В результате рассмотрения процесса наполнения можно сделать вывод, что количество свежего заряда, поступившее в цилиндр за период наполнения, меньше, чем то количество, которое могло бы поместиться при параметрах среды, из которой свежий заряд поступает.
Степень заполнения рабочего цилиндра свежим зарядом, или степень совершенства процесса наполнения, оценивается коэффициентом наполнения.
Коэффициентом наполнения ?н называется отношение количества свежего заряда, сжимаемого в цилиндре, к количеству заряда, которое могло бы поместиться в объеме рабочего цилиндра Vs при параметрах среды, из которой поступает свежий заряд.
Обозначим:
L — количество молей свежего заряда, сжимаемого в цилиндре;
L1 — количество молей свежего заряда в объеме Vs при р0 и Т0, а в случае работы двигателя с наддувом при рк и Тк;
Мr— количество молей остаточных газов при Тr и рr;
R?— универсальная газовая постоянная.
Для дальнейшего вывода выражения коэффициента наполнения сделаем следующие допущения:
процесс наполнения заканчивается в точке а (см. рис. 25 и 26), т. е. отсутствует дозарядка цилиндра в начале сжатия;
абсолютная работа, совершаемая газами за ход наполнения, равна нулю;
кинетическая энергия газов в цилиндре равна нулю.
В соответствии с принятыми обозначениями можно написать, что
и количество смеси свежего заряда с остаточными газами в конце наполнения будет равно
Из уравнения состояния (см. рис. 26) находим:
при работе с наддувом
Подставляя значения М1 L и Мr в уравнение (14), получим формулу для определения коэффициента наполнения четырехтактных двигателей:
Можно ?н выразить и через коэффициент остаточных газов ? , так как:
При работе двигателя с наддувом р0 = рк и Т0 = ТК, а потому получим наиболее общую формулу, справедливую и для двухтактных двигателей,
Уточненное выражение коэффициента наполнения, предложенное М. М. Масленниковым для четырехтактных быстроходных двигателей с наддувом
Данная формула включает опытные коэффициенты, которые учитывают дозарядку цилиндра ?1, продувку камеры сгорания ?2 и работу наполнения ?3. Для быстроходных двигателей эти коэффициенты равны: ?1 = 1,02 ? 1,06; ?2 = 1,1 и ?3 = 0,87 ? 0,88.
Отсутствие опытных данных количественной оценки коэффициентов ?1 ?2 и ?3 для различных двигателей ограничивает практическое применение формулы (17).
Рассмотрение полученных формул (15) и (16) позволяет установить влияние различных факторов на коэффициент наполнения. Наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление ра. С увеличением давления ра, которое происходит при уменьшении сопротивлений впускного тракта, возрастает плотность и количество свежего заряда, а следовательно, и возрастает коэффициент наполнения. При уменьшении температуры заряда в конце наполнения Та плотность его возрастает, а потому коэффициент наполнения также будет возрастать.
Давление и температура остаточных газов рr и Тr мало влияют на величину ?н, так как отношение pr/Tr в формуле (15) составляет незначительную величину.
Коэффициент остаточных газов ?r значительно влияет на ?н; с увеличением ?r температура свежего заряда в конце наполнения возрастает, а потому коэффициент наполнения уменьшается. Опытные данные показывают, что при увеличении ?r от 0,05 до 0,15 коэффициент наполнения снижается от 0,86 до 0,69.
Влияние степени сжатия ? на ?н надо рассматривать совместно с влиянием коэффициента остаточных газов ?r на ?н.
Из формул (15) и (16) следует, что с увеличением ? ?н падает. Однако с увеличением е коэффициент остаточных газов уменьшается и поэтому ?н будет несколько возрастать. Следует отметить, что при колебании степени сжатия в дизелях (? = 13 ? 16) ?н изменяется очень мало и это изменение можно не учитывать.
Как следует из определения коэффициента наполнения, параметры на впуске р0 и То непосредственно не влияют на величину ?н, они влияют на плотность и на вес свежего заряда цилиндра, а следовательно, и на мощность, развиваемую двигателем.
Но, как показывают опыты, повышение температуры на впуске Т0 уменьшает перепад температур ?Т (нагрев воздуха в цилиндре) вследствие чего ?н несколько возрастает. Таким образом, изменение Т0 косвенно влияет на изменение ?н.
Фазы распределения влияют на протекание процесса наполнения и на величину коэффициента наполнения и коэффициента остаточных газов. Одновременно, как это видно на схематической диаграмме выпуска (рис. 27), при правильном установлении опережения выпуска уменьшается затрата энергии на выталкивание (точка 3) по сравнению с точкой 1, когда опережение выпуска отсутствует. При слишком раннем опережении (точка 2) площадь индикаторной диаграммы значительно уменьшается и уменьшается мощность двигателя. Запаздывание закрытия выпускного клапана позволяет использовать инерционное движение газов в выпускном трубопроводе для понижения давления в нем ниже р0, а следовательно, для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов.
