Название: Конструкция, расчет и потребительские свойства изделий - Методические указания (В.П. Гилета)

Жанр: Технические

Просмотров: 1166


Процесс впуска и газообмена

 

Процесс впуска и газообмена практически состоит из трех различных периодов (рис. 1.1).

в первый период – от момента открытия впускного клапана (точка r′) до момента закрытия выпускного клапана (точка a′) происходит одновременное наполнение цилиндра свежим зарядом, выпуск отработавших газов и их смешение. В этот период происходит наиболее интенсивный процесс газообмена;

второй период – от точки a′ до точки a при движении поршня к н.м.т. происходит дальнейший впуск свежего заряда, продолжение смешения его с отработавшими газами, выравнивание их совместного давления и температуры;

в третий период – при движении поршня от н.м.т. (точка a) до точки a″ происходит одновременно завершение процесса наполнения цилиндра (дозарядка или начало сжатия смеси).

Рис. 1.1. Изменение давления в процессе впуска в четырехтактном

двигателе:

а – без наддува; б – с наддувом

 

Параметры процесса впуска и газообмена можно разделить на две группы:

параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процесса;

 параметры, характеризующие совершенство процесса наполнения и очистки цилиндров в целом.

К первой группе относятся:

ρ0, ρk – плотность заряда на впуске соответственно при отсутствии наддува и с наддувом;

р0, Т0 или pk Tk – давление и температура окружающей среды соответственно без наддува и с наддувом;

pr, Tr – давление и температура остаточных газов;

ΔT – подогрев заряда от нагретых деталей;

pa – давление в конце впуска;

Δpa – потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре;

Ta – температура в конце впуска.

Ко второй группе относятся:

γr – коэффициент остаточных газов;

ηV – коэффициент наполнения.

При проведении расчетов протекание процесса впуска принимается от точки r до точки a (см. рис. 1.1), причем предполагается мгновенное изменение давления в в.м.т. по линии rr″ , а в дальнейшем давление принимается постоянным (прямая r″a). После расчетов и получения координат точек r, r″ и a производится ориентировочное скругление по кривой ra′.

Плотность заряда ρ0, ρk (кг/м3) на впуске без наддува

ρ0 = p0106/(RBT0),                                              (1.1)

с наддувом

ρk = pk·106/(RвTK),                                             (1.2)

где Rв – удельная газовая постоянная воздуха:

Rв = Rу/μв = 8315/28,96 = 287 Дж/(кг·град),

Rу = 8315 Дж/(кмоль·град) – универсальная газовая постоянная, T0, Tk – температура окружающей среды без наддува и с надду-

вом (К).

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. При этом при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным р0 = 0,1 МПа, а температура окружающей среды Т0 = 293 К.

Давление наддувочного воздуха pk (МПа) принимается:

при низком наддуве                                    1,5p0

при среднем наддуве                                  (1,5…2,2)p0

при высоком наддуве                                        (2,2…2,5)p0

Температура наддувочного воздуха Tk (К) за компрессором

,                                      (1.3)

где nк – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре

(нагнетателе).

Показатель политропы назначают на основании опытных

данных:

для поршневых нагнетателей                                                     1,4…1,6

для объемных нагнетателей                                                   1,55…1,75

для осевых и центробежных нагнетателей                       1,4…2,0

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме  камеры сгорания.

Давления остаточных газов pr (МПа) на номинальном режиме работы двигателя равно (для двигателей без наддува),

prN = (1,05…1,25)p0.                                     (1.4)

Большее значение принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала. Меньшие значения  характерны для двигателей с непосредственным впрыском и электронной системой управления системой питания.

На остальных режимах работы двигателя давление остаточных газов (МПа) определяется по формуле

pr = p0(1,035 + Ap10-8n2),                                        (1.5)

где Ap = (prN – 1,035p0)108/(p0); nN – частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме, мин-1.

Температура остаточных газов Tr (К) зависит от степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха. Для двигателей с воспламенением от искры она равна 900…1100 К, для дизелей – 600…900 К.

При выборе величины необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения – возрастает.

В процессе наполнения цилиндра температура свежего заряда увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Температура подогрева свежего заряда ΔT в зависимости от типа двигателя принимается:

для двигателей с воспламенением от искры – 0…20°

для дизелей без наддува – 10…40°

Изменение температуры ΔT также зависит от скоростного

режима двигателя

ΔT = AT(110 – 0,0125n),                                (1.6)

где AT = ΔTN/(110 – 0,0125nN);   ΔTN и nN – соответственно температура подогрева и частота вращения коленчатого вала при номинальном режиме работы двигателя.

