем (продувка) и клапаном в крышке (выпуск).



1. Газораспределительные механизмы и газообмен

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное поступление в цилиндры топлива, свежего воздуха и выпуск газов. В 4-х-тактных двигателях эти процессы осуществляются впускными и выпускными клапанами, приводимыми в действие распределительным валом. Распределительный вал соединяется с коленвалом через шестерёнчатую или цепную передачу.

Двухтактные двигатели, как правило, имеют контурное газораспределение, для чего в цилиндре сделаны окна, открывающиеся и закрывающиеся самим поршнем, который выполняет функции распределительного золотника.

В некоторых двухтактных двигателях имеется прямоточно-клапанная или прямоточно-щелевая продувка. При прямоточно-клапанной продувке газы выпускаются через клапаны, установленные в крышках цилиндра, а подача воздуха -- через окна во втулке.

Распределительный вал открывает в определённой последовательности впускные и выпускные клапаны при помощи имеющихся на нем профильных кулачных шайб.

При контурной продувке поток воздуха (смеси) движется вдоль внутренней поверхности цилиндра и его головки, повторяя их контур. Впускные и выпускные органы -- окна в стенках цилиндра -- расположены в его нижней части. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется самим поршнем, а специальный газораспределительный механизм отсутствует. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может осуществляться специальными дефлекторами на днище поршня и в головке цилиндра (в этом случае продувка называется дефлекторной) или специальной формой продувочных каналов, направляющих поток воздуха (смеси) к головке цилиндра, и сферической формой головки. Так как в последнем случае воздух (смесь) в цилиндре описывает петлю, такой тип продувки называется возвратно-петлевой или просто петлевой.

Поперечная щелевая продувка . Здесь выпускные окна расположены против продувочных, причем по высоте (в направлении хода поршня) выпускные окна превышают продувочные. Это сделано для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов. Частичное вытеснение поршнем через выпускные окна воздуха после закрытия продувочных окон служит, однако, причиной утечки свежего заряда, что ведет к уменьшению мощности двигателя. Преимуществом этого типа продувки является простота конструкции, эксплуатации (нет клапанов) и надежность работы. Поэтому рассмотренный тип продувки широко применяется в современных двигателях.

Петлевая продувка. Выпускные -- верхние и продувочные -- нижние окна расположены в два ряда один над другим. В конце рабочего хода кромкой днища поршня сначала открываются выпускные окна, а при дальнейшем ходе и продувочные. Продувочные окна наклонены вниз, почему воздух, поступающий .в цилиндр, направляется вниз, обтекает вогнутую поверхность поршня и далее, двигаясь в верхнюю часть цилиндра и описывая петлю, вытесняет продукты сгорания через выпускные окна. При движении поршня вверх сначала закрываются продувочные окна, а затем выпускные, т. е. так же как и при поперечной щелевой продувке. Преимущества и недостатки этих двух типов продувок одинаковы.

К недостаткам контурной продувки вообще следует отнести симметричность открытия и закрытия продувочных и выпускных окон относительно нижней мёртвой точки. Дело в том, что выпускное окно должно открываться раньше продувочного, чтобы часть отработавших газов вытекла в выпускной коллектор, и давление в цилиндре стало меньше давления воздуха (смеси) в продувочном насосе (иначе продувка будет невозможна). По окончании продувки выпускное окно желательно закрыть чуть раньше продувочного -- тогда произойдёт дозарядка цилиндра (предварительное сжатие воздуха или смеси, что позволит повысить мощность). Но при поршневом управлении открытием окон это сделать невозможно -- моменты открытия и закрытия окон симметричны относительно нижней мёртвой точки -- выпускное окно закрывается позже продувочного. При начале сжатия через это окно теряется часть воздуха (смеси). Для сокращения потерь следует уменьшить угол запаздывания закрытия выпускного окна. Но он равен углу предварения выпуска, который следует увеличить. Это заставляет идти на компромисс при проектировании двигателей или применять особые конструктивные решения, вроде введения распределительных гильз или золотниковых механизмов.

Кроме того, при контурной продувке в цилиндре всегда имеются застойные (непродуваемые) зоны, что ухудшает технико-экономические характеристики двигателя.

При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Управлять открытием и закрытием продувочных и выпускных окон одним поршнем невозможно, что требует применения специальных устройств. Может использоваться клапанный механизм, установленный в головке цилиндра, через который происходит выпуск отработавших газов (впускные продувочные окна открываются и закрываются поршнем).