Запаздывание закрытия впускного клапана способствует увеличению свежего заряда, во-первых, потому, что при положении поршня в НМТ все еще остается большое проходное сечение впускного клапана, во-вторых, давление в цилиндре в начале сжатия меньше р0 и воздух может поступать в цилиндр и, в-третьих, вследствие инерции потока воздух будет поступать в цилиндр и при давлении больше р0. Перекрытие впускного и выпускного клапанов способствует лучшей очистке цилиндра, а при наддуве осуществляет продувку камеры сгорания.
Изменение числа оборотов двигателя, т. е. изменение скоростного режима двигателя, влияет на скорость потока во впускном тракте, а следовательно, на величину ?ра и на ?н. С увеличением числа оборотов двигателя коэффициент наполнения уменьшается, так как вследствие увеличения гидравлических сопротивлений во впускном тракте давление ра уменьшается. Величина коэффициента наполнения в двигателях без наддува обычно составляет 0,75—0,85, а у двигателей с наддувом за счет уменьшения ?к коэффициент наполнения возрастает.
vdvizhke.ru
В процессе поступления от воздухоочистителя до цилиндра двигателя свежий заряд нагревается от соприкосновения со стенками впускного трубопровода и с другими нагретыми деталями двигателя. К моменту поступления свежего заряда в цилиндр двигателя его температура несколько превышает температуру окружающей среды и имеет значение:
Т0 –температура окружающей среды, К
Т – подогрев свежего заряда, К
Величина Т зависит от следующих факторов:
частоты вращения (чем выше частота вращения, тем ниже Т)
нагрузки (с увеличением нагрузки Т увеличивается)
от типа системы охлаждения (двигатели с воздушным охлаждением имеют более высокое Т)
от типа двигателей (в карбюраторных двигателях меньший подогрев объясняется затратой теплоты на испарение)
Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и таким образом отрицательно влияет на наполнение цилиндра. Поэтому специальный подогрев впускной системы карбюраторного двигателя целесообразен лишь в пределах, при которых подводимая теплота используется лишь для испарения топлива.
Вообще Т принимают на основании имеющихся экспериментальных данных, которые имеют следующие данные:
–карбюраторные двигатели
–дизели
для двигателей с наддувом – 
К моменту входа в цилиндр, свежий заряд смешивается с остаточными газами и контактирует со стенками цилиндра. В результате он дополнительно подогревается и принимает окончательную температуру Та.
Для определения Та необходимо составить уравнение теплового баланса газов, находящихся в цилиндре двигателя в конце впуска:
Q0+QΔ+Qr=Qa
Q0 – теплота, вносимая из окружающей среды;
QΔ – теплота от подогрева свежего заряда;
Qr – теплота от остаточных газов
Значение температуры в конце процесса впуска:
γ – коэффициент остаточных газов
Tr – температура остаточных газв
Та=320…360К – карбюраторные двигатели
Та=310…350К – дизель
Та=320…400К – для двигателей с наддувом
Та возрастает при увеличении и Т
Наиболее важной величиной, характеризующий процесс впуска, является коэффициент наполнения , представляющий собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр к началу процесса сжатия, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра.
,
,
– действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска.
,
,
– количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра.
Неполное наполнение цилиндра объясняется наличием сопротивления во впускном трубопроводе и подогревом свежего заряда.
После преобразований получаем:
= 0,75…0,8 – карбюраторные
= 0,85…0,95 – дизели
= 0,8…0,9 – газовые
Коэффициент наполнения ηv позволяет связывать наполнение двигателей разных размеров и таким образом сравнивать совершенство конструкции впускных органов. При проектировании двигателя необходимо стремиться к его большему значению.
Степень сжатия.
Если другие параметры остаются неизменными, то при больших значениях ηv возрастает. В действительности при увеличении изменяются также и другие параметры (уменьшаются и Тr, увеличивается Т). Кроме того, на величину ηv влияет качество продувки камеры сгорания. В зависимости от того, какой фактор преобладает ηv с увеличением может как увеличиваться, так и уменьшаться.
studfiles.net
В процессе газообмена, независимо от тактности дизеля, поступающий в цилиндр свежий заряд не заполняет всего объема цилиндра. Часть продуктов сгорания от предыдущего цикла неизбежно остается в цилиндре. Чем больше остается газов, тем меньше по весу заряд воздуха в цилиндре, следовательно, меньшее количество топлива может быть сожжено. Мощность цилиндра уменьшается.
В качестве критерия совершенства очистки цилиндра используется понятие «коэффициент остаточных газов» γг, равный отношению количества молей остаточных газов Мг к количеству молей свежего заряда L, поступившего в цилиндр:
γr = Mr /L
Кроме остаточных газов, на количество свежего заряда в цилиндре влияют и другие факторы: сопротивление впускной системы ΔPa, нагрев свежего заряда от стенок цилиндра и от остаточных газов. При повышении сопротивления впускной системы конечное давление в цилиндре Pa уменьшается, что приводит к снижению удельного веса заряда и уменьшению его количества. К таким же результатам приводит и повышенный нагрев заряда, поскольку при нагреве также снижается удельный вес. Совокупность всех указанных факторов учитывается в расчетах теоретических циклов коэффициентом наполнения ηн .