Давление в конце впуска pa (МПа) в двигателях без наддува

pa = p0 – Δpa,                                                (1.7)

в двигателях с наддувом

pa = pк – Δpa.                                                (1.8)

Давление в конце впуска определяет количество заряда, поступающего в цилиндр.

Потери давления Δpa (МПа) за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения для двигателей без

наддува

Δpa = (β2 + ξвп)(/2)ρ0·10-6,                               (1.9)

для двигателей с наддувом

Δpa = (β2 + ξвп)(/2)ρк·10-6,                               (1.10)

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξвп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению; Vвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане).

В расчетах параметры (β2 + ξвп) и Vвп назначаются на основании опытных данных. На номинальном режиме (β2 + ξвп) =

= 2,5…4,0 и Vвп = 50…130 м/с. Для двигателей с электронным впрыском значения (β2 + ξвп) принимаются пониженными в связи с отсутствием карбюратора.

Средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы

Vвп = Ann,                                                     (1.11)

где An = (Rπ2D2)/120fвп, n – частота вращения коленчатого вала, мин-1; R – радиус кривошипа, м; D – диаметр поршня, м;

λ= R/Lш – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

fвп – площадь наименьшего сечения впускной системы, м2.

С учетом формулы (1.11) потери давления в впускной системе равны

Δpa = (β2 + ξвп)(/2)ρ0·10-6.                                 (1.12)

У четырехтактных двигателей без наддува величина Δpa колеблется в пределах:

для двигателей с воспламенением от искры             (0,05…0,20)p0

для дизелей без наддува                                                 (0,03…0,18)p0

для четырехтактных двигателей с наддувом       (0,03…0,10)pк.

Температура в конце впуска Ta (K) определяется на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки a

Ta = (Tк+ΔT+γrTr)/(1+γr).                              (1.13)

У современных двигателей температура в конце впуска изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей                                           320…370 К

для дизелей                                                                               310…350 К

для четырехтактных двигателей с наддувом       320…400 К

Коэффициент остаточных газов γr характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γr уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей.

С учетом продувки и дозарядки цилиндра:

;                         (1.14)

без продувки и дозарядки (φоч = φдоз = 1)

,                                       (1.15)

где ε – степень сжатия.

Величина γr изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей без наддува                     0,04…0,10

для дизелей без наддува                                                        0,02…0,05

При наддуве величина коэффициента остаточных газов снижается.

Коэффициент наполнения ηV представляет собой отношение действительного количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды из которой поступает свежий заряд:

ηV = Gд/G0 = Vд/V0 = Mд/M0,                                  (1.16)

где Gд, Vд, Mд – действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска, соответственно в кг, м3, моль;

G0, V0, M0 – количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при р0 и Т0 (или при pк и Tк), соответственно в кг, м3, моль.

Для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозаправки цилиндра

.              (1.17)

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозаправки цилиндра (φоч = φдоз = 1)

.                           (1.18)

Значение коэффициента наполнения ηV для различных типов автомобильных и тракторных двигателей при работе их с полной нагрузкой изменяются в пределах:

для двигателей с электронным впрыском                        0,80…0,96

для карбюраторных двигателей                                          0,70…0,90

для дизелей без наддува                                                        0,80…0,94

для дизелей с наддувом                                                         0,80…0,97

 

Процесс сжатия

 

К параметрам процесса сжатия, определяющим состояние рабочего тела в характерных точках, относятся:

pc – давление в конце процесса сжатия;

Tc – температура в конце процесса сжатия.

Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнений политропы с постоянным показателем n1:

,                                                  (1.19)

.                                                 (1.20)

Учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015…0,005 с на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величину n1 можно оценить по среднему показателю адиабаты k1. Значение показателя адиабаты k1 выбирается по номограмме (рис. 1.2) для соответствующих значений ε и Ta.

Значение показателей политропы сжатия n1 в зависимости от k1 устанавливается в следующих пределах:

для бензиновых двигателей                           (k1 – 0,00)…(k1 – 0,04)

для дизелей                                                               (k1 + 0,00)…(k1 – 0,02)

В современных автомобильных и тракторных двигателях давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах:

для двигателей с электронным впрыском

Tc = 600…800 К;

pc = 1,0…2,5 МПа,

для карбюраторных двигателей

pc = 0,9…2,0 МПа

Tc = 600…800 К;

для быстроходных двигателей

без наддува

pc = 3,5…5,5 МПа Tc = 700…900 К