Заняття 4. Газообмін двигунів внутрішнього згорання

1. Розглянути процеси газообміну в двигуні внутрішнього згорання, їх показники.

2. Ознайомитись із особливостями газообміну в двотактних двигунів..

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. У чотиритактних двигунах процеси газообміну здійснюються в основному протягом тактів випуску і впуску. Протягом такту випуску продукти згоряння видаляються з робочої порожнини, а протягом такту впуску робоча порожнина заповнюється свіжим зарядом – повітрям або паливоповітряною сумішшю.

Тривалість процесів випуску і впуску більша тривалісті тактів випуску і впуску і визначається фазами газорозподілу. Фази газорозподілу – значення кутів оберту колінчатого вала (у випадку поршневого двигуна – рис. 1.7, 1.8) або ексцентрикового вала (у випадку роторно-поршневого двигуна – рис. 4.1) у градусах оберту колінчатого або ексцентрикового вала відносно ВМТ або НМТ, що відповідають моментам початку відкриття та закриття органів газорозподілу (клапанів, вікон) (рис. 1.9). Значення фаз газорозподілу залежать від конструктивних особливостей двигуна і його газоповітряних систем. Фаза випередження відкриття випускного клапана 1 відносно НМТ становить 40–60 °ОКВ, фаза випередження відкриття впускного клапана 2 відносно ВМТ – 10–30 °ОКВ, фаза запізнення закриття випускного клапана 3 відносно ВМТ – 10–30 °ОКВ, фаза запізнювання закриття впускного клапана 4 відносно НМТ – 40–60 °ОКВ. Процеси газообміну супроводжуються змінами параметрів стану, складу й кількості робочого тіла в робочій порожнині, параметрами стану і швидкості потоку в газоповітряних трактах. Протікання процесів газообміну залежить від особливостей конструкції двигуна, впускної і випускної систем, режиму роботи двигуна, атмосферних умов. У карбюраторних поршневих або роторно-поршневих двигунах впускна система включає впускний канал 8, карбюратор 9 з дросельною 10 і повітряною 11 заслінками, повітряний фільтр 12; випускна система – випускний канал 6 і глушник 7 (рис. 4.1). У багатоциліндрових двигунах впускні канали приєднані до загального для всіх циліндрів впускного колектора (ресивера), випускні канали – до загального для всіх циліндрів випускного колектора.

У чотиритактних дизелях без наддуву на впуску встановлений тільки повітряний фільтр (рис. 1.1, б). Випускна система чотиритактного дизеля не відрізняється від випускної системи карбюраторного двигуна. У чотиритактних дизелях з газотурбінним наддувом конструкція газоповітряних систем значно складніша (рис. 4.2). На впуску двигуна додатково встановлено компресор 10, повітроохолоджувач 9, на випуску – газову турбіну 11.Зміна тиску робочого тіла у впускній і випускній системах як у двигуні без наддуву, так і в двигуні з газотурбінним наддувом взаємопов’язана зі зміною тиску робочого тіла в робочій порожнині (рис. 4.3, рис. 4.4). Зі збільшенням довжини і зменшенням діаметра впускних і випускних каналів до визначених значень зміна тиску перед впускними і за випускними клапанами зростає. Коливання тиску робочого тіла у впускних і випускних системах обумовлено газодинамічними явищами. Зі збільшенням діаметра впускних і випускних каналів, зменшенням їхньої довжини, збільшенням об’єму впускного і випускного ресиверів, до яких приєднані впускні і випускні канали, знижується вплив газодинамічних явищ у системах, зменшується амплітуда коливань тиску робочого тіла перед впускними і за випускними клапанами.

Процеси газообміну залежно від співвідношення значень параметрів робочого тіла в робочій порожнині і суміжних системах можна умовно підрозділити на кілька періодів: вільний випуск, випуск (рис. 4.3, рис. 4.4), надходження продуктів згоряння у впускний канал (рис. 4.3), продувка (рис. 4.4), наповнення (впуск), дозарядка (рис. 4.3 і рис. 4.4) або вихід свіжого заряду з циліндра. Вільний випуск обумовлений значним перепадом тисків у робочій порожнині й у випускній системі. Починається вільний випуск в момент відкриття випускних клапанів і продовжується до моменту, коли продукти згоряння починають виходити з циліндра під дією поршня.

На значній частині вільного випуску витікання продуктів згоряння з циліндра через випускні клапани відбувається зі швидкістю, рівною місцевій швидкості звуку. Цей період випуску називається надкритичним, а період випуску при швидкості витікання, меншій швидкості звуку, – підкритичним. У випадку, поданому на рис. 4.3, тривалість вільного випуску зростає внаслідок впливу інерційного відсмоктування, обумовленого рухом газу у випускному каналі з високими швидкостями. При невеликій довжині випускного каналу, великому об’ємі випускного ресивера, до якого приєднуються випускні канали, вплив газодинамічних явищ на випуск незначний.

