ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ
Процесс впуска предназначен для введения в цилиндр свежего заряда: горючей смеси — в бензиновых двигателях или воздуха — в дизелях. Чем больший по массе свежий заряд будет введен в цилиндр двигателя на каждый цикл, тем большую работу можно ожидать от цикла и тем большую мощность будет развивать двигатель. Поэтому процесс впуска должен быть организован так, чтобы в цилиндр двигателя было введено возможно большее количество свежего заряда.
В современных двигателях процесс впуска сравнительно четко можно разделить на два периода. К первому периоду относится заполнение цилиндра при движении поршня от в. м. т. до нижней, т. е. за π рад (180°) поворота кривошипа. Поступление свежего заряда в этот период происходит вследствие разряжения, создающегося в цилиндре при отходе поршня от. в. м. т. Второй период осуществляется при движении поршня от н. м. т. к верхней и продолжается, в зависимости от окружающей среды,до загрытия впускного клапана, а объем, занимаемый им, будет равен объему Va за вычетом объема камеры сгорания Vc, т. е.
На основании изложенного фактическая (общая) масса свежего заряда Gc.з поступившего в цилиндр во время процесса выпуска, будет 
где G180 — масса свежего заряда, поступившая в цилиндр при движении поршня от в. м. т. до н. м. т.;
G доп— масса дополнительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр за период, соответствующий запаздыванию закрытия впускного клапана. Массу свежего заряда, поступающую в цилиндр за первый период впуска, можно определить по характеристическому уравнению, связывающему параметры его состояния. . 
Весовое количество свежего заряда, поступающего в цилиндр за второй период впуска.Процесс поступления свежего заряда за второй период впуска называют дозарядкой .
Рассмотрим процесс наполнения под действием разрежения дизеля без наддува. В конце хода выпуска объем камеры сжатия Vcбудет заполнен продуктами сгорания давлением рrЕсли не принимать во внимание углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов, то при нисходящем давлении поршня от в. м. т. вначале будет происходить расширение оставшихся в цилиндре газов от рrдо р а.
В результате сопротивлений всасыванию, нагревания о горячие детали двигателя и теплообмена с оставшимися в цилиндре газами поступающий свежий заряд будет иметь меньшую плотность, чем окружающая среда. Очевидно, что масса поступающего заряда с увеличением давления впуска будет возрастать, а с повышением температуры заряда—уменьшаться.
Коэффициент наполнения. Для оценки степени заполнения цилиндра свежим зарядом вводится понятие о коэффициенте наполнения ηн.
Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, действительно поступившего в цилиндр, к количеству теоретически возможного заряда, который мог бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при температуре То и давлении ро окружающей среды.
Из этого определения следует, что ηн.= 1, если объем Vs заполнен свежим зарядом имеющим температуру и давление окружающей среды.
По окончании хода выпуска, когда поршень будет находиться в в. м. т., в объеме камеры сжатия Vc останутся продукты сгорания в количестве mr кг. В конце хода наполнения в объеме Vа будет mакг смеси воздуха и остаточных газов.
Если массу действительно поступившего в цилиндр воздуха обозначить ms,то
mа = ms,+ mr= ms (1+mr/ ms). Отношение mr/ ms=γr , т.е. ,
отношение количества остаточных продуктов сгорания mr к количеству действительно поступившему воздуху в цилиндр, называется коэффициентом остаточных газов.
Таким образом mа = ms (1+ γr),откуда ms= mа /(1+ γr)
Практически величина γr для четырехтактных дизелей равна 0,035 — 0,045. В зависимости от типа продувки. γrдля двухтактных двигателей может иметь значение 0,03—0,30.
