Процесс наполнения и его параметры.

Лекция 4

Процессы действительных циклов и их характеристика.

Введение

В действительном рабочем цикле необходимо осуществлять следующие процессы наполнение цилиндра горючей смесью (или воздухом); сжатие, что повышает ее внутреннюю энергию и создает благоприятные термодинамические условия протекания последующих процессов; сгорание с выделением тепла; расширение продуктов сгорания, когда тепловая энергия преобразуется в работу; выпуск отработавших .газов, при котором оставшееся тепло удаляется в окружающую среду и цилиндр подготавливается для совершения очередного цикла. Следовательно, в действительном цикле, кроме основных термодинамических процессов — сжатия, подвода тепла (сгорания) и расширения,

должны осуществляться вспомогательные процессы газообмена — наполнение и выпуск.

Мощностные и экономические показатели работы двигателей в значительной мере зависят от организации и характера протекания рабочих циклов в целом и отдельных процессов цикла в частности

1. Процессы наполнения и его параметры.

2. Процесс сжатия и его параметры.

3. Процесс сгорания в двигателе с принудительным воспламенением и факторы его определяющие.

4. Процесс сгорания в двигателе с самовоспламенением и факторы его определяющие.

5. Виды нарушений процесса сгорания и факторы его определяющие.

6. Процесс расширения и его параметры.

7. Процесс выпуска и его параметры.

ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ.

В процессе наполнения цилиндры дви­гателя заполняются горючей смесью (или только воздухом - в дизелях).

Наполнение цилиндра свежим заря­дом является хотя и вспомогательным, но очень важным процессом. Чем больше масса свежего заряда, тем больше и мощность двигателя. Наполнение четырехтактного двигателя включает три периода: предварение впуска, ос­новной впуск и запаздывание впуска (дозарядка).

Рис.21.Диаграмма процесса наполнения четырехтактного двигателя.

Предварение впуска начина­ется с момента открытия впускного кла­пана (точка 1), т.е. с опережением на угол 10—30° поворота коленчатого вала до прихода поршня в в. м. т. и заканчивается в в. м. т.

В этот период впускной клапан только начинает подниматься, образуя узкую щель, сопротивление которой достаточ­но, чтобы через нее не мог вытечь из ци­линдра значительный объем остаточных газов от предыдущего цикла. Этот период впуска предусматривается в двигателе для того, чтобы подготовить быстрый подъем клапана, а значит, и быстрое увеличение проходного сечения к мо­менту начала опускания поршня после в. м. т.

Основной впуск осуществляет­ся в период движения поршня от в. м. т. до н. м. т. такта наполнения. В этот период в цилиндр поступает 85—90 % свежего заряда.

Запаздывание впуска начи­нается с момента прохождения поршнем н. м. т. и оканчивается в момент закры­тия впускного клапана (точка 2), т. е. при п. к. в. на 40—80° после н. м. т. Свежий заряд в этот период продолжа­ет поступать в цилиндр либо за счет имеющегося в нем разрежения (до точки 1), либо за счет созданного в основной период скоростного напора во впускном тракте, т. е. за счет собственной инерции (участок ). При ма­лой частоте вращения коленчатого вала двигателя (например, при пуске) инер­ция движения свежего заряда во впуск­ном тракте незначительна, поэтому в период запаздывания впуска может произойти обратный выброс свежего заряда из цилиндра. Таким образом, при разной частоте вращения коленча­того вала в период запаздывания впус­ка имеет место либо только дозарядка цилиндра, либо дозарядка, переходя­щая на участке f — 2 в обратный выброс.

Количество свежего заряда, поступа­ющего в цилиндры двигателя в процес­се наполнения, зависит от ряда факто­ров, основными из которых являются: аэродинамическое сопротивление систем впуска и выпуска; недогрев свеже­го заряда в период наполнения; количество остаточных газов от предыдуще­го цикла и др.

Разрежение в цилиндре двигателя, вызванное сопротивлением впускной си­стемы, , откуда , где - давление во впускном такте; - давление в цилиндре в конце наполнения.

Поскольку масса поступившего в ци­линдр свежего заряда пропорциональна его плотности, необходимо стремиться к увеличению , для чего применяют наддув двигателя. Другим путем увели­чения давления впуска является умень­шение сопротивления во впускной си­стеме, т. е. уменьшение . Это до­стигается как конструктивными прие­мами (уменьшением длины всасывающего тракта и количества его изгибов, увеличением площади проходного сече­ния впускного клапана, уменьшением шероховатости поверхности впускной системы, выбором эффективных фаз га­зораспределения), так и эксплуатаци­онными (своевременной очисткой воз­душных фильтров и карбюратора от загрязнений, впускных клапанов от на­гара, поддержанием правильного зазо­ра в приводе впускного клапана и пр.).

