Заняття 5. Процес впуску

1. Розглянути процес наповнення циліндрів двигуна внутрішнього згорання, його 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 процесі впуску тиск у циліндрі ДВЗ не сталий. У зв'язку із зміною швидкості поршня під час його руху від в.м.т. до н.м.т. тиск спочатку зменшується, а потім трохи зростає (рис. 4.4).

Впускний клапан починає відкриватися, коли поршень не дійшов до в.м.т. на 10...20° повороту колінчастого вала (п.к.в.) (точка 1), а випускний клапан закривається через 15...30° п.к.в. після в.м.т. (точка 4). Тому протягом деякого часу обидва клапани відкриті (перекриття клапанів). Свіжий заряд може поступати в циліндр, коли тиск в ньому стане меншим від тиску ро навколишнього середовища. Але під час руху спрацьованих газів через випускний клапан вони виявляють ежектуючу дію, внаслідок якої під впускним клапаном утворюється розрідження і свіжий заряд починає надходити одночасно з видаленням спрацьованих газів. Закривається впускний клапан із запізненням, коли поршень переміститься на 50...70° п.к.в. від н.м.т. Тиск у циліндрі в цей час підвищується приблизно до тиску ро (точка 2), внаслідок чого циліндр дозаряджається свіжим зарядом. Коли виконують тепловий розрахунок за методом проф. В. І. Гриневецького, приймають, що процес впуску закінчується в точці а й тиск у процесі впуску сталий.

2. Процес впуску характеризується значенням параметрів стану робочого тіла в точці а діаграми (рис. 4.4), а також узагальненими параметрами: коефіцієнтом наповнення та коефіцієнтом залишкових газів .

Коефіцієнтом наповнення оцінюється досконалість процесу впуску. Він дорівнює відношенню кількості М_с.з (У кіломолях) або маси G_c.з (у кілограмах) свіжого заряду, який дійсно поступив у циліндр, до тієї кількості M_h (у кіломолях) або маси G_h (у кілограмах) заряду, яка могла б розміститися у робочому об'ємі V_h циліндра за даних умов на впуску, тобто для ДВЗ без наддуву при тиску р₀ і температурі Т₀ навколишнього середовища. Останній заряд називають теоретичним або потенціальним:

, (4.2)

де G_с.з—кількість свіжого заряду, визначена при густині ρ₀;

ρ₀ — густина свіжого заряду, кг/м³

R_пов = 286 Дж/(кг.К) — газова стала повітря;

Потенціальний заряд, кмоль:

, (4.3)

де – універсальна газова стала.

На процес впуску головним чином впливають: гідравлічний опір впускної

системи, від якого залежить тиск у кінці впуску ра; підігрів свіжого заряду ΔТ, наявність у циліндрі залишкових газів Мr з параметрами рr, Тr Вплив кожного з перелічених факторів на процес впуску можна з'ясувати лише при окремому їх розгляді.

Тиск в циліндрі в кінці впуску р_а можна визначити, якщо відомі втрати тиску Δ p_а у впускній системі. З діаграми на рис. 4.4 випливає, що

. (4.4)

Значення ΔPа може бути визначено з рівняння Бернуллі:

, (4.5)

де β коефіцієнт згасання швидкості свіжого заряду в розглядуваному перерізі; - коефіцієнт гідравлічного опору впускної системи, віднесений до найвужчого її перерізу; ω_кл — середня швидкість руху заряду в прохідному перерізі клапана, ω_кл=50...130 м/с.

Для сучасних автомобільних ДВЗ

β²+ ξ_вип = 2,6...4,0.

Чим швидкохідніші ДВЗ, тим більше ця сума і менше значення тиску р_а.

