Вернуться на главную

Процессы газообмена

От количества и состава свежего заряда в большой степени зависят получаемая в цикле работа, а следовательно, и мощность двигателя. Естественно, что количество воздуха, поступающего в цилиндр в течение процесса впуска, зависит от того, насколько хорошо цилиндр двигателя очищается от отработавших газов во время выпуска в предыдущем цикле. Таким образом, впуск и выпуск тесно взаимосвязаны. Процессы газообмена связаны не только друг с другом. Так, создаваемое во время впуска направленное движение заряда в цилиндре дизеля путем специального профилирования и расположения каналов в головке часто представляет собой один из основных факторов, способствующих улучшению смесеобразования и сгорания. В карбюраторных двигателях процесс впуска существенно связан с процессами образования горючей смеси до ее поступления в цилиндр двигателя.

Процесс выпуска. В конце расширения с опережением 40—70° до прихода поршня в н. м. т. начинается выпуск отработавших газов (точка b' на рис. 2.2,а). В этот момент давление в цилиндре р» 0,4 — 0,6 МПа. В системе выпуска из-за сопротивления, создаваемого глушителем шума и трубопроводами, давление р_р » 0,105 — 0,12 МПа, поэтому выпуск газа происходит при сверхкритическом перепаде давлений p/p_р > b_кр, т. е. с критической скоростью истечения газов через клапанную щель (500—700 м/с). В результате быстрого уменьшения количества газов в цилиндре и их расширения давление р, а значит, и соотношение p/p_р заметно понижаются и при р/р_р < b_кр скорость истечения газов становится ниже критической. Первый период процесса выпуска называют периодом свободного выпуска. Этот период заканчивается вблизи н. м. т., когда выпускной клапан оказывается открытым меньше чем наполовину от своего максимального подъема. За относительно малое время свободного выпуска из цилиндра удаляется 60—70% отработавших газов.

Во время второго периода, т. е. при движении поршня от н. м. т. к в. м. т., выпуск происходит пол действием поршня. На рис. 2.3 показано изменение давления р в цилиндре и в канале головки цилиндров (около выпускного клапана) р_р в период выпуска. С началом выпуска понижение давления в цилиндре становится более заметным, а давление в канале нарастает, что приводит к образованию волны давления. Эта волна распространяется в сторону открытого конца трубопровода, где она отражается, отдавая часть энергии в окружающее пространство, и уже в виде волны разрежения перемещается в обратном направлении, т. е. к выпускному клапану, у которого происходит новое отражение, и т. д.

При перемещении волн вдоль трубопровода и отражениях на его концах происходит последовательное затухание, связанное с затратой энергии на трение. Результирующий колебательный процесс определяется суммированием прямых и отраженных волн, образующихся при выпуске газов из всех цилиндров двигателя. Момент начала выпуска выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить хорошую очистку цилиндра, а с другой стороны, уменьшить затраты энергии на этот процесс. Если, например, клапан начнет открываться слишком рано, то увеличится потеря полезной работы газов в период предварения выпуска. Если же клапан открывать поздно, то возрастает отрицательная работа во время вытаскивания отработавших газов при движении поршня от н. м. т. к в. м. т.

Газообмен в период перекрытия клапанов. Во впускной системе возникает свой колебательный процесс. Природа колебательных процессов в системах впуска и выпуска имеет много общего. Опыт показывает, что для лучшего газообмена впускной клапан необходимо начать открывать примерно за 10—30° до прихода поршня в в. м. т., а выпускной клапан закрывать спустя 10—50° после в. м. т. Период, когда одновременно открыты оба клапана, называют перекрытием клапанов (j_п на рис. 2.1,а). Во время перекрытия клапанов в зависимости от соотношения значения давления в цилиндре р, во впускном р_вп и выпускном р_р патрубках газы могут двигаться в разных направлениях. В оптимальном случае при р < р_вп и р_р < р через впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной удаляются отработавшие газы. Такой газообмен называют продувкой цилиндра. Наиболее типичный случай обратного течения газов имеет место, например, в карбюраторном двигателе на режимах холостого хода. На этих режимах р_р/р_вп > 2, поэтому в период перекрытия клапанов отработавшие газы через выпускной клапан поступают обратно в цилиндр, а через впускной клапан происходит истечение газов из

цилиндра в систему впуска.