Температура в процессе наполнения.

Температура смеси в процессе напол­нения непрерывно повышается, являясь функцией количества теплоты, внесен­ной в цилиндр вместе со свежим заря­дом, количества теплоты, полученной свежим зарядом в процессе наполне­ния от нагретых поверхностей цилиндра и камеры сгорания, и количества теплоты в остаточных газах.

Подогрев свежего заряда от темпе­ратуры до зависит от нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и условий охлаждения. Так, увеличение нагрузки повышает температуру поверхностей поршня и цилиндра, увеличивая приток тепла к свежему заряду, а повышение частоты враще­ния уменьшает его вследствие сокращения времени контакта с нагретыми поверхностями.

Одновременно свежий заряд с темпе­ратурой воспринимает часть теплоты отработавших газов, имеющих более высокую температуру. Подогрев при смешении свежего заряда с отработавшими газами зависит от их тем­пературы и количества, характеризуе­мого безразмерным коэффициентом остаточных газов .

Очевидно, что растет с повыше­нием давления остаточных газов и с увеличением объема камеры сжатия, т. е. с уменьшением .

Обычно в четырехтактных карбюраторных двигателях ; в четырехтактных ди­зелях - ; в двухтактных карбюратор­ных двигателях с поперечно-щелевой кривошипно-камерной продувкой - ; в двухтактных дизелях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой - .

Температура рабочей смеси в конце процесса наполнения для карбюраторных двигателей со­ставляет К; для четырехтактных дизелей - К; для двухтактных двигателей - К. [2]

Коэффициент наполнения.

Совершенство процесса наполнения оценивается коэффициентом наполнения, представляющим отношение дей­ствительной массы поступившего в ци­линдр свежего заряда к теоретически возможной:

.

Коэффициент наполнения увеличивается с повышением и уменьшением , , , , причем основное влияние на него оказывает давление в конце впуска . Так, изменение на 10 % приводит к изменению на 15%, а изменение на 10% - только на 1-2%. Поэтому при эксплуатации двигателя следует стремиться, чтобы было по возможности меньшим.

В карбюраторных двигателях, где изменение нагрузки (при скоростном постоянном режиме) достигается изменением положения дроссельной заслонки, коэффициент наполнения наибольший, когда дроссельная заслонка полностью открыта. Прикрытие дросселя увеличивает сопротивление, а следовательно, уменьшает и .

Рост понижает коэффициент напол­нения вследствие уменьшения плотно­сти свежего заряда.

Для более быстрого пуска дизеля при низкой температуре окружающей среды иногда специально подогревают воздух на впуске. При этом повы­шается температура заряда к концу процесса сжатия, что необходимо для самовоспламенения топлива.

В некоторых конструкциях карбюра­торных двигателей предусматривается дополнительный подогрев горючей сме­си во впускном трубопроводе. Это необ­ходимо потому, что в карбюраторных двигателях в отличие от дизелей во впускном тракте происходит испарение топлива, т. е. подготовка его к сгора­нию, и на это расходуется некоторая часть теплоты. Однако чрезмерный по­догрев свежего заряда на впуске при­водит к неоправданному повышению и снижению коэффициента напол­нения.

Кроме рассмотренных выше парамет­ров, на влияют: частота вращения коленчатого вала двигателя, фазы газораспределения и др. Так, если частота вращения коленчатого вала двигате­ля увеличивается, то сначала по­вышается, а затем снижается. Это вы­звано влиянием ряда факторов, связан­ных с изменением частоты вращения: длительности теплообмена между све­жим зарядом и нагретыми стенками, повышения температуры стенок, изме­нения сопротивления во впускном и вы­пускном трактах и др.

Периодическое открытие и закрытие клапанов вызывает колебательное дви­жение газов во впускной системе, что значительно повышает сопротивление их движению и, следовательно, изменя­ет . Влияние этого фактора может быть значительно уменьшено подбором оптимальной длины трубопроводов и фаз газораспределения.

Коэффициент наполнения в существующих автотракторных двигателях при номинальном режиме работы составляет: для карбюраторных двигателей с верхним расположением клапанов - 0,75-0,85, для карбюраторных двигателей с нижним расположением клапанов - 0,7-0,75, для дизелей - 0,75-0,9.