Количество воздуха т0которое теоретически возможно поместить в объеме Vs при Тои р0,определяется из уравнения состояния
р0 Vs = m0 Rs TQ:тогда m0= р0 Vs / Rs TQ:
Аналогично находится количество смеси воздуха и остаточных газов: mа= ра Vа / Rа Tа:
Согласно определению коэффициент наполнения равен: ηн= ms / m0= mа/ m0(1+ γr)
Подставив в это выражение значение таи т0, получим: ηн= ра Vа Rs TQ / Rа Tа р0 Vs(1+ γr)
Без особой погрешности газовые постоянные Rsвоздуха и Raсмеси можно считать равными; тогда, сократив их и произведя перегруппировку, найдем, что
ηн= Vа/ Vs ∙ ра/ р0∙ TQ / Tа∙1/(1+ γr)
Отношение объемов Vа/ Vs можно преобразовать следующим образом
Vа/ Vs= Vа/ Vа- Vc= Vа/ Vc(Vа/ Vc-1) = ε /ε-1
Подставив это значение в предыдущую формулу, получим окончательное выражение для коэффициента наполнения в таком виде:
ηн= ε /ε-1∙ ра/ р0∙ TQ / Tа∙1/(1+ γr)
Выражение действительно как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей при условии замены р0и TQ на psи Ts— давление и температуру продувочного воздуха.
Коэффициент наполнения двухтактного двигателя, отнесенный к полезному ходу поршня,
ηн= ε /ε-1∙ ра/ ps∙ Ts / Tа∙1/(1+ γr )
Для определения коэффициента наполнения четырехтактного двигателя с наддувом необходимо в формулу подставить вместо рои То соответствующие давление рни температуру Тн наддувочного воздуха.
На основании анализа формул можно прийти к следующим выводам:
а) наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения оказывает давление рав цилиндре в конце хода наполнения, с увеличением которого ηн возрастает;
б) степень сжатия е оказывает незначительное влияние на коэффициент наполнения;
в) с уменьшением подогрева воздуха уменьшается и температура Та в конце впуска, в результате чего повышается ηн .
В процессе эксплуатации коэффициент наполнения может понизиться, что приведет к падению мощности. Для сохранения наибольшего значения ηн в период эксплуатации необходимо обеспечивать установленные фазы газораспределения, поддерживать нормальные тепловые зазоры между кулачковыми шайбами и роликами, не допускать загрязнения впускных каналов, выпускного коллектора и воздушных фильтров. Перегрев двигателя также уменьшает ηн , происходит более сильный нагрев свежего заряда, уменьшается его плотность и масса.
При уменьшении частоты вращения ηн уменьшается, так как при этом наступает несоответствие фаз газораспределения.На некоторых современных ДВС устанавливают автоматические устройства корректировки фаз газораспределения в зависимости от условий работы ДВС.
Коэффициент наполнения для судовых дизелей колеблется в пределах 0,70—0,98,
Определение давления в конце наполнения ра ( в начале сжатия.)
Если двигатель работает без наддува и цилиндр наполняется под действием разрежения, то давление в начале сжатия может быть принято равным давлению в период впуска, предполагаемому постоянным.
Ввиду того что главным фактором, влияющим на сопротивление при впуске, является скорость протекания воздуха через щель, образующуюся при открытии впускного клапана, величину ра определяют в зависимости от скорости воздуха.
Средняя скорость протекания воздуха в проходном сечении впускного клапана при установившемся движении воздуха (в м/сек) может быть найдена из уравнения сплошности:
V = FCm =ƒС1
где V— объем воздуха, протекающего через впускной клапан в 1 сек.в м3
F— площадь поршня в м2;
Cm=2Sn — средняя скорость поршня в м/сек
(здесь п –частота вращения в об/сек и S — ход поршня в м);
f — площадь живого сечения впускного клапана в м2
С1 — средняя скорость протекания воздуха в щели при открытии
впускного клапана в м/сек.
Из уравнения сплошности С1=Cm∙F/ƒ
Наибольшая скорость протекания воздуха (в м/сек) в щели при открытии впускного клапана, очевидно, будет при максимальной скорости поршня Смакс примерно на середине его хода:
Смакс=π/2 Cm=1,57 Cm
Обозначив через С2 наибольшую скорость протекания воздуха (в м/сек) при открытии клапана, получим:
С2= Смакс ∙F/ƒ=1,57 Cm F/ƒ
По известной наибольшей скорости истечения воздуха можно определить давление ра н/м2 по формуле
ра = 98066 – kC22,
где k= 1,204-1,50 — коэффициент, учитывающий колебание величины гидравлических сопротивлений в зависимости от быстроходности двигателя. Большие значения k относятся к быстроходным двигателям.