Процесс впуска. Как следует из графиков (рис. 2.4), вскоре после начала открытия впускного клапана давления в цилиндре и перед клапаном сравниваются (точка А), с этого момента начинается впуск, так как при дальнейшем движении поршня р < р_вп, причем разность давления р_вп — р, определяющая скорость истечения заряда через клапан, не остается постоянной. Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течение процесса впуска, зависит от общего гидравлического сопротивления впускной системы, т. е. от разности между давлением окружающей среды р₀ и давлением в цилиндре р, которая также изменяется по мере перемещения поршня от в. м. т. к н. м. т. Естественно, что чем меньше потеря давления во впускной системе к моменту прихода поршня в н. м. т. р₀—р_а, тем больше количество свежего заряда, поступающего в цилиндр при впуске.

При средней и высокой частоте вращения поток воздуха (или смеси) движется во впускной системе с большой скоростью и под действием сил инерции потока, а также в результате волновых явлений в системе впуска давление перед клапаном возрастает. Поэтому в начале хода сжатия p_вп > р и впуск продолжается; этот процесс называют дозарядкой. В показанном на рис. 2.4 примере дозарядка заканчивается в точке В. Для осуществления дозарядки впускной клапан закрывают спустя 35—85° после н. м. т. При малой частоте вращения, когда инерция свежего заряда невелика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытесняет часть заряда из цилиндра во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс. Поверхности впускного трубопровода, канала в головке и стенок цилиндров, а также остаточные газы имеют температуру более высокую, чем свежий заряд, поэтому последний в процессе впуска нагревается.

Фазы газораспределения. Периоды, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, в течение которых клапаны открыты, называют фазами газораспределения. Круговая диаграмма фаз газораспределения дана на рис. 2.1,а. При правильном выборе фаз газораспределения не только улучшается очистка цилиндров от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом, но может несколько сократиться затрата энергии на газообмен, которая пропорциональна разности давления р_r—р_а. Выбор фаз газораспределения и основных геометрических размеров впускного тракта согласовывают при экспериментальной доводке новой модели двигателя.

Фазы газораспределения для каждой частоты вращения имеют свою оптимальную величину, а реальные фазы газораспределения выбирают из множества, обеспечивая оптимум для наиболее важного диапазона скоростных режимов работы конкретного двигателя.

В большинстве случаев высокооборотные двигатели имеют более широкие фазы газораспределения, чем двигатели малооборотные. Если необходимо увеличить наполнение цилиндров свежим зарядом в каком-то определенном диапазоне частоты вращения, то следует подобрать сочетание фаз газораспределения и геометрических размеров впускного тракта (главным образом его длины), которое обеспечит большую дозарядку, а вместе с ней и более высокий коэффициент наполнения h_v. Такой газообмен называют динамическим наддувом.

Для качественного протекания газообмена очень важно обеспечить достаточно большие проходные сечения в клапанах. Эти сечения при газообмене изменяются, поэтому пропускную способность клапанов характеризуют параметром, называемым время — сечение:

где f — переменное проходное сечение в клапане, м², t — время, с; j₁ и j₂— соответственно опережение открытия и запаздывание закрытия клапана, градус поворота коленчатого вала (° п. к. в.).

Параметры процессов газообмена. Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания характеризуется отношением количества молей остаточных газов М_r к количеству молей свежего заряда М₁, поступающего в цилиндр в процессе впуска; это отношение называют коэффициентом остаточных газов:

gост =M_r / М₁. (2.4)

Если принять, что процесс выпуска заканчивается в в. м. т., то

М_r = p_r V_c / (8314 T_r),

где р_r и Т_r — соответственно абсолютное давление, Па, и абсолютная температура, К, остаточных газов; V_с — объем камеры сжатия; 8314— универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К).

Итак, все факторы, способствующие увеличению давления р_r (сопротивление выпускного клапана и системы выпуска) или понижению температуры Т_r (состав смеси, степень расширения, теплоотдача при сгорании и расширении), обусловливают рост g_ост.