На ділянці випуску витікання продуктів згоряння обумовлено дією поршня, що переміщається до ВМТ. У двигунах без наддуву процес випуску продовжується звичайно за ВМТ до моменту, коли тиск у циліндрі зменшиться до тиску за випускним клапаном. На ділянці перекриття клапанів може відбуватися і надходження продуктів згоряння у впускний канал, а потім з випускного каналу – в циліндр до закриття випускних клапанів (рис. 4.3).

У двигунах з наддувом і рs > рт сер процес випуску звичайно продовжується до моменту відкриття впускних клапанів (рис. 4.4). З відкриттям впускних клапанів починається продувка камери згоряння повітрям, яка продовжується до закриття випускних клапанів. Продувка камери згоряння поліпшує наповнення циліндра, знижує температуру випускних клапанів, поршня. Процес наповнення як у двигунах без наддуву, так і в двигунах з наддувом обумовлений збільшенням обсягу робочої порожнини і зменшенням тиску при переміщенні поршня до НМТ.

Дозарядка надпоршневої порожнини за НМТ до закриття впускних клапанів має місце, якщо тиск повітря або паливоповітряної суміші перед впускними клапанами вище, ніж тиск у циліндрі (рис. 4.3). У противному випадку відбувається викид з циліндра частини свіжого заряду. Підвищення тиску повітря перед впускними клапанами наприкінці такту впуску може бути досягнуто відповідним вибором діаметра і довжини впускного каналу.

У роторно-поршневих двигунах процеси газообміну (рис. 4.1) незначно відрізняються від процесів газообміну в чотиритактних поршневих двигунах. Ці відмінності обумовлені особливостями конструкції органів газорозподілу, кінематикою механізму приводу ротора. Випускні і впускні вікна відкриваються вершиною ротора, що обертається, і тривалість їхнього відкриття значно більша тривалості відкриття клапанів. Площа прохідних перерізів впускних і випускних вікон більша, ніж площа прохідних перерізів впускних і випускних клапанів і не лімітована, як у поршневих двигунах, діаметром циліндра. Значно більша і тривалість процесів газообміну, тому що тривалість тактів у роторно-поршневому двигуні становить 270 градусів оберту ексцентрикового вала проти 180 °ОКВ у поршневого двигуна.

2. Техніко-економічні показники двигуна (середній ефективний тиск, літрова потужність, питома маса, ККД) значною мірою залежать від якості процесів очищення робочої порожнини від продуктів згоряння і її заповнення свіжим зарядом. Ступінь досконалості процесів газообміну в двигунах внутрішнього згоряння характеризується показниками очищення робочої порожнини від продуктів згоряння і її заповнення свіжим зарядом, витратами енергії на здійснення процесів газообміну.

Ступінь очищення робочої порожнини від відпрацьованих газів характеризується коефіцієнтом залишкових газів, що являє собою відношення маси залишкових газів до маси свіжого заряду М_св.зар:

Ступінь заповнення циліндра свіжим зарядом у двигунах з наддувом характеризується коефіцієнтом наповнення при умовах на впуску, який являє собою відношення маси свіжого заряду в циліндрі до потенційного заряду робочої порожнини при умовах на впуску:

де М_hs – потенційний заряд робочої порожнини, кг;

– маса робочого тіла в надпоршневій

порожнині в НМТ, кг;

р_{s сер}, Т_{s сер} – середнє за цикл значення тиску і температури повітря або

паливо-повітряної суміші перед впускними клапанами (рис. 4.4).

Потенційний заряд робочої порожнини – маса повітря або паливо-повітряної суміші, що могла б заповнити робочу порожнину при тиску і температурі перед впускними органами:

де R_s – газова постійна для 1 кг повітря або 1 кг паливо-повітряної суміші.

У двигунах без наддуву коефіцієнт наповнення визначають звичайно

відносно атмосферних умов, тобто потенційний заряд робочої порожнини

де р₀, Т₀ – тиск і температура атмосферного повітря.

Коефіцієнт наповнення в даному випадку залежить і від ступеня досконалості впускних каналів і повітроочисника. У карбюраторних двигунах коефіцієнти наповнення й остаточних газів залежать від навантаження (кількісне регулювання потужності) і змінюються в межах: = 0,1–0,9; = 0,10–0,80. У дизелях = 0,8–0,9; < 0,04 і слабо залежать від навантаження.