При прямоточной продувке качество очистки цилиндра от остаточных газов качественно выше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднений. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан закрывается раньше продувочного, это исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышением давления.

Несмотря на указанные достоинства, двигатели с прямоточной продувкой получили меньшее распространение. Дело в том, что по сложности они порой превосходят четырёхтактные. Двигатели с прямоточной продувкой выгодно применять в тех случаях, когда четырёхтактный двигатель близких размеров не может быть форсирован до необходимой мощности за счёт повышения числа оборотов. Такая ситуация возникает на судах дальнего плавания, где двигатель вращает гребной винт с винтом переменного шага без редуктора.

2. Расчёт процессов газообмена двухтактного дизеля

№ п/п	Исходные данные	Числовые значения
1.	Агрегатная (эффективная) мощность ДВС Ne, кВт
2.	Число оборотов n, об/мин
3.	Число цилиндров i, ед.
4.	Степень сжатия еg
5.	Тип продувки - контурная с прямоугольными окнами
6.	Диаметр цилиндра D, мм
7.	Ход поршня S, мм
8.	Давление продувочного воздуха Рк, мн/м2
9.	Параметры окружающей среды Ро, мн/м2 То,°К
10	Давление в выпускном коллекторе Рг, мн/м2
11.	Параметры в цилиндре в конце процесса расширения Рв, мн/м2 Тв,°К
12.	Коэффициент избытка продувочного воздуха цо
	цк
13.	Температура продувочного воздуха Тк,°К
14.	Момент газораспределения, ° п.к.в.
14.1	Открытие продувочных окон бп
	выпускных окон бв
14.2	Закрытие продувочных окон бп з
	выпускных окон бв з

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Двухтактного двигателя с контурной поперечно щелевой продувкой

Поршень, под действием силы давления продуктов сгорания движется к НМТ (производя полезную работу) и открывает выпускные окна. Затем поршень открывает продувочные окна, по которым в цилиндр двигателя из ресивера под давлением подаётся воздух. Сжатый воздух омывает цилиндр по периметру и, выталкивая остатки продуктов сгорания, осуществляет его наполнение свежим зарядом. Далее поршень движется к ВМТ, последовательно закрывая своими кромками продувочные и выпускные окна. После того как закроются выпускные окна, начинается процесс сжатия воздушного заряда.

Расчёт рабочего объёма цилиндра

Рабочий объём - объём, освобождаемый поршнем в цилиндре при перемещении поршня от точки минимального объёма до точки максимального объёма.

Полный объем цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сжатия.

Литраж двигателя - суммарный рабочий объём цилиндров двигателя внутреннего сгорания.

Расчёт камеры сжатия

Степень сжатия - отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сжатия. С. С. показывает, во сколько раз уменьшился объем горючей смеси или воздуха при сжатии.

Значение коэффициента -, рассчитывается с учётом фаз газораспределения двигателя, по повороту коленчатого вала от момента закрытия выпускных окон.

Зная угол поворота коленчатого вала соответствующий закрытию выпускных окон, который приведён в задании, определяют долю потерянного хода:

(угол закрытия выпускных окон, приведённый в задании не соответствует реальным параметрам, поэтому к расчёту были приняты откорректированные данные: 70⁰, что соответствует выбранному типу продувки)

По доле Д_i определяют величину потерянного хода, выраженную в метрах.

Используя соотношение определяют значение :

Расчёт объёма цилиндра в начале открытия выпускных, продувочных окон и среднего объёма

Объем цилиндра в начале открытия выпускных окон

- доля потерянного хода поршня, соответствующая моменту открытия выпускных окон:

Объем цилиндра при открытии продувочных окон.

- доля потерянного хода поршня при открытии продувочных окон:

Проверка условий истечения газов по скорости

Принимая во внимание, что в результате эксплуатации двигателей были определены экстремальные значения скорости истечения газов, в работе проводится проверка выполненных расчётов по этому параметру посредством сравнения полученных значений с данными, приведёнными в таблице:

Фазы газообмена	Двигатели
	малооборотные	высокооборотные
Свободный выпуск	200-500	400-1000
Принуждённый выпуск: через окна через клапаны	50-150 50-100	100-200 75-200
Продувка: С одним рядом окон С двумя рядами окон	120-140 60-130	160-250 160-200

Скорость истечения газов в фазе свободного выпуска:

Скорость истечения газов в фазе принудительного выпуска:

Скорость истечения газов в фазе продувки:

Расчётные данные удовлетворяют условиям, приведённым в таблице.