Если учесть, что Vс = V_h(e — 1), то, следовательно, чем меньше e, тем больше g_ост. Это главная причина, из-за которой g_ост у дизелей значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей. У двухтактных двигателей из-за несовершенства процесса продувки—наполнения величина g_ост имеет относительно высокое значение (см. табл. 2.1).

Основная характеристика процесса газообмена — коэффициент наполнения h_v, представляющий собой отношение количества свежего заряда, заполнившего цилиндр в период впуска, к тому количеству свежего заряда, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при р_вп и Т_вп.

Для карбюраторного двигателя при подсчете коэффициента наполнения пренебрегают топливом, содержащимся в смеси, и учитывают только воздух, что мало сказывается на получаемом значении h_v :

h_v = M₁/M_т = G₁/G_т = G₁ /(r_вп V_h) = V₁/V_h (2.5)

где M₁ и G₁ — соответственно число молей и масса, кг, свежего заряда, поступившего в цилиндр; V₁ — объем свежего заряда, приведенный к условиям на впуске (р_вп и Т_вп), м³; М_т и G_т — число молей и масса, кг, свежего заряда, теоретически могущего заполнить цилиндр; r_вп — плотность свежего заряда при р_вп и Т_вп , кг/м³.

Расчет параметров процессов газообмена. Сложность газодинамических и тепловых процессов при газообмене чрезвычайно затрудняет его расчет. Применение ЭВМ значительно расширило возможности расчетов с учетом основных факторов, влияющих на газообмен. Параметры остаточных газов обычно не рассчитывают, а задают с учетом особенностей конструкции двигателя (см. табл. 2.1). Также принимают без расчета величину подогрева свежего заряда DT при его теплообмене с горячими поверхностями во впускном тракте и в цилиндре. Величина DT несколько снижается при увеличении скорости вала и при уменьшении температуры поверхностей подогрева, а для карбюраторного двигателя DТ еще зависит и от испарения топлива в процессе смесеобразования. Чем больше DТ, тем меньше плотность свежего заряда, а значит, при прочих равных условиях уменьшается и коэффициент наполнения.

Если считать, что процесс впуска заканчивается в н. м. т., то температура конца впуска Т_а может быть найдена по балансу энтальпии:

С_р М₁ (Т_вп + DТ) + с_r М_r Т_r = с_p’ (М₁ + М_r) Т_a.

Так как относительное содержание остаточных газов в заряде невелико, то можно принять, что теплоемкость свежего заряда и теплоемкость его в смеси с остаточными газами равны, т. е. с_p = c_p'. Выразим теплоемкость остаточных газов через с_p в виде с_r = jc_p, и так как. M₁ + M_r = М₁(1 + g_ocт), то окончательно

Та = (Твп + DT + j g_ост ) / ( 1 + g_ост) (2.6)

Для четырехтактных двигателей без наддува при расчетах по (2.6) полагают Т_вп = Т_о; в случае наддува необходимо при определении величины Т_вп учитывать подогрев воздуха во время сжатия в компрессоре и охлаждение его в холодильнике.

Чтобы получить формулу для расчета h_v, напишем уравнение состояния для заряда в точке а (см. рис. 2.2,а):

М_1a + М_r = p_a V_a / (8314 T_a), (2.7)

где М_1а — число молей свежего заряда в объеме V_а.

Изменение количества рабочего тела в течение фазы запаздывания закрытия впускного клапана выразим через коэффициент дозарядки:

j₁ = (M₁ + М_r) / (М_1a + М_r).

Используя выражения (2.4) и (2.7), получим

M₁ = [j₁ p_a V_a / (8314 T_a)] [1 / (1 + g_ост)] (2.8)

Теоретическое количество молей свежего заряда

М_т = р_вп V_h / (8314Т_вп). (2.9)

Теперь на основании (2.5), (2.8) и (2.9) можно записать

Так как V_а/V_h = e/(e —1) и l/[T_a (l+ g_ост)] = 1/(T_к +DT+ + j g_ocт Т_r). то окончательно получим

(2.10)

Это уравнение справедливо для двух- и четырехтактных двигателей. Для двухтактных двигателей в (2.10) следует подставлять величину действительной степени сжатия.

