Процесс впуска в двигателях внутреннего сгорания
Лекция
«Процесс
впуска в двигателях внутреннего сгорания»
План
1.
Особенности процесса впуска действительного цикла
.
Коэффициент наполнение двигателей
.
Влияние различных факторов на наполнение двигателей
.
Давление и температура в конце впуска
.
Коэффициент остаточных газов и факторы, определяющие его величину
Заключение
1. Особенности процесса впуска действительного
цикла
Процесс впуска свежего заряда в двигатель
является первым тактом рабочего цикла. В начале данного такта поршень находится
в положении, близком к ВМТ. Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от
предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. Впуск
начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10°...30° до ВМТ. В
начальный момент впуска впускной клапан только начинает открываться и впускное
отверстие представляет собой круглую узкую щель высотой в несколько десятых
долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в
цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия
необходимо для того, чтобы к моменту начала опускания поршня после прохода им
ВМТ оно было бы открыто возможно больше и не затрудняло бы поступления воздуха
или смеси в цилиндр. При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки)
шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью
открывает впускной клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра
двигателя с впускным трубопроводом. При этом вследствие сопротивления впускной
системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0,01...0,03 МПа
меньше давления во впускном трубопроводе.
Такт впуска состоит из впуска газов,
происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при
замедлении его движения.
Впуск при ускорении движения поршня начинается в
момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем
максимальной скорости (приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ). В
начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в
цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся
в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре
падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во
впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает
проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем,
освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно
увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на
80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая
смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.
Впуск при замедленном движении поршня начинается
с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается в НМТ, когда
скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или
воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не
равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух)
поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем,
а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно
повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубопроводе.
Давление во впускном трубопроводе может быть
близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от
степени наддува (0.13-0.45 МПа в двигателях с наддувом).
Впуск окончится в момент закрытия впускного
отверстия (40...60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит
при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в
цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее
созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения
струи в цилиндр.
При малых числах оборотов вала, например при
пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью
отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси
(или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.
При средних числах оборотов инерция газов
больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по
мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка
может перейти в обратный выброс.
При больших числах оборотов сила инерции газов
во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная
дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает.
В процессе впуска свежего заряда в двигатель
имеют место следующие особенности: впуск двигатель поршень
. Наличие теплообмена поступающего свежего
заряда с отдельными деталями двигателя, в результате которого температура
заряда повышается.
. Возникновение гидравлических сопротивлений на
всасывании вследствие больших скоростей свежего заряда, приводящим к ухудшению
заполнения им рабочего объема цилиндров.
. Наличие смешивания поступающего заряда с
остаточными газами, занимающие объем камеры сгорания.
Эти особенности не позволяют осуществить полного
заполнения свежим зарядом рабочего объема цилиндров двигателя. Следовательно,
заполнение цилиндров будет всегда неполным.
. Коэффициент наполнение двигателей
Для сравнения совершенства процесса впуска
различных двигателей вводится коэффициент наполнения двигателя. Коэффициент
наполнения hv равен отношению количества свежего заряда,
действительно поступившего в цилиндры двигателя, к тому количеству свежего
заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндров при давлении и
температуре окружающего воздуха. Для дизельных двигателей свежим зарядом является
воздух, для бензиновых - топливовоздушная смесь.
Согласно определения 
Уравнение коэффициента наполнения
можно вывести из баланса тепла, находящегося в точке а.
, (7)
где: Qa, Qr и Qo - соответственно
теплосодержание газовой смеси в точке а, остаточных газов и свежепоступившего
заряда.
Подставляя из выражения 
, получаем:
Или
,
где: 
- температура свежего заряда,
подогретого за счет теплообмена с деталями двигателя. Для современных
двигателей 
Из характеристического уравнения 
имеем:
Допуская равенство отношений 
, получаем:
Деля обе части уравнения на vc и
заменяя 
равным e и 
равным e = 1, получаем:
,
отсюда:
(8)
Для современных быстроходных
двигателей в связи с тем, что за период от нижней мертвой точки до момента
закрытия впускного клапана возможна дозарядка свежим зарядом, вводится
коэффициент дозарядки j1. Поэтому
уточненное уравнение hv имеет
следующий вид:
(9)
Максимальные значения коэффициентов
наполнения четырехтактных двигателей без наддува для бензиновых двигателей hv = 0,65-0,85, для дизелей hv = 0,7-0,9.
. Влияние различных факторов на
коэффициент наполнение двигателей
Давление в конце впуска. Его влияние
определяется прямолинейной зависимостью. Чем больше pa , тем значение hv выше, что видно на
соответствующем графике (рис. 14). В свою очередь давление в конце впуска
определяется величиной гидравлических сопротивлений на всасывании, а для
бензиновых двигателей и степенью открытия дроссельной заслонки.
Рисунок 14.
Давление остаточных газов. Его
влияние определяется графиком (рис. 15).
Рисунок 15.