У двигунах з наддувом і продувкою камери згоряння ступінь досконалості процесів газообміну характеризується також коефіцієнтами надлишку продувочного повітря і витоку продувочного повітря:

де М_s – маса повітря, що надійшло в робочу порожнину за період впуску і продувки, кг;

М_цвs – вихід повітря з робочої порожнини при продувці камери згоряння, кг.

У чотиритактних двигунах без наддуву ; . У двигунах з наддувом і значним перекриттям клапанів ; .

Витрати енергії на здійснення процесів газообміну в чотиритактному двигуні оцінюються питомою роботою насосних втрат або середнім тиском насосних втрат. Витрати енергії на здійснення процесу випуску можуть бути оцінені питомою роботою випуску, що являє собою відношення роботи Lв, витраченої на очищення робочої порожнини від продуктів згоряння, до робочого об’єму Vh, Дж/см3 (рис. 4.5, а):

Тут і нижче V_h в м³.

Питома робота випуску чисельно дорівнює середньому тискові гідравлічних втрат на випуску в МПа:

Витрати енергії на здійснення процесу впуску можуть бути оцінені питомою роботою впуску, що являє собою відношення роботи, витраченої на заповнення циліндра свіжим зарядом, до робочого об’єму, Дж/см3 (рис. 4.5, а):

або середнім тиском гідравлічних втрат на впуску в МПа:

Сумарні питомі витрати енергії на здійснення процесів газообміну

або середній тиск насосних втрат

Важливими характеристиками органів газорозподілу є середній тиск гідравлічних втрат на випускних і впускних клапанах, що залежить від гідравлічних опорів клапанів, Па:

Середній тиск насосних втрат може бути визначено і через середній тиск гідравлічних втрат на впускних і випускних клапанах,

У двигунах з газотурбінним наддувом або з механічним приводом нагнітача і значеннями , середній тиск насосних втрат може бути і зі знаком "–", тобто за період газообміну буде виконана газами позитивна робота, що знижує механічні втрати. У цьому випадку енергія стиснутого в компресорі повітря не тільки компенсує втрати енергії на здійснення газообміну, але й забезпечує деякий надлишок енергії, що буде тим вищим, чим більшою буде відмінність р_{s сер} від р_т.

Середній тиск гідравлічних втрат у впускних і випускних клапанах при відношенні площі прохідного перерізу випускних клапанів до площі прохідного перерізу впускних клапанів f _в /f _s = 0,7–0,8 приблизно однакові і залежать, головним чином, від відношення площі прохідних перерізів клапанів (fв, fs) до площі поршня F _п і середньої швидкості поршня (табл. 4.1). Температура повітря або паливоповітряної суміші на впуску, температура газів у циліндрі на ділянці випуску значно менше впливають на середній тиск гідравлічних втрат у впускних і випускних клапанах.

Таблиця 4.1 – Залежність середнього тиску втрат у впускних

клапанах від середньої швидкості поршня і відношення f _вп / F _п

При значеннях середнього ефективного тиску середній тиск втрат у випускних клапанах починає залежати і від р_е внаслідок значного зниження температури газів у циліндрі на ділянці випуску.

3. Процеси газообміну в двотактних двигунах відрізняються від процесів газообміну в чотиритактних двигунах тривалістю, способом очищення циліндра від продуктів згоряння, конструкцією органів газорозподілу й іншими особливостями. Через те, що у двотактному двигуні відсутні такт очищення надпоршневої порожнини від продуктів згоряння і такт на її заповнення свіжим зарядом, тривалість процесів газообміну зменшується до 130–150о ОКВ (у чотиритактних двигунах – 400–450о ОКВ). Видалення із циліндрів продуктів згоряння після закінчення вільного випуску здійснюється повітрям або паливоповітряною сумішшю, що подається в циліндр нагнітачем. Відрізняються двотактні двигуни схемами здійснення процесів газообміну, їхнім конструктивним виконанням.