Підігрів свіжого заряду ΔТ. Свіжий заряд під час руху по впускній системі і в середині циліндра контактує з нагрітими стінками, температура його збільшується на ΔТ_ст. Крім того, температура заряду збільшується внаслідок перетворення його кінетичної енергії в теплоту на ΔТ_кін під час втрати швидкості руху після попадання в циліндр. У карбюраторному двигуні, у якому свіжий заряд містить в собі і рідке паливо, частина теплоти підігріву витрачається на його випаровування (ΔТ_вип). Для дизелів і газових ДВЗ ΔТ_вип=0. Отже, сумарна температура підігріву заряду:

ΔТ = ΔТст + ΔТкін – ΔТвип. (4.6)

Навіть для карбюраторного двигуна підігрів заряду корисний лише в певних межах, вихід за які приводить до зниження наповнення циліндрів. Підрахуванню ΔТ заважає відсутність надійних даних для вибору коефіцієнта тепловіддачі, середніх температур поверхні впускної системи і складність визначення долі випареного палива. Тому при тепловому розрахунку двигуна температуру ΔТ приймають, використовуючи наявні експериментальні дані і результати непрямих обчислювань.

Залишкові гази. Це продукти згоряння, що зостаються в кінці впуску в циліндрі і займають об'єм Vr=Vc з параметрами р_r, Т_r. Кількість залишкових газів визначається за допомогою рівняння стану (у кіломолях):

(4.7)

де R—універсальна газова стала.

Температура залишкових газів T_r залежить від складу суміші, що характеризується параметром ; ступеня розширення продуктів згоряння на такті розширення, тепловіддачі при згорянні і розширенні, розмірів циліндра, інтенсивності охолодження тощо. Чим більший вплив цих факторів, тим T_r менша.

На тиск залишкових газів р_r в основному впливає частота обертання колінчастого валу. Чим вона вище, тим більше дроселювання відпрацьованих газів у випускному клапані, більший опір у випускній системі, вище значення p_r.

Для визначення значень p_r, T_r запропоновано декілька емпіричних залежностей. Але надійність їх недостатня, і при розрахунках значення p_r, T_r вибираються за даними двигунів-прототипів. Для оцінки кількості залишкових газів в циліндрі в в.м.т. застосовується введений раніше (рівняння (3.27)) узагальнений параметр—коефіцієнт залишкових газів

(4.8)

Після підстановки в залежність (4.8) значень Мз.г, Мс.з з рівнянь (4.2),

(4.7) і нескладних перетворень одержуємо слідуючий вираз для :

(4.9)

Аналіз рівняння (4.9) свідчить, ще при збільшенні ступеня стиску ε, коефіцієнта наповнення η_V i температури залишкових газів Тr значення коефіцієнта γ зменшується, а при збільшенні тиску р_r - збільшується.

Температура кінця впуску Т_а. В ДВЗ розглянуті вище фактори впливають на процес впуску одночасно. Тому в кінці впуску справедливе таке співвідношення температур: Т₀<Т_а<Т_r.

Розрахункова залежність для температури в кінці впуску вводиться з балансу теплоти. При цьому діють припущення:

1. Процес впуску відбувається від в.м.т. до н.м.т. при сталому значенні тиску р_а.

2. Теплоємності свіжого заряду, робочої суміші і залишкових газів в кінці впуску однакові; у відношенні до залишкових газів це припустимо, маючи на увазі їх невелику кількість.

3. Забруднення свіжого заряду відпрацьованими газами не приймається до уваги.

Тоді рівняння балансу теплоти в процесі впуску матиме вигляд

, (4.10)

де — середні молярні теплоємності робочої суміші, свіжого заряду і залишкових газів.

Після ділення рівняння на М_з.r і нескладних перетворень маємо

(4.11)

В залежності (4.11) видно, що на температуру Т_а головним чином впливають температура навколишнього середовища, підігрів заряду і температура залишкових газів.