Увеличение pr уменьшает коэффициент
наполнения вследствие возрастания доли остаточных газов в свежепоступившем
заряде. Давление pr оказывает меньшее влияние на hv , чем давление ра.
Подогрев заряда. Влияние подогрева
заряда на hv имеет
обратную зависимость, что показано на рис. 16. Для увеличения наполнения
необходимо организовывать как можно меньший подогрев свежего заряда.
Рисунок 16.
Частота вращения коленчатого вала
двигателя. На коэффициент наполнения скоростной режим работы двигателя влияет
через величины pa , pr и 
. Поэтому
необходимо рассмотреть график изменения этих величин от частоты вращения
коленчатого вала двигателя (рис. 17).
Рисунок 17.
Характер изменения pa и pr
определяется возрастанием гидравлических потерь на впуске и выпуске при
увеличении скоростного режима. Подогрев смеси снижается вследствие уменьшения
времени, в течение которого происходит теплообмен. Изменение hv от скоростного режима
двигателя показано на рис. 18.
Рисунок 18.
Прогрессивное уменьшение hv по мере возрастания n
объясняется в основном все увеличивающимися гидравлическими потерями на впуске
и выпуске, которые пропорциональны квадрату скорости движения газов во
всасывающем и выпускном трубопроводах. Некоторое снижение hv на низкой частоте вращения
коленчатого вала двигателя объясняется повышенным подогревом поступающего
заряда, а также постоянством фаз газораспределения; выбранных для более высоких
рабочих оборотов двигателя. На малом скоростном режиме эти фазы не
соответствуют данной частоте вращения коленчатого вала двигателя, что приводит
к уменьшению hv из-за
частичной утечки заряда в конце впуска обратно во впускную систему.
Нагрузка двигателя. Изменение
нагрузки для бензиновых двигателей
Достигается за счет воздействия на
положение дроссельной заслонки, влияющего на гидравлическое сопротивление на
впуске. Зависимость изменения коэффициента hv
от нагрузки аналогична влиянию на него давления в конце впуска pa. В дизельных
двигателях увеличение нагрузки несколько снижает hv вследствие увеличения подогрева , которое
получается от возросших цикловых подач топлива на больших нагрузках.
Наддув двигателя. Наддув двигателя
осуществляет наиболее сильное влияние на увеличение коэффициента наполнения.
При применении наддува давление pa значительно повышается и соответственно
возрастает hv.
Коэффициент наполнения в этом случае может превышать значение единицы. В
последнее время в практике двигателестроения широко стал применяться наиболее
эффективный газотурбинный наддув.
. Давление и температура в конце
впуска
Величину давления газов в конце
впуска в двигателях определяют из выражения коэффициента наполнения. В
окончательном виде pa определяется как следующая зависимость:
(10)
Температура газов в конце впуска
находится из выражения количества газов в цилиндре в конце такта всасывания
Или
Подставляя из характеристических
уравнений, получим:
.
Допуская равенство газовых постоянных Ra, Rr и
Ro и деля обе части уравнения на vc, получаем:
Из этого уравнения определяем Та:
(11)
Максимальные значения Та:
для бензиновых двигателей 340-400оК;
для дизелей 310-360оК.
В процессе выпуска удалить полностью
остаточные газы не удается, они занимают некоторый объем и, смешиваясь со
свежим зарядом, уменьшают наполнение цилиндров. При рассмотрении процесса
впуска обращаются к другому коэффициенту - коэффициенту остаточных газов g.
. Коэффициент остаточных газов и
факторы, определяющие его величину
Коэффициент остаточных газов
представляет собой отношение числа молей остаточных газов к числу молей
свежепоступившего заряда.
(12)
или при допущении, что Ro = Rr
имеем: 
, подставляя
из характеристических уравнений, получаем:
(13)
Минимальные значения g
для бензиновых двигателей 0,07-0,10;
для дизелей 0,03-0,05.
Как видно из выражения, g изменяется пропорционально
давлению остаточных газов и обратно пропорционален величинам g и hv. Влияние на коэффициент
остаточных газов скоростного режима можно видеть на рис. 19. Прогрессивное
увеличение g объясняется
возрастающими гидравлическими сопротивлениями на выпуске и впуске, что
увеличивает pr и уменьшает hv.
Рисунок 19.
В бензиновых двигателях большое
влияние на g оказывает
нагрузка. Ее увеличение уменьшает значение g.
В дизелях коэффициент остаточных газов от нагрузки почти не изменяется.
Заключение
Основным показателем, характеризующим процесс
всасывания, является коэффициент наполнения, увеличение которого приводит к
повышению эффективности работы двигателя. Величина коэффициента наполнения в
основном определяется давлениями на впуске и выпуске, подогревом свежего заряда,
скоростным и нагрузочными режимами работы двигателя, применением наддува и
другими факторами.
Важным показателем двигателя, по которому
производят оценку качества удаления отработавших газов из цилиндров, является
другой коэффициент - коэффициент остаточных газов. Для улучшения работы
двигателя его значение стремятся уменьшить.