Применительно только к четырехтактным двигателям можно получить другое уравнение для расчета h_v, если не учитывать влияния да газообмен перекрытия клапанов, т. е. считать, что выпуск заканчивается в в. м. т., когда объем остаточных газов равен V_с:

М_r = p_r V_c / (8314T_r) = p_r V_h / [8314(e - 1) Т_r].

Число молей свежего заряда М₁ = p_вп h_v V_h / (8314 T_вп), тогда коэффициент остаточных газов

(2.11)

С учетом (2.10) и (2.11)

(2.12)

При расчетах по уравнениям (2.10) и (2.12) величиной p_a задаются на основании экспериментальных данных (табл. 2.1) и для четырехтактных двигателей без наддува обычно принимают р_вп = р₀ и Т_вп = Т₀.

В табл. 2.1 приведены ориентировочные значения основных параметров процессов газообмена, определенные экспериментально при работе двигателей тракторов, дорожных и строительных машин, грузовых автомобилей на номинальном режиме.

Влияние различных факторов на коэффициент наполнения. Сложная взаимосвязь факторов, определяющих значение h_v, при формальном подходе к оценке их влияния на коэффициент наполнения может привести к неточным выводам. Например, из (2.10) и (2.12), казалось бы, следует, что с ростом e коэффициент наполнения будет уменьшаться пропорционально величине e/(e — 1). В действительности эта связь сложнее, так как при росте степени сжатия уменьшаются g_ост и Т_r, а также изменяются некоторые другие величины, влияющие на h_v, Поэтому, как показывают эксперименты, в результате комплексного изменения ряда величин коэффициент h_v от e практически не зависит. Отсюда следует, что при рассмотрении влияния на h_v того или иного фактора необходимо учитывать действие этого фактора на все зависящие от него величины, которые входят в аналитические выражения для определения h_v.

Сопротивление на впуске. Потеря давления при впуске Dр_а = р_о-p_а, как отмечалось выше, оказывает решающее влияние на наполнение цилиндров и зависит от гидравлического сопротивления на впуске.

Чем больше потеря Dр_а, тем меньше давление р_а, а следовательно, меньше плотность свежего заряда в цилиндре и коэффициент наполнения. Используя известное соотношение, потерю давления при впуске можно выразить следующим образом: Dp_a = (1 + x_вп)(r_впw²_ср/2), где x_вп — коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к характерному сечению во впускном тракте, например к проходному сечению во впускном клапане; w_cр — средняя скорость заряда в характерном сечении впускного тракта.

Таким образом, на потерю давления Dp_a оказывают влияние коэффициент сопротивления впускной системы и скорость заряда. Сопротивление впускной системы в первую очередь зависит от сопротивления впускного клапана, а также от наличия поворотов, местных сужений и шероховатости поверхности каналов.

Выражение (2.12) показывает, что давление р_a влияет на h_v в e раз сильнее, чем давление p_r, поэтому в двигателях без наддува обычно стремятся по возможности увеличить диаметр впускного клапана и делают его несколько больше по сравнению с выпускным. В дизеле с камерой в поршне при центральном расположении форсунки заметный эффект по увеличению h_v дает применение четырех клапанов — по два впускных и выпускных на каждый цилиндр. В ряде случаев для создания интенсивного вихревого движения заряда в цилиндре дизелей с камерой в поршне во впускных каналах головки делают специальные сужения; сопротивление таких каналов может несколько превосходить сопротивление во впускном клапане.

Влияние гидравлического сопротивления впускной системы на h_v используется в карбюраторных двигателях для количественного регулирования нагрузки. При повороте дроссельной заслонки карбюратора от полного до минимального ее открытия h_v уменьшается от 0,7—0,9 до 0,15-0,25.

При эксплуатации двигателей нельзя допускать значительного загрязнения воздухоочистителя, чрезмерного увеличения зазоров в приводе впускных клапанов и износа кулачков распределительного валика, так как это ведет к увеличению сопротивлений на впуске, а значит, и к снижению мощностных показателей двигателя.