Коэффициент наполнения равен отношению весового количества воздуха G0 , находящегося в цилиндре в конце процесса наполнения, к тому количеству воздуха Gs , которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра Vs при параметрах воздуха перед впускными органами:
ηн = G0 /Gs
Если обозначить:
Vo — действительный объем воздуха, поступившего в цилиндр при параметрах перед впускными органами;
Ls — количество молей воздуха, которое могло бы поместиться в рабочем объеме Vs при параметрах перед впускными органами, то можно написать:
ηн=G0Gs=V0Vs=LLs
Выведем зависимость для определения коэффициента наполнения. Обозначим: Ma -количество молей свежего заряда и остаточных газов, действительно находящееся в цилиндре в момент начала сжатия (точка а цикла). Тогда:
Ma = L+Mr = L(1+γr)
На основании уравнения состояния можно написать:
PV = (G/μ) μRTТак как:
Ga/μa = Ma
G0 /μo = L
Pa Va = Ma μR Ta
P0 V0 = L μR T0
Откуда можно найти:
Ma =(Pa Va)/(μR Ta)
L = (P0 V0)/(μR T0)
На основании уравнения (3) запишем:
(Pa Va)/V (μR Ta) = [(P0 V0)/(μR T0)] (1+γr)
Или:
(Pa Va)/Ta = [(P0 V0)/ T0] (1+γr)
Так как:
Vs = (Va — Vc ) = Vc (ε-1)
Vo = ηн Vs = ηн Vc (ε-1)
то, подставив эти величины в последнее уравнение и выделив ηн, получим:
ηн=εε—1×PaTsP0Ta×11+γr
Уравнение (5) справедливо для 4-тактного двигателя без наддува, у которого параметры воздуха перед впускными органами есть параметры окружающей среды. Для двигателей с наддувом уравнение принимает вид:
ηн=εε—1×PaTsPsTa×11+γr
где Ps, Ts — давление и температура воздуха перед впускными органами — в продувочном ресивере.
Для 2-тактных дизелей коэффициент наполнения, отнесенный ко всему ходу поршня, выразится уравнением:
ηн=εε—1×PaTsPsTa×11+γr+(1—Ψs)
где ε = Va / Vs — действительная степень сжатия;
Ψs = h / S = Vh/ Vs — доля потерянного хода поршня;
h — потерянный ход поршня; это часть хода поршня от НМТ до момента начала сжатия в цилиндре (начало сжатия определяется моментом закрытия продувочных и выпускных органов системы газообмена).
Член (1-Ψs ) учитывает, насколько уменьшается коэффициент наполнения из-за потерянного хода. Если бы в потерянном объеме Vh размещался свежий заряд при тех же условиях, что и в объеме Va, то (1-Ψs) = 1.
Уравнение (7) является наиболее общим, может быть применено как для 2-тактных, так и 4-тактных ДВС. В последнем случае обычно полагают Ψs=0.
Смотрите также:
б) Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на процесс наполнения
в) Расчет процесса наполнения
Февраль, 22, 2015 678 0
Поделитесь с друзьями:
sea-man.org
Для понимания протекающих процессов обратимся сначала к индикаторной диаграмме газообмена четырехтактного двигателя без наддува, изображенной на рис. 3.5.
Выпускной клапан открывается (Вып. о.), прежде чем поршень достигает нижней (наружной) мертвой точки, давление в цилиндре быстро падает. Во время выпуска давление из-за газодинамического сопротивления в выпускном клапане остается несколько выше, чем давление в выпускном трубопроводе. У двигателя без наддува перекрытие клапанов невелико, т. е. впускной клапан открывается (Вп. о.), а выпускной — закрывается (Вып. з.) вблизи от верхней (внутренней) мертвой точки. Вследствие уменьшения сечения выпускного клапана давление в цилиндре в конце хода выталкивания повышается.
Поршень в конце хода выталкивания сжимает в цилиндре остаточные газы, последние расширяются в процессе хода впуска и занимают по достижении внешнего давления р0 объем VR. При ходе впуска линия изменения давления в цилиндре остается из-за сопротивления дросселирования ниже давления р0. Однако давление в цилиндре в конце хода впуска возрастает приблизительно до р0 (малая скорость поршня, динамическая дозарядка воздушного столба), впускной клапан закрывается лишь после н. м. т., так как иначе потери при дросселировании в конце процесса впуска были бы слишком велики.
Объем, определяемый точками пересечения линий впуска и сжатия с линией атмосферного давления или линией давления р2
или рвп у двигателей с наддувом, называют объемом наполнения Vн. Величиной объема Vн учитываются как потери рабочего объема за счет наличия остаточных газов, так и сопротивление дросселирования при впуске, но не учитывается нагревание при впуске.
Объемный коэффициент наполнения
Коэффициент наполнения определяется объемным коэффициентом наполнения и повышением температуры заряда в процессе впуска.
Коэффициент наполнения
В уравнении (3.20) приняты следующие обозначения: Твп — температура воздуха на впуске в цилиндр; Т1ц — температура воздуха в цилиндре в конце хода всасывания.
Чем выше температура наддувочного воздуха, тем меньше подогрев заряда при впуске, так как разность температур по отношению к горячим впускным каналам и стенкам цилиндра будет меньше. Вследствие этого коэффициент наполнения при повышении температуры возрастает, как это представлено следующей эмпирической формулой:
где Твп 0 — температура на впуске при исходном состоянии; Твп — температура на впуске при измененной температуре;
?н0 — коэффициент наполнения (безразлично, отнесенный ли к внешнему состоянию или к состоянию на впуске) при исходном состоянии; ?н — коэффициент наполнения при измененной температуре на впуске.