3. Судовой двигатель MAN B&W K90GF (ДКРН 90/180)

Условные обозначения: 1. Цилиндровая крышка 2. Поршень 3. Цилиндровая втулка 4. Распределительный вал 5. Крейцкопф 6. Шатун 7. Рамовая шейка коленчатого вала 8. Газотурбонагнетатель 9. Ресивер 10. Воздухоохладитель 11. Шток поршня 12. Мотылёвая шейка коленчатого вала



4. Конструктивные особенности двигателя MAN B&W K90GF

За счёт наддува мощность двигателей была увеличена почти на 30% по сравнению с моделями K-EF, среднее эффективное давление составило 1,17--1,18 Мпа, при максимальном давлении сгорания 8,3 МПа. Это привело к значительному росту нагрузок на все детали остова двигателя. Поэтому фирма полностью отказалась от его прежней конструкции, образованной отдельными А-образными стойками, и перешла на более рациональную жёсткую сварную конструкцию коробчатой формы, в которой нижний блок вместе с фундаментной рамой образует пространство шатунного механизма, а верхний блок - полость крейцкопфа вместе с параллелями.

В этом варианте уменьшается количество болтовых соединений, упрощается обработка отдельных секций и облегчается герметизация уплотнений. Для улучшения условий работы крейцкопфа значительно увеличен диаметр шеек его поперечины, который приблизительно стал равен диаметру цилиндра, и укорочена их длина (до 0,3 диаметра шейки).В результате, деформации крейцкопфа уменьшились, снизились давления на подшипники (до 10 МПа), несколько увеличились окружные скорости в крейцкопфном подшипнике, что способствует образованию масляного клина. Симметричность крейцкопфного узла позволяет в случае повреждения шейки перевернуть поперечину на 180°.

Из-за высокого уровня тепловых и механических напряжений в эксплуатации наблюдались выходы из строя деталей камеры сгорания: крышек, втулок и поршней. Для ликвидации этих недостатков и в связи с необходимостью дальнейшего форсирования двигателя по наддуву, фирма «Бурмейстер и Вайн» пошла на переработку конструкции этих деталей.

Литые крышки заменены коваными стальными, они полу колпачного типа и имеют пониженную высоту. Для интенсификации охлаждения у самой поверхности огневого днища просверлено около 50 радиальных каналов, по которым циркулирует охлаждающая вода. В утолщениях фланцевых поясов крышки и втулки также выполнен ряд тангенциальных отверстий, образующих круговые каналы для прохода охлаждающей воды. Благодаря интенсивному охлаждению верхнего пояса втулки температура зеркала цилиндра на уровне верхнего кольца при положении поршня в ВМТ не превышает 160--180° С, что обеспечивает надёжность работы и увеличивает срок службы поршневых колец, а также снижает износ втулки. При этом фирме удалось сохранить масляное охлаждение поршня, головка которого осталась примерно такой же, как и в предыдущей серии двигателей K-EF, но без противоизносных колец.

Для повышения надёжности выпускного клапана, был заменён механический привод этого клапана на гидравлический привод, а концентрические пружины большого диаметра -- на комплект из пружин. Гидравлический привод передаёт усилия поршневого толкателя, приводимого от кулачной шайбы распределительного вала, через гидросистему на поршень сервомотора, действующего на шпиндель выпускного клапана. Давление масла при открытии клапана составляет около 20 МПа. Эксплуатация показала, что гидравлический привод надёжнее в работе, меньше шумит, обеспечивает меньший износ штока клапана благодаря отсутствию боковых усилий, что увеличило срок службы клапана до 25--30 тыс. ч.

В связи с тем, что на каждом цилиндре двигателей Бурмейстер и Вайн с прямоточно-клапанной продувкой устанавливалось от двух до трёх форсунок, их недостаточная надёжность серьёзно снижала безотказность работы двигателей. По этой причине конструкция форсунок была полностью переработана. В новой форсунке топливо подводится по центральному каналу, образованному сверлениями в головке форсунки, в стержне, в упоре и в невозвратном нагнетательном клапане. Сам нагнетательный клапан размещён в теле иглы форсунки. Уплотнение всех стыков между деталями, образующими центральный канал для подвода топлива, осуществляется только за счёт их взаимной притирки и усилия, создаваемого в результате натяга при сборке форсунки. Сопло, выполненное съёмным, изготовлено из высококачественной стали. Это позволяет повысить не только надёжность работы самих распылителей, но и их ремонтопригодность. В форсунке не предусмотрено устройство для регулирования давления открытия иглы. Опытная проверка таких форсунок на двигателях показала их высокую надёжность.