Параметры остаточных газов. Давление р_r зависит от сопротивления выпуску и режима работы двигателя; при увеличении р_r и неизменной Т_r растут плотность и масса остаточных газов. При эксплуатации необходимо своевременно проверять и регулировать зазоры в приводе выпускных клапанов, так как при увеличении этих зазоров сверх рекомендуемых значений могут понизиться наполнение и мощность двигателя.

Температура Т_r на коэффициент наполнения влияет незначительно. Например, при охлаждении от большей Т_r во время теплообмена со свежим зарядом остаточные газы сильнее уменьшаются в объеме, освобождая место для свежего заряда, что компенсирует соответствующее увеличение температуры Т_а.

Режим работы. На рис. 2.5 показано изменение h_v в зависимости от мощности при работе дизеля и карбюраторного двигателя с постоянной частотой вращения (в зависимости от нагрузки). Как видно из сравнения кривых, зависимости h_v = f(N_е) имеют для этих двигателей неодинаковый характер, что является следствием принципиально различных способов регулирования мощности дизеля и карбюраторного двигателя. В дизеле для увеличения мощности в цилиндры впрыскивается большее количество топлива, поэтому температурный режим деталей повышается, что усиливает подогрев свежего заряда во впускной системе и в цилиндре. По этой причине несмотря на неизменное сопротивление впускной системы, с ростом нагрузки коэффициент h_v несколько уменьшается.

Дросселирование смеси, применяемое в карбюраторном двигателе для уменьшения нагрузки, сопровождается снижением давления во впускной системе и в цилиндре и усилением подогрева свежего заряда DТ. При дросселировании число молей М_r остаточных газов изменяется мало, в то время как количество молей M₁ свежей смеси уменьшается, поэтому имеет место заметный рост коэффициента остаточных газов. По указанным причинам уменьшение нагрузки в карбюраторном двигателе связано со снижением величины h_v.

Общий характер зависимости h_v = f(n) для обоих типов двигателей при полной нагрузке принципиально одинаков (рис. 2.6) и определяется воздействием следующих факторов. Во-первых, при увеличении частоты вращения возрастает скорость заряда во впускной системе, а следовательно, потеря давления Dр_а. По этой причине с ростом частоты вращения от той, при которой достигается наибольшее значение h_v, коэффициент наполнения снижается, несмотря на увеличение до-зарядки и снижение подогрева воздуха (смеси) во впускном тракте. Во-вторых, в области малой частоты вращения в период запаздывания закрытия впускного клапана имеет место обратный выброс заряда из цилиндра во впускную систему. Этот выброс тем больше, чем меньше частота вращения вала, что и обусловливает снижение h_v в этой области.

Атмосферные условия и наддув. Чем ниже температура и больше давление воздуха, тем больше свежего заряда М₁ поступает в цилиндры. При этом, естественно, возрастает и теоретическое количество заряда М_т. Опыты показывают, что повышение атмосферного давления р₀ практически очень мало влияет на значение коэффициента h_v. С другой стороны, по результатам опытов коэффициент наполнения оказывается пропорциональным величине где m = 2 - 4. Таким образом, увеличение температуры Т₀ приводит к росту h_v , но при этом сильнее падает плотность воздуха, а значит, и цикловая подача свежего заряда G_в.ц = h_v V_h p_вп. Отсюда следует, то увеличение h_v не всегда означает, что в цилиндры поступает большая масса свежего заряда. В то же время мощность, которую может развивать двигатель, зависит именно от массы воздушного заряда (при соответствующей подаче топлива). Таким образом, следует различать относительную характеристику наполнения, каковой является коэффициент h_v , и массовое наполнение, обычно характеризуемое абсолютным количеством свежего заряда G_в (кг/ч), поступающего в двигатель в течение 1 ч: G = (120/t) i V_h n r_вп h_v, где i—число цилиндров; V_h—рабочий объем цилиндра, м³; n — частота вращения, мин^-1 r_вп — плотность воздуха, кг/м₃; t — число тактов; h_v — коэффициент наполнения.

В зависимости от атмосферных условий G_в изменяется пропорционально плотности воздуха, особенно значительное уменьшение r_вп и G_в может иметь место с подъемом на высоту.