Коэффициент наполнения зависит от очень многих факторов (геометрия системы впуска, средняя скорость поршня, степень сжатия, температура стенок и др.). Его величина лежит обычно в пределах 0,7—0,9, однако у двигателей с наддувом и продувкой может превышать единицу.
Повышение температуры Т1ц — Твп складывается из изменения температуры вследствие теплопередачи от стенок впускного канала и цилиндра и изменения температуры вследствие завихрения. При определении количества свежего заряда указанным выше способом необходимо учитывать остаточные газы только по их объему при давлении рвп, так как для определения объема заряда в конце хода впуска безразлично, рассматриваются ли объемы остаточного газа и свежего заряда раздельно или совместно.
Изменение давления в цилиндре во время газообмена четырехтактного двигателя с наддувом схематически показано на рис. 3.6.
Если имеется положительный перепад давления между p2 и р3, то Vн будет и при обычном малом перекрытии клапанов больше, чем Vh; при сжатии до давления р2, объем, занимаемый остаточными газами, уменьшился бы до величины, меньшей чем Vс. Если применяется большее перекрытие клапанов, то достигается хорошая очистка цилиндра от остаточных газов.
Из представленной на рис. 3.7 индикаторной диаграммы видно, что давление в цилиндре при положении поршня в и. м. т. в начале такта сжатия практически достигает величины давления наддува р2 или рвп.
В случае, если имеется определенное дросселирование на впуске, подбором фаз газораспределения все же добиваются того, что давления рвп и р1ц лишь немного отличаются друг от друга.
Предполагая, что остаточные газы полностью удалены из цилиндра (за счет большего перекрытия клапанов и большего продувочного перепада), можно написать:
Температура заряда цилиндра при положении поршня в н. м. т. может быть определена с помощью следующего эмпирического уравнения:
которое, правда, только в общем учитывает имеющее место уменьшение нагрева воздуха при высоких температурах поступающего воздуха. tвп следует подставлять в °С
С помощью этого эмпирического уравнения мы можем в случае четырехтактных двигателей с наддувом и продувкой избавиться от несколько неопределенного коэффициента наполнения, содержащегося в уравнении (3.14):
Если принятое выше допущение о полном удалении остаточных газов из цилиндра отпадает, то взаимосвязи становятся значительно сложнее.
Для расчета температуры заряда цилиндра, включающего свежий заряд плюс остаточные газы, при положении поршня в н. м. т. для четырехтактных дизелей Цапф предложил следующие формулы, выведенные на основе расчета газообмена:
для двигателей без наддува, имеющих небольшое перекрытие клапанов
В уравнениях (3.26) и (3.27) приняты следующие обозначения: tвп — температура свежего воздуха на впуске двигателя, °С, сm— средняя скорость поршня, м/с; tcт — средняя температура поверхности внутренних стенок цилиндра (днище поршня, крышка и втулка цилиндра), °С; ? — коэффициент избытка воздуха; ?пер — перекрытие клапанов, п. к. в.; р2 ? рвп — давление наддува перед двигателем, кгс/см2; р3 — противодавление выпускного газа, кгс/см2.
Ограничения касаются только угла перекрытия клапанов и степени сжатия. Уравнения (3.26) и (3.27) справедливы при 11 < ? < 22, уравнение (3.27) — при ?пер ? 110° п. к. в.
Границы влияния увеличения перекрытия клапанов и степени сжатия в обоих случаях объясняются тем, что доля остаточных газов при этом из-за продувки мертвого пространства уменьшается, но это не оказывает заметного влияния на температуру заряда при положении поршня в н. м. т.
В тех случаях, когда ? > 22 и ?пер > 110° п. к. в., для ? и ?пер в уравнениях (3.26) и (3.27) следует подставлять просто указанные граничные значения.
vdvizhke.ru
Из уравнений видно, что на величину коэффициента наполнения влияют давление ра и температура Та в конце впуска, подогрев заряда AT, коэффициент остаточных газов уост, температура Тг, а также степень сжатия е. Наибольшее влияние оказывает величина — или —. РоРп
Значения этих величин, как было показано выше, зависят от ряда факторов. При подготовке к производству новых образцов двигателей стремятся по возможности уменьшить отрицательное влияние этих факторов на наполнение двигателя. Тщательная обработка внутренней поверхности впускного трубопровода и рациональная его конструкция с наименьшим числом поворотов обеспечивают снижение сопротивлений во впускной системе; более совершенная организация выпуска отработавших газов способствует уменьшению количества остаточных газов; возможность регулирования обогрева впускного трубопровода позволяет в карбюраторных двигателях избежать чрезмерного подогрева свежего заряда.
Наполнение двигателя при постоянном числе оборотов и изменении нагрузки. Изменение нагрузки в карбюраторных двигателях при постоянном числе оборотов коленчатого вала достигается перемещением дроссельной заслонки, в результате этого уменьшается или увеличивается количество поступающей в цилиндр горючей смеси.