Давление в начале сжатия, по практическим данным, колеблется в следующих пределах: для четырехтактных тихоходных двигателей без наддува ра=0,0834÷0,093 Мн/м2—0,83÷0,93 кгс/см2 и для четырехтактных быстроходных двигателей без наддува ра—0,0784÷0,083Мн/м2—0,784÷0,83 кгс/см2.
Выше было сказано, что наибольшее влияние на коэффициент наполнения оказывает давление ра в цилиндре в начале сжатия, с увеличением которого он возрастает. Понижение ра в период эксплуатации недопустимо, так как это приведет к падению мощности вследствие уменьшения количества свежего заряда.
Чтобы сохранить установленное значение ра нужно обеспечивать правильные моменты газораспределения, тепловой зазор в клапанах, содержать в чистоте впускные каналы и воздушные фильтры, не допускать перегрева двигателя.
Температура в начале сжатия Та.
Температура заряда, поступающего в цилиндр, повышается также вследствие перемешивания его с остаточными газами, заполняющими камеру сгорания. Установлено, что каждый процент остаточных газов (по отношению к свежему заряду) повышает температуру заряда на 8—10°. Кроме того, в карбюраторных двигателях одновременно наблюдается некоторое снижение температуры смеси ввиду поглощения тепла при испарении топлива, находящегося в смеси в жидкой фазе.
У двухтактных двигателей, кроме того, он будет нагреваться при сжатии в продувочном насосе, а у двигателей с наддувом — в нагнетателе.
К моменту поступления в цилиндр температура воздуха будет равна:
а) для четырехтактных двигателей без наддува
Т'о = То + ∆t;
б) для четырехтактных двигателей с наддувом и двухтактных двигателей.
Т'о = То + ∆t+ ∆t1;
В этих формулах:
∆t;— повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя;
∆t1; — повышение температуры при сжатии воздуха в нагнетателе или в продувочном насосе.
Степень подогрева заряда ∆tзависит от типа двигателя, тактности, частоты вращения, способа охлаждения и нагрузки его. Величина ∆t , по опытным данным, составляет для дизелей 10—20°С.
Для форсированных двигателей и двигателей малых мощностей принимаются более высокие значения ∆t . Форсированными называются двигатели, которые при тех же размерах развивают большую мощность, что сопровождается повышением теплового режима и увеличением нагрузок на детали.
В конечном итоге температура воздуха в конце наполнения(начало сжатия )в точке а на индикаторной диаграмме определяется по формуле Та= Т'о+ γr Tr /(1+ γr )
Из формулы видно, что температура в начале сжатия зависит главным образом от температуры окружающей среды и степени подогрева свежего заряда и мало зависит от температуры остаточных газов.
Средние значения Та, составляют для бензиновых двигателей 350—400°К, для керосиновых — 410—480°К и для дизелей — 310—370° К. Несколько меньшие значения Та для дизелей объясняются меньшим подогревом вследствие более низких температур остаточных газов и меньшими для них значениями коэффициента остаточных газов.
Повышенный подогрев свежего заряда приводит к уменьшению коэффициента наполнения, а значит, и мощности из-за плотности заряда.
В двигателях с наддувом воздух нагревается от сжатия в турбокомпрессоре и для увеличения его плотности после ГТН устанавливают воздушный холодильник, представляющий собой по конструкции, образно говоря радиатор, по трубкам которого прокачивается насосом забортная вода.
Ответить на следующие вопросы:
- Почему впускной клапан у большинства ДВС закрывается после прохождения поршнем НМТ.
- Что называется коэффициентом наполнения.
- От каких факторов зависит величина коэффициента наполнения цилиндра.
- Определение коэффициента остаточных газов
- От чего зависит давление воздуха в цилиндре в конце такта впуска.
- По каким причинам устанавливают охладитель впускного воздуха
Дата добавления: 2015-07-24; просмотров: 3534;