Радикальным способом увеличения массового наполнения цилиндров является наддув. При наддуве воздух поступает сначала в компрессор, где давление повышается от р_о до р_к, а затем сжатый воздух подается во впускной трубопровод. Чтобы добиться большего повышения плотности воздуха, его иногда после компрессора охлаждают в специальных холодильниках и тем самым понижают температуру во впускном патрубке при наддуве Т_к.

Давление наддува р_к меньше р'_к на величину потерь во впускном тракте и в холодильнике. В зависимости от конструкции системы наддува и режима работы двигателя давление р_к может быть больше (см. рис. 2.2, б, г) или меньше (см. рис. 2.2,б) давления р_р на выпуске. Для номинального режима работы автотракторных дизелей с газотурбинным наддувом более типичным является случай, когда р_к > р_р (см. рис. 2.2,г). При этом в период перекрытия клапанов имеет место продувка, камеры сгорания воздухом, что способствует уменьшению количества остаточных газов, повышению h_v и снижению тепловой напряженности выпускного клапана; для усиления продувки перекрытие клапанов в дизелях с наддувом иногда расширяют до 100—120° п. к. в. Еще одна особенность газообмена при наддуве заключается в увеличении дозарядки цилиндра в период запаздывания закрытия впускного клапана. Чем выше р_к при наддуве, тем меньше становятся относительные потери давления во впускных органах, вследствие чего растет отношение р_а/р_к. В силу отмеченной специфики газообмена при наддуве с увеличением давления р_к величина h_v возрастает, чему способствует также уменьшение подогрева заряда.

Основные схемы продувки двухтактных двигателей. Совершенство газообмена в двухтактных двигателях существенно зависит от схемы продувки. Существует большое разнообразие конструкций систем продувки, однако все они могут быть сведены к двум основным — петлевой (контурной) и прямоточной.

При петлевой продувке (рис. 2.7, а, б) движение воздуха в первом приближении можно рассматривать направленным от соответствующим образом спрофилированных продувочных окон вдоль стенок цилиндра в сторону камеры сжатия, а оттуда вдоль противоположной стороны цилиндра вниз к выпускным окнам. Управление выпускными и продувочными окнами при петлевых схемах осуществляется поршнем. Эти схемы уступают по качеству продувки прямоточным, однако отличаются наибольшей простотой и поэтому применяются в двигателях небольшой мощности, в частности в пусковых. Схему петлевой продувки, показанную на рис. 2.7,а, используют на ряде зарубежных тракторов.

Прямоточные схемы (рис. 2.7, б, г) конструктивно сложнее, но в них обеспечивается более совершенная продувка, в результате чего достигаются меньшие значения g_ост, чем при петлевой продувке. Соответствующее направление продувочных окон обеспечивает вращательное относительно оси цилиндра движение заряда, которое способствует не только улучшению продувки, но и повышает совершенство процесса смесеобразования. Благодаря лучшей продувке и меньшей доле потерянного объема y прямоточные схемы позволяют получить лучшие экономические и мощностные показатели, чем при петлевой продувке. Прямоточная продувка может быть организована по щелевой и клапанно-щелевой схемам. Последнюю схему применяют на отечественных двигателях ЯМЗ-204 и ЯМЗ-206.

Во время продувки некоторое количество свежего заряда теряется через выпускные органы, что особенно нежелательно для карбюраторных двигателей, у которых часть топлива оказывается бесполезно выброшенной в систему выпуска. Отношение количества воздуха (или смеси) М_к, поданного в цилиндр в период продувки, к количеству свежего заряда М₁, оставшегося в цилиндре после продувки, называют коэффициентом продувки: j_пр = М_к / М₁. Чем выше коэффициент j_пр, тем больше потери свежего заряда при продувке, однако тепловая напряженность ряда ответственных деталей (поршень, выпускные клапаны, головка цилиндров) в этом случае снижается в результате лучшего охлаждения внутренней полости цилиндра холодным продувочным воздухом. Качество очистки и наполнения цилиндров в двухтактных двигателях хуже, чем в четырехтактных. Приведение в действие продувочного насоса требует затраты мощности.

Вернуться на главную