При снижении нагрузки дроссельную заслонку прикрывают, вследствие уменьшения проходного сечения гидравлические сопротивления во впускной системе возрастают, что приводит к понижению давления ра. Штриховой линией показана индикаторная диаграмма газообмена при прикрытой дроссельной заслонке. Из диаграммы видно, что в этом случае в процессе впуска давление в цилиндре понижается, вследствие чего коэффициент наполнения уменьшается.
Во впускной системе дизелей отсутствуют какие-либо устройства, изменяющие количество подаваемого в цилиндр воздуха, так как изменение нагрузки в дизеле достигается регулированием количества впрыскиваемого топлива. Следовательно, при постоянном числе оборотов коленчатого вала гидравлические сопротивления во впускной системе дизеля остаются неизменными.
На величину коэффициента наполнения в дизеле при изменении нагрузки влияет только подогрев воздуха.
При увеличении нагрузки из-за выделения большего количества теплоты повышается температура стенок цилиндра, днища поршня и головки цилиндров. В результате этого по мере увеличения нагрузки поступающий в цилиндр воздух подогревается больше, и коэффициент наполнения несколько снижается.
Наполнение двигателя при переменных числах оборотов. Как видно из уравнения , потери давления во впускной системе прямо пропорциональны квадрату скорости движения заряда.
При повышении числа оборотов двигателя скорость движения заряда во впускной системе увеличивается примерно пропорционально числу оборотов. В связи с этим растут соответственно гидравлические сопротивления, а давление ра понижается. Такая же картина наблюдается и в выпускной системе, где с повышением числа оборотов растет давление остаточных газов рг и увеличивается их количество.
При повышении скоростного режима подогрев заряда из-за сокращения времени соприкосновения его с горячими стенками уменьшается.
Как показали опыты, у большинства автомобильных двигателей подогрев по сравнению с возрастающими сопротивлениями на впуске и выпуске меньше влияет на г]у.
В результате совместного действия этих факторов после достижения скоростного режима, при котором при соответствующим образом подобранных фазах газораспределения гу имеет наибольшее значение, дальнейшее увеличение числа оборотов приводит к уменьшению коэффициента наполнения.
На рис. 48 показано изменение коэффициента наполнения карбюраторного двигателя и дизеля в зависимости от числа оборотов. Наибольшие коэффициенты наполнения rvУ обоих двигателей соответствуют определеннымчислам оборотов.
Снижение коэффициента наполнения и у при уменьшении числа оборотов объясняется усилением подогрева заряда вследствие увеличения промежутка времени, в течение которого он соприкасается со стенками, и несоответствием фаз газораспределения условиям газообмена при пониженном числе оборотов. Необходимо отметить, что при малых числах оборотов увеличивается утечка заряда через поршневые кольца (особенно у двигателей с большим износом поршневых колец и зеркала цилиндра).
Из рис. 48 видно, что коэффициент наполнения rjyпри полной нагрузке у дизеля (кривая 2) несколько выше, чем у карбюраторного двигателг (кривая 3) и меняется менее значительно в зависимости от скоростного режима. Это объясняется тем, что во впускной системе дизеля отсутствуют карбюратор и дроссельная заслонка,вследствиечегоГидравлическиесопротивления у него меньше.
У карбюраторного двигателя по мере прикрытия дроссельной заслонки из-за возрастающих сопротивлений коэффициент наполнения падает более резко (кривые 4 и 5). Такая зависимость коэффициента наполнения от числа оборотов при прикрытии дроссельной заслонки, как будет показано ниже, обеспечивает ограничение наибольшего числа оборотов при снижении нагрузки и
устойчивую работу двигателя при наименьшем числе оборотов холостого хода.
В дизеле из-за уменьшения подогрева воздуха при снижении нагрузки коэффициент наполнения rvрастет. Кривая 1 показывает изменение коэффициента наполнения дизеля при его работе на холостом ходу.
Влияние степени сжатия. При изменении степени сжатия меняются условия подогрева заряда в цилиндре двигателя, а также количество остаточных газов и их температура. Влияние отдельных факторов при этом взаимно компенсируется. Опыты показали, что коэффициент наполнения практически независит отстепенисжатия.
Влияние размеров цилиндра, отношения хода поршня к диаметру цилиндра и расположения клапанов. При больших диаметрах цилиндра можно разместить клапаны большего диаметра. Увеличение диаметра впускного клапана позволяет осуществить процесс впуска при меньшей скорости движения заряда, что приводит к снижению гидравлических потерь и повышению коэффициента наполнения.
В настоящее время большое распространение получают корот-коходные двигатели, в которых отношение хода поршня к диаметру цилиндра меньше единицы. Одним из преимуществ этих двигателей, имеющих сравнительно большой диаметр цилиндра, является возможность размещения в головке цилиндров клапанов большого диаметрапри верхнем их расположении.
На рис. 49 показаны конструктивные схемы впускных каналов карбюраторных двигателей и дизелей. Верхнее расположение клапанов и соответствующая форма впускных каналов обеспечивает плавный впуск свежего заряда. В этом случае гидравлические сопротивления снижаются и коэффициент наполнения увеличивается. Кроме того, при наличии впускных каналов специальной формы образуется направленное движение рабочей смеси в цилиндре, необходимое для лучшего протекания процесса смесеобразования и сгорания.