У двотактних двигунах із золотниковим газорозподілом газообмін здійснюється через випускні і впускні (продувочні) вікна. Зміна площі прохідних перерізів вікон, моменти їхнього відкриття і закриття визначаються переміщенням поршня або гільзи циліндра. Відсутність клапанів, механізму привода клапанів істотно спрощує конструкцію двигуна. Однак скорочення тривалості процесів газообміну погіршує показники газообміну. Збільшуються також втрати робочого ходу, що істотно зменшує роботу розширення газів. Необхідність використання механічного приводу нагнітача, примусової подачі повітря для продувки надпоршневої порожнини обумовлює втрати потужності на привід нагнітача та зменшує механічний ККД двигуна. Процес вільного випуску у двотактному двигуні протікає практично так само, як і у чотиритактному. На початку відкриття випускних вікон поршнем (точка е на рис. 4.6), коли відношення тиску у випускному каналі до тиску в циліндрі менше критичного (p_T/p < β_КР= 0,53–0,55), швидкість витікання газу дорівнює місцевій швидкості звуку і не залежить від перепаду тиску (надкритичний випуск). Зі зниженням тиску газів у циліндрі до значень, що відповідають співвідношенню p_T/p < β_КР (точка к на рис. 4.6), швидкість витікання газів стає меншою місцевої швидкості звуку (підкритичний випуск). За кінець вільного випуску звичайно приймається кут оберту кривошипа, при якому тиск у циліндрі стає рівним тискові у впускному (продувочному) ресивері. Впускні (продувочні) вікна відкриваються через 10–20оОКВ після відкриття випускних вікон (точка d на рис. 4.6). На початку ділянки надкритичного випуску у випускному каналі формується хвиля стиснення. При довжині випускного каналу, у 2–3 рази перевищуючого хід поршня, за хвилею стиснення, що йде від випускного вікна до протилежного кінця випускного каналу, формується хвиля розрідження. За хвилею розрідження до кінця вільного випуску у випускному каналі тиск газів може бути значно нижчим середнього тиску у випускному каналі рт сер. Відповідно знижується і тиск газів у циліндрі, що інтенсифікує надходження повітря в циліндр (рис. 4.6). У порівнянні з чотиритактними двигунами в двотактних двигунах газодинамічні явища у випускних каналах мають значно більший вплив на процеси газообміну в надпоршневій порожнині та показники газообміну. Продувка циліндра звичайно починається пізніше початку відкриття впускних вікон (після зниження тиску газів у циліндрі до значень р < ps) і продовжується до моменту закриття впускних вікон (точка V, рис. 7.1).

Свіжий заряд, що надходить у циліндр, витискує через випускні вікна продукти згоряння. Внаслідок перемішування свіжого заряду з газами в циліндрі частина свіжого заряду втрачається. Частина втрат свіжого заряду зростає до кінця продувки. При закритті випускних вікон після впускних має місце також витікання суміші газів з циліндра, а відповідно і втрата свіжого заряду. Втрата свіжого заряду в двигунах із золотниковим газовоз поділом може бути істотно зменшена шляхом установки на випуску додатково клапана або золотника з приводом від колінчатого вала. Протягом більш ніж столітнього розвитку двотактних двигунів запропоновано і реалізовано на практиці ряд схем здійснення продувки циліндрів, які можна розділити на дві групи: прямоструминні і непрямоструминні (рис. 4.7, рис. 4.8). Прямоструминні схеми

продувки, у свою чергу, можуть бути підрозділені на клапанно-щілинні; щілинні з поршнями, що протилежно рухаються; щілинні двопоршневі з загальною камерою згоряння на два циліндри (рис. 4.7). Фази газорозподілу в двигунах з прямоструминною схемою продувки і золотниковим газорозподілом симетричні відносно НМТ поршнів. Впускні вікна в двигунах з прямоструминною схемою продувки закривають після закриття випускних вікон або випускного клапана. Показники процесів газообміну при цьому поліпшуються як внаслідок поліпшення очищення циліндра від продуктів згоряння, так і внаслідок дозарядки циліндра і зменшення перемішування свіжого заряду з продуктами згоряння.

Непрямоструминні схеми продувки підрозділяються на петлеву з однобічним розташуванням вікон, поперечну з наявністю чи відсутністю золотника або клапаном на випуску (рис. 7.3). У двигунах без золотника у випускному каналі випускні вікна закриваються після закриття впускних. Показники газообміну в двотактних двигунах з непрямостру- минними схемами продувки значною мірою залежать від організації на прямку руху потоків повітря в циліндрі, тобто від форми, напрямку і розташування впускних і випускних вікон, форми днища поршня. Вирішуються ці питання експериментально на статичних або динамічних моделях і уточнюються вже безпосередньо на двигуні.

За показниками процесів газообміну двигуни з непрямоструминними схемами продувки помітно поступаються двигунам з прямоструминними схемами продувки (табл. 4.2). Установка на випуску золотників або клапанів дещо поліпшує ці показники.

Таблиця 4.2 – Показники процесів газообміну двотактних двигунів

У практиці сучасного двигунобудування знаходять застосування майже всі розглянуті вище схеми продувки. Прямоструминні переважно використовуються у швидкохідних двигунах транспортного типу, непрямоструминні – у тихохідних суднових і стаціонарних двигунах, у швидкохідних двигунах для мототехніки, автомобілів. При проектуванні двотактних двигунів конструктивні параметри органів газорозподілу приймають за даними двигунів-прототипів. Потім конструктивні параметри органів газорозподілу, фази газорозподілу уточнюють за даними розрахункових досліджень і в процесі удосконалення робочих процесів експериментальних зразків двигуна.