Расчет параметров газообмена четырехтактных двигателей

В четырехтактных двигателях есть значительно больше возможностей обеспечения необходимого время-сечения впуска и выпуска, чем в двухтактных. Но и в этом случае есть вопросы, на которые необходимо получить ответы еще во время проектирования.

К этим вопросам относятся:

- проверка перепада давления во впускных органах; при недостаточном время-сечении впуска возникает большая потеря давления во впускных клапанах и, несмотря на фазу дозарядки в начале сжатия, давление в цилиндре может быть ниже возможного, что снижает коэффициент избытка воздуха при сгорании;

- после НМТ цилиндр еще не разгружен от давления, начинается свободный выпуск, который сопровождается выполнением отрицательной работы; чем меньше будет эффективность разгрузки цилиндра в период опережения выпуска до НМТ, тем длительнее будет свободный выпуск и отрицательная работа. Таким образом, фаза опережения выпуска от момента открытия выпускного клапана до момента достижения НМТ и фаза свободного выпуска подлежат проверке так же, как и в двухтактных дизелях;

- после фазы свободного выпуска идет принужденный выпуск (выталкивание газов поршнем), во время которого повышенное давление в цилиндре увеличивает массу остаточных газов в камере сгорания, сокращает период продувки во время перекрытия клапанов, ухудшает качество очистки. Фаза принужденного выпуска требует проверки возникающего перепада давлений;

- один из важнейших периодов газообмена четырехтактных двигателей это процесс продувки камеры сгорания, во время которого необходимо проверить достаточность время-сечения выпускных и впускных клапанов для полного удаления остаточных газов и заполнения камеры свежим зарядом;

- последняя задача это проверка достаточности время-сечения дозарядки цилиндра. Недостаток время-сечения дозарядки снижает массу воздушного заряда, избыток время-сечения дозарядки – увеличивает долю потерянного хода поршня.

3.2.1. Выбор исходных данных

3.2.1.1. Диаметр цилиндра D_ц, м

3.2.1.2. Ход поршня S, м

3.2.1.3. Частота вращения коленчатого вала n, мин^-1

3.2.1.4. Степень сжатия ε

3.2.1.5. Давление надувочного воздуха p_s, МПа

3.2.1.6. Максимальное давление сгорания p_z, МПа

3.2.1.7. Максимальная температура газов при сгорании T_z, К

3.2.1.8. Температура наддувочного воздуха T_s, К

3.2.1.9. Температура начала сжатия T_a, К

3.2.1.10. Показатель политропы расширения газов в цилиндре n₂

3.2.1.11. Степень предварительного расширения ρ

3.2.1.12. Коэффициент наполнения цилиндра η_н

3.2.1.13. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна λ_ш

3.2.1.14. Количество выпускных и впускных клапанов i_вып , i_вп

3.2.1.15. Диаметр клапана d_кл, м

3.2.1.16. Ход клапана h_кл, м

3.2.1.17. Начало открытия выпускного клапана φ_b, 120 ⁰ПКВ после ВМТ

3.2.1.18. Угол открытия выпускного клапана, 290 ^оПКВ после ВМТ

3.2.1.19. Начало открытия впускного клапана, 302 ^оПКВ после ВМТ

3.2.1.20. Угол открытия впускного клапана, 278 ^оПКВ после ВМТ

3.2.1.21. Коэффициент расхода впускных клапанов μ_вп

3.2.1.22. Коэффициент расхода выпускных клапанов μ_вып

3.2.1.23. Угол фаски клапанов γ, град

В исходных данных численные значения пунктов 3.2.1.1 – 3.2.1.12 принимаются по результатам теплового расчета, остальные – из учебников и методических указаний / 12, 14, 15 /.

3.2.2. Расчет постоянных

3.2.2.1. Объем, описанный ходом поршня, м³

3.2.2.2. Доля потерянного хода до закрытия впускных клапанов

3.2.2.3. Объем камеры сжатия, м³

3.2.2.4. Объем цилиндра в точке «z» индикаторной диаграммы, м³

3.2.2.5.Объем цилиндра в момент начала открытия выпускного клапана,м³

3.2.2.6. Степень последующего расширения в точке «b»

3.2.2.7. Давление в начале выпуска, МПа

3.2.2.8. Температура в начале выпуска, К

3.2.2.9. Средний объем цилиндра за период от открытия выпускного клапана до НМТ (период предварения выпуска) , м³

3.2.2.10. Среднее абсолютное давление за цилиндром за период предварения выпуска, МПа

3.2.2.11. Площади диаграммы открытия клапанов (рис.3.2)

Рис. 3.2. Фазы газообмена четырехтактного двигателя

3.2.2.11.1. Предварение выпуска (от начала открытия выпускного клапана до НМТ) , см2