Влияние фаз газораспределения. Коэффициент наполнения зависит от продолжительности и момента открытия и закрытия впускных и выпускных органов, т. е. от фаз газораспределения.
Влияние фаз газораспределения на коэффициент наполнения не поддается расчету, и их выбор производится опытным путем. С учетом влияния фаз газораспределения коэффициент наполнения для четырехтактного двигателя можно подсчитать по уравнению коэффициент дозарядки, учитывающий дополнительное количество заряда, поступающего при движении поршня от н. м. т. до момента закрытия впускного клапана (линия а4, рис. 42, б).
коэффициент продувки, учитывающий дополнительную очистку цилиндров в период перекрытия клапанов при нахождении поршня вблизи в. м. т.
Для четырехтактных двигателей с наддувом вместо Т0 и р0 в уравнения (192), (193) и (194) необходимо подставлять значения Тк и рк.
Выбранные опытным путем фазы газораспределения обеспечивают оптимальные условия по наполнению для некоторого интервала изменения скоростного режима двигателя. Это означает, что для автомобильных двигателей, работающих в широком диапазоне изменения чисел оборотов коленчатого вала, нельзя подобрать фазы газораспределения так, чтобы они были наилучшими для всех случаев. Число оборотов, при котором производят подбор фаз, выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к двигателю при его эксплуатации.
Влияние колебательных явлений в трубопроводах. В трубопроводах автомобильных двигателей в процессе впуска и выпуска возникает колебательное движение газов, приводящее к образованию волн давления. Это явление можно использовать для увеличения массы поступающего в цилиндр заряда. Если, например, настроить выпускную систему так, чтобы к концу процесса выпуска в момент перекрытия клапанов в ней образовалось разрежение, то количество отработавших газов, вытекающих из цилиндра, увеличится, а уос?„ уменьшится. В результате этого в цилиндр двигателя поступит большее количество свежего заряда.
maestria.ru
ВОПРОСЫ
по дисциплине «Теория и моделирование рабочих процессов ДВС»
(для контроля наличия минимальных знаний)
Какими основными показателями характеризуются эффективность идеального термодинамического и действительного циклов ДВС?
* Экономичность характеризуется термическим и индикаторным КПД соответственно, эффективность - средним давлением цикла и средне- индикаторным давлением.
Дайте определение степени сжатия в цикле ДВС.
* Отношение максимального объема рабочей камеры к минимальному.
Каков характер зависимости показателей эффективности идеальных и действительного циклов ДВС от степени сжатия?
* С увеличением степени сжатия КПД и среднее давление идеального и, в большинстве случаев, действительного циклов ДВС растут.
Как зависит термический КПД термодинамического цикла ДВС от способа подвода тепла?
* При одинаковой степени сжатия максимальный термический КПД цикла ДВС достигается при подводе тепла при постоянном объеме, минимальный - при постоянном давлении, при смешанном подводе тепла КПД тем выше, чем большая часть тепла подводится при постоянном объеме.
Как соотносятся между собой термические КПД цикла ДВС и цикла с продолженным расширением?
* При прочих равных условиях термический КПД цикла с продолженным расширением выше.
Дайте определение стехиометрического соотношения топлива.
* Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания единицы топлива.
Дайте определение коэффициента избытка воздуха горючей смеси.
* Отношение действительного количества воздуха, приходящегося на единицу топлива в горючей смеси, к стехиометрическому соотношению.
Дайте определение химической неполноты сгорания.
* Потери низшей теплоты сгорания топлива вследствие применения богатой горючей смеси.
Каковы основные соображения, принимаемые во внимание при выборе степени сжатия ДВС?
* Для двигателя с принудительным воспламенением: КПД цикла, возможность возникновения детонации. Для двигателя с воспламенением от сжатия: КПД цикла, возможность холодного пуска двигателя.
Какие параметры газовой смеси оказывают наиболее сильное влияние на скорость протекания химической реакции в ней?
* Температура, давление, концентрация реагирующих веществ.
От каких основных параметров горючей смеси зависят пределы её воспламеняемости по составу?
* От давления, температуры, количества остаточных газов, мощности запального устройства.
Каково влияние остаточных газов на скорость распространение пламени в однородной горючей смеси?
* С увеличением количества остаточных газов скорость распространения пламени в однородной горючей смеси падает.
Каково влияние степени турбулизации горючей смеси на скорость ее выгорания?
* Турбулизация горючей смеси повышает скорость ее выгорания.
Дайте определение угла опережения зажигания или впрыска топлива.
* Угол поворота коленчатого вала до ВМТ с момента подачи искры или начала подачи топлива в цилиндр.
К нарушениям каких процессов цикла ДВС приводят калильное зажигание и детонационное сгорание?
* Калильное зажигание приводит к преждевременному воспламенению заряда и нарушению протекания всего процесса тепловыделения, при детонационном сгорании нарушается часть процесса тепловыделения после воспламенения горючей смеси от искры.
Каковы основные негативные последствия детонационного сгорания в ДВС?
* Повышенные тепловые и механические нагрузки, неполнота сгорания, рост удельного расхода топлива и количества токсичных выбросов, падение мощности двигателя.
Что характеризует калильное число свечи зажигания?