Интенсификация охлаждения цилиндровой крышки в районе форсуночного отверстия позволила обойтись без охлаждения распылителя. Размещение нагнетательного клапана в игле в непосредственной близости от сопла, с одной стороны, полностью устраняет возможность подвпрыска топлива, а с другой, гарантирует топливную систему от прорыва газов из цилиндра при зависании иглы форсунки. Масса и размеры форсунок существенно уменьшились. Не большая высота крышки позволила выполнить форсунки короткими и вмонтировать их в отверстия, просверленные непосредственно в стальном корпусе крышки.

В конструкции топливного насоса высокого давления двигателей этой конструкции сохранен подвод топлива к насосу по кольцевому зазору между плунжерной втулкой и корпусом снизу вверх для равномерного прогрева плунжерной пары. При переходе на тяжёлое топливо, использован тот же принцип регулирования начала подачи осевым перемещением плунжерной втулки, всасывающий клапан размещён со стороны полости нагнетания и т. д. Однако с учётом опыта эксплуатации введено специальное уплотнение для снижения утечек топлива через зазор в плунжерной паре. Рейка регулирования цикловой подачи перенесена в нижнюю часть корпуса насоса.

5. Основные характеристики двигателя MAN B&W K90GF

Диаметр цилиндра: D= 900 мм.

Ход поршня: S= 1800 мм.

Мощность двигателя: N=2535 КВт

Частота вращения: n=110 об/мин.

Давление воздуха после компрессора: P_k= 2.0 кгс/см²

Давление сжатия: P_c =77 кгс/см²

Максимальное давление сгорания: P_z =83 кгс/см²

Среднее эффективное давление: P_i =11.8 кгс/см²

Коэффициент наполнения: n_н =0.9

Удельный расход топлива: g_e= 159 г/л.с.ч.

Температура выпускных газов: t_г= 350⁰С

Ширина: B=4.4 м.

Высота: H=9.43 м.

Реверсивный (воздушный способ)

Двух тактный

Тип продувки: прямоточно-клапанная



Вывод

Полученные данные расчёта удовлетворяют поставленным параметрам скоростей для малооборотных двигателей. В процессе перерасчёта и анализа данных задания, была принята корректировка некоторых параметров, которые не соответствовали условиям работы реального двигателя.

Были внесены следующие изменения:

Параметры окружающей среды значительно не соответствуют реальным условиям: давление=0,092 МПа, температура=230⁰ К, поэтому они были изменены: давление=0,1 МПа, температура=293⁰ К.

Значение давления в конце процесса расширения в двухтактном двигателе колеблется в пределах от 0,35 до 0,9 МПа. К расчёту принято: 0,5 Мпа.

Температура продувочного воздуха составляет в среднем 55-60⁰С, к расчёту принято: 330⁰К.

Момент открытия выпускных окон был откорректирован с учётом выбранного типа продувки, и принят к расчёту: 70⁰, относительно НМТ.

Остальные значения и параметры сходны по значениям с параметрами выбранного двигателя-прототипа MAN B&W K90GF.



Заключение

Мощность двухтактных двигателей и удельный расход топлива в большой мере зависят от качества продувки. А качество продувки, в свою очередь зависит от правильности работы газораспределительного механизма. Для правильной работы двигателя и избежания выхода его из строя, необходимо производить чистки ресивера и подпоршневых пространств, следить за состоянием выхлопного коллектора, а также осуществлять регулировку тепловых зазоров впускных и выпускных клапанов и остальные профилактические и ремонтные работы.

Данные, полученные при выполнении, наглядно показывают, что условия работы двигателя существенно зависят от многих факторов условий работы, эксплуатации и технического обслуживания газораспределительного механизма.



Список использованной литературы

1. Дизели. Справочник. Под ред. В.А. Ванштейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Колерова - Л.: Машиностроение, 1977

2. http://sea-library.ru/burmeyster/392-burmeyster-i-vann.html?start=4

3. Возницкий И. В. Михеев Е. Г. Судовые дизели и их эксплуатация.: Транспорт 1990

Размещено на Allbest.ru

...