Залежність для розрахунку η_v. За вихідну залежність для η_v приймаємо характеристичне рівняння для кінця впуску

або

(4.12)

Тоді з рівняння (4.2) враховуючи рівняння (4.3) і (4.12), отримуємо

З урахуванням рівняння (4.11) і приймаючи до уваги, що

після нескладних перетворень маємо

3. Вплив конструктивних параметрів на ηv Аналіз залежності (4.12) свідчить, що на коефіцієнт наповнення ηv головним чином впливають підігрів заряду, тиснення в кінці впуску, параметри залишкових газів рr, Тr.

Ступінь стиску ε мало впливає на коефіцієнт наповнення. Відношення ε/(ε—1), що входить до рівняння, зменшується із збільшенням ступеня стиску ε. Але одночасно з цим зменшується коефіцієнт залишкових газів γ, оскільки стає меншим об'єм камери згоряння. Не впливають помітно на ηv можливий рівень зміни тиску і температури на впуску (ра, Т0), температура Тг залишкових газів. Відчутно впливає підігрів ΔТ свіжого заряду. Тому треба прагнути до того, щоб він не перевищував потрібного для випаровування рідкого палива рівня, в бензинових ДВЗ і був мінімальним у газових ДВЗ і в дизелях.

Найбільш впливає на коефіцієнт ηv тиск ра наприкінці впуску. Зміна ра на 0,01 МПа приводить до зміни ηv на 15...18 %. При такій самій зміні тиску рr на випуску коефіцієнт наповнення ηv змінюється на 1...2 %. Тому потрібно, щоб тиск ра був якомога більшим. Цей тиск залежить від гідравлічного опору впускної системи, пропорційного квадрату середньої швидкості свіжого заряду в її найменшому перерізі. Через те треба зменшувати швидкість свіжого заряду: застосовувати верхнє розміщення клапанів, збільшувати діаметр циліндра й зменшувати хід поршня, що дає змогу збільшити діаметр впускного клапана і зменшити швидкість поршня й відповідно свіжого заряду; установлювати два впускних клапани в одному циліндрі. Потрібно підвищувати чистоту стінок впускних каналів, не робити в них різких поворотів. У карбюраторних ДВЗ тиск ра, а отже, і коефіцієнт ηv істотно залежать від положення дросельної заслінки (рис. 4.5). При закритій заслінці (крива 2) вони зменшуються.

Вплив режимних факторів на ηv.

Коефіцієнт наповнення залежить від частоти обертання колінчастого вала, а в бензинових ДВЗ і від положення дросельної (карбюраторні ДВЗ) або повітряної (ДВЗ з вприскуванням легкого палива) заслінок. На рис. 4.6 показано залежності коефіцієнта наповнення ηv від частоти

обертання п колінчастого вала в дизелях (криві 1, 2) і карбюраторних ДВЗ (криві 3, 4). Видно, що криві зміни коефіцієнта ηv в усіх випадках мають оптимум. Відхилення від нього в бік зниження або зростання частоти обертання приводить до зменшення ηv. Положення оптимуму ηv залежить від фаз газорозподілу, їх вибирають так, щоб найбільше значення ηv було на швидкісних режимах, на яких треба здобути максимальний момент, що крутить. Із зменшенням частоти обертання ηv знижується через витікання заряду наприкінці впуску назад у впускну систему на ділянці а—2 (рис. 4.4), погіршення сумішеутворення, збільшення втрат у систему охолодження та витікання газів через поршневі кільця. Із збільшенням частоти обертання ηv зменшується через зростання гідравлічних втрат і збільшення коефіцієнта залишкових газів.

У дизелі при повному навантаженні коефіцієнт ηv трохи вищий, ніж у карбюраторному ДВЗ (рис. 4.6, криві 2, 3). Крім того, крива 2 пологіша за криву 3, що пояснюється меншими гідравлічними втратами на впуску в дизелі. На холостому ходу в дизелі ηv трохи більший (крива 1), ніж під навантаженням, оскільки зменшується підігрів свіжого заряду.

У карбюраторному ДВЗ при неповністю відкритій дросельній заслінці ηv - із зростанням частоти обертання падає різкіше (крива 4) через збільшення гідравлічного опору впускної системи.