* Интенсивность охлаждения ее элементов, находящихся в камере сгорания. Чем выше калильное число, тем выше интенсивность ее охлаждения и “холоднее” свеча.
Каким параметром оценивается жесткость работы двигателя?
* Скоростью нарастания давления в цилиндре в процессе сгорания.
В чем суть послойного смесеобразования в ДВС?
* В распределении топлива по объему камеры сгорания таким образом, чтобы между электродами свечи зажигания располагалась горючая смесь с составом, обеспечивающим ее воспламеняемость электрической искрой в условиях цилиндра, в отдаленных же от электродов зонах располагалась обедненная смесь или чистый воздух.
Какими компонентами выбросов ДВС обуславливается их токсичность?
* Окисью углерода, окислами азота, различными углеводородами, сажей.
Какими тепловыми и химическими процессами сопровождается расширение рабочего тела в ДВС?
* Теплообменом со стенками рабочей камеры, тепловыделением вследствие процессов догорания и рекомбинации диссоциированных компонентов рабочего тела.
Дайте определение среднего индикаторного давления.
* Условное, постоянное по величине избыточное давление, которое, действуя на поршень в течение такта расширения, совершает работу, равную индикаторной работе цикла. Работа цикла, приходящаяся на единицу рабочего объема цилиндра.
Дайте определение индикаторной мощности.
* Количество работы, совершаемой рабочим телом в цилиндре ДВС в единицу времени.
Дайте определение индикаторного КПД.
* Отношение работы, совершенной рабочим телом в цилиндре ДВС, к количеству затраченной для совершения цикла теплоты.
Дайте определение удельного индикаторного расхода топлива.
* Количество топлива, необходимое для совершения единицы индикаторной работы.
Какими факторами ограничивается возможность обогащения горючей смеси в двигателях с воспламенением от сжатия?
* Содержанием свободного углерода в продуктах сгорания (дымностью).
Укажите причину различия индикаторных и эффективных показателей ДВС.
* Наличие механических потерь в ДВС.
Дайте определение эффективного КПД двигателя.
* Отношение работы, совершаемой двигателем при приводе потребителя энергии, к количеству затраченной теплоты.
Дайте определение эффективного удельного расхода топлива ДВС.
* Количество топлива, затрачиваемого двигателем для совершения единицы эффективной работы.
Дайте определение скоростной характеристики предела дымления ДВС.
* Зависимость основных показателей работы ДВС от частоты вращения вала при подачах топлива на каждом скоростном режиме, соответствующих началу появления дыма в отработавших газах.
Дайте определение внешней (эксплуатационной внешней) скоростной характеристики ДВС.
* Зависимость основных показателей работы ДВС от скоростного режима при максимальной подаче топлива штатной топливной аппаратурой.
Дайте определение частичной скоростной характеристики ДВС.
* Зависимость основных показателей ДВС от скоростного режима при подаче топлива меньше максимальной.
Дайте определение нагрузочной характеристики ДВС.
*Зависимость основных показателей работы двигателя от нагрузки при постоянном скоростном режиме.
Дайте определение регуляторной ветви характеристики ДВС.
* Часть скоростной характеристики ДВС, протекание которой определяется работой регулятора частоты вращения.
Дайте определение понятия “двигатель с качественным регулированием”.
* Двигатель, регулирование мощности которого осуществляется путем изменения состава сжигаемой в цилиндре двигателя горючей смеси.
Дайте определение понятия “двигатель с количественным регулированием”.
* Двигатель, регулирование мощности которого осуществляются путем изменения количества подаваемой в цилиндр горючей смеси.
Дайте определение понятия “двигатель с внешним смесеобразованием”.
* ДВС, в котором подготовка горючей смеси завершается, в основном, во впускном тракте.
Дайте определение понятия “двигатель с внутренним смесеобразованием”.
* ДВС, в котором подготовка горючей смеси осуществляется непосредственно в рабочей камере.
Дайте определение коэффициента наполнения цилиндра ДВС.
* Отношение количества свежего заряда, оставшегося в рабочей камере после закрытия органов газообмена, к тому количеству, которое разместилось бы в рабочем объеме цилиндра при параметрах окружающей среды, для двигателей без наддува, или при параметрах перед впускными органами, для двигателей с наддувом.
stydopedia.ru
Изменение коэффициента наполнения ηv от нагрузки определяется типом двигателя.
В карбюраторном двигателе нагрузка регулируется изменением положения дроссельной заслонки (количеством смеси). При увеличении нагрузки дроссельная заслонка открывается, сопротивление на впуске уменьшается и количество смеси, подаваемой в цилиндр, увеличивается. В связи с чем, давление Ра и температура двигателя возрастают. Повышение Ра приводит к увеличению ηv. При этом, поскольку Рr и Tr практически не зависят от нагрузки, а вследствие увеличения количества свежего заряда его подогрев, несмотря на повышение температуры деталей, почти не изменяется, зависимость 
близка к линейной (Рис. 17).
Рис. 17.Зависимость коэффициента наполнения от нагрузки:
1 – четырехтактный дизель; 2 — карбюраторный двигатель.
Дросселирование смеси, применяемое в карбюраторных двигателях для уменьшения нагрузки, сопровождается снижением давления во впускном трубопроводе и в цилиндре, усилением подогрева свежего заряда, ростом коэффициента остаточных газов γ, что приводит к снижению ηv
В дизелях нагрузка регулируется количеством впрыскиваемого топлива (качеством смеси). Для увеличения мощности в цилиндр впрыскивается большее количество топлива. Сопротивление впускного трубопровода остается постоянным, а изменяется лишь температурное состояние деталей двигателя, что усиливает подогрев свежего заряда Т. По этой причине происходит снижение ηv.
В процессе поступления свежий заряд, смешиваясь с остаточными газами, находящимися в цилиндре в объеме камеры сгорания, нагревается, в результате чего уменьшается плотность, а следовательно и наполняемость цилиндра. Поэтому при работе двигателя стремятся к уменьшению остаточных газов за счет следующих мероприятий:
подбора фаз газораспределения (увеличение продолжительности впуска и перекрытия клапанов)
подбора размеров клапанов
увеличения
Для оценки степени очистки используют коэффициент остаточных газов:
После преобразований получаем
=0,03…0,06 – для дизелей без наддува
=0,01…0,03 – для дизелей с наддувом
=0,06…0,12 – для карбюраторных и газовых двигателей
Из уравнения видно, что уменьшение происходит при увеличении , Тr, и уменьшении Рr.
В четырехтактных двигателях к концу такта выпуска остаточные газы занимают объем камеры сгорания Vc .
Величина Pr определяется давлением среды, в которую происходит впуск. Тr зависит от состава смеси, теплообмена при расширении и выпуске. Объем Vc однозначно зависит от степени сжатия и уменьшается с увеличением . Следовательно увеличение всегда сопровождается уменьшением Mr.
Коэффициент остаточных газов в бензиновых двигателях всегда выше, чем в дизельных вследствие меньших значений . С уменьшением нагрузки в карбюраторных двигателях увеличивается, а в дизелях остается практически неизменной величиной.
Pr = 0,11…0,125 МПа – для всех типов двигателей
Tr= 700…900 K – для дизелей
Tr= 900…1100 K – для бензиновых и газовых двигателей.
| ccccccc' Рис. 18 Изменение давления р и показателя политропы n1 в такте сжатия |
В первоначальный момент времени температура стенок цилиндра выше температуры свежего заряда и теплота передаётся от стенок газу (участок ас'). Текущий показатель политропы сжатия n1 больше показателя адиабаты. По мере движения поршня к ВМТ температура газов повышается и в некоторый момент, примерно в середине хода поршня, становится равной температуре стенок и наступает мгновенный адиабатный процесс, когда текущие значения показателя политропы n1 равны показателю адиабаты к1 . При дальнейшем сжатии заряда температура стенок становится меньше температуры газов и теплота отдается стенкам цилиндра. Опытным путем установлено, что количество теплоты, передаваемое от рабочего тела стенкам на участке с|с всегда больше количества теплоты переданной на участке ас| , следовательно средний показатель n1<k. Его величина характеризует характер теплообмена между зарядом и стенками, указывает на величину потерь. При тепловом расчете используется средний показатель политропы сжатия:
[1,35…1,4]
Чем меньше значение n1 , тем больше количество теплоты отдается стенкам. Условия теплообмена определяются следующим:
разностью между температурами свежего заряда и теплопередающими поверхностями
относительной площадью теплопередающей поверхности
количеством свежего заряда, находящегося в цилиндре во время сжатия
временем теплообмена
Основной путь снижения потерь при сжатии – это повышение n1 за счет:
увеличения частоты вращения n
применения материалов уменьшающих теплообмен между газами и деталями КШМ
применения воздушного охлаждения
наддува
Определение параметров в конце сжатия осуществляется с использованием уравнения политропы:
Из уравнения видно, что Рс и Тс зависят от и n1 . Из назначения процесса сжатия величины что Рс и Тс должны быть высокими, что возможно за счет увеличения . Увеличение вызывает улучшение экономичности, а увеличение Рс вызывает рост нагрузок на детали КШМ, следовательно возрастает износ и механические потери, что сводит на нет улучшение экономичности.
К концу сжатия заряда в дизеле необходимо достичь температуры, при котором впрыскнутое топливо хорошо самовоспламеняется (на 200…300° выше температуры самовоспламенения). Этим определяется минимальное значение . С увеличением возрастает теплоиспользование, но и возрастает теплонапряженность деталей. Поэтому значение в дизеле определяется конструктивными особенностями и условиями эксплуатации. В карбюраторных ДВС допустимое значение зависит от октанового числа бензина: при недостаточно высоком октановом числе возможно возникновение детонации.
Двигатели с наддувом имеют меньшую степень сжатия . Если в бензиновых двигателях без наддува величина степени сжатия лежит в пределах =9,5 – 10, в дизелях 16 – 23, то с надувом 8 – 8,5 и 13 – 16,5 соответственно. Дело в том, что увеличение давления заряда в начале сжатия на величину степени повышения давления в компрессоре 
, приводит к соответствующему возрастанию давления Рс в конце сжатия. Бензиновый двигатель не сможет надежно работать из-за детонации на основных рабочих режимах, а в дизелях снижение связано с возрастанием тепловой напряженности деталей.
studfiles.net