3.2.2.11.2. Принужденный выпуск (от НМТ до открытия впускного клапана) , см2

3.2.2.11.3. Продувка камеры сгорания по выпускному клапану (от открытия впускного клапана до ВМТ) , см2

3.2.2.11.4. Продувка камеры сгорания по выпускному клапану за ВМТ (от ВМТ до закрытия выпускного клапана) , см2

3.2.2.11.5. Продувка камеры сгорания по впускному клапану (от открытия впускного клапана до ВМТ) , см2

3.2.2.11.6. Впуск от ВМТ до НМТ по впускному клапану , см2

3.2.2.11.7. Дозарядка цилиндра по впускному клапану (от НМТ до закрытия впускного клапана) , см2

На рис. 3.2 изображены фазы открытия клапанов и ход клапанов для двигателя РС 2-5-400 с d_кл = 0,11 м и h_кл = 0,029 м. Если двигатель имеет другую размерность, то диаграмма перестраивается по правилу: фазы газообмена (углы ПКВ) остаются неизменными, а ординаты умножаются на коэффициент

после чего определяются вышеприведенные площади.

3.2.2.12. Масштабы диаграммы

, с/см

, см2/см

, м2∙ с/см2

здесь Δφ - количество ^оПКВ в 1 см диаграммы

h^m_кл - масштаб хода клапанов.

Площади и масштабы определяются по оригиналу диаграммы (на рис. 3.2 приведена уменьшенная копия диаграммы).

3.2.2.13. Располагаемое время-сечение

, м2 ∙с

, м2 ∙с

, м2 ∙с

, м2 ∙с

, м2 ∙с

, м2 ∙с

, м2 ∙с

3.2.3. Расчет параметров газообмена

3.2.3.1. Давление в цилиндре p_d в конце предварения выпуска (НМТ)

Для определения p_d необходимо знать давление за цилиндром. В двигателях с импульсным наддувом это давление переменное и растет от p_s до максимального давления в импульсе, которое по опытным данным достигает 1,6∙p_s. Для расчета принимается среднее значение за период предварения выпуска

которое определено выше

откуда находим давление p_d

3.2.3.2. Масса газа, покинувшая цилиндр за период предварения выпуска (до НМТ)

3.2.3.3. Функция истечения через выпускной клапан за период принужденного выпуска

Здесь р_ц - давление в цилиндре за период принужденного выпуска, МПа; изменяется от p_d до p_s и в расчете принимается его среднее значение

3.2.3.4. Отношение давлений за принужденный выпуск

среднее давление за цилиндром за период принужденного выпуска, МПа

3.2.3.5. Обьем цилиндра к моменту начала продувки ( φ = 302 ^оПКВ)

3.2.3.6. Температура остаточных газов

3.2.3.7. Масса газа к началу продувки

3.2.3.8. Средний обьем цилиндра за период продувки камеры сгорания

3.2.3.9. Функция истечения через впускные клапаны за период продувки

По полученному значению ψ _п.вп находим β _п.вп и давление в цилиндре в период продувки

3.2.3.10. Функция истечения через выпускные клапаны за период продувки

По ψ _п.вып находим β _п.вып , давление в выпускном коллекторе

В этой формуле р_ц берется из результатов предыдущего шага , а температура рассчитывается по формуле

Расчет продувки камеры сгорания может показать, проходит ли процесс эффективно, т.е. за половину фазы перекрытия клапанов в цилиндр и из цилиндра при нормальных перепадах давлений входит масса воздуха и выходит масса газа, равная массе остаточных газов в момент начала продувки и можно считать, что γ_г = 0.

3.2.3.11. Процесс наполнения

Масса воздуха, поступающего в цилиндр от ВМТ до НМТ определится через коэффициент наполнения, для расчета которого необходимо задаться отношением давлений

В первом приближении примем

3.2.3.12. Функция истечения за период наполнения

По ψ_вп находим β_вп и давление в конце впуска (НМТ)

3.2.4. Дозарядка цилиндра воздухом (фаза от НМТ до закрытия впускного клапана φ_а = 220 ^оПКВ от ВМТ)

Расчет производится аналогично расчету процесса потери заряда в двухтактном двигателе.

3.2.4.1. Обьем цилиндра в момент закрытия впускного клапана

3.2.4.2. Приращение обьема цилиндра от НМТ до φ_а

3.2.4.3.Приращение обьема за счет втекания свежего заряда через закрывающийся впускной клапан

3.2.4.4. Приращение давления в период дозарядки

3.2.4.5. Давление начала сжатия

(показатель адиабаты принимаем таким же, как и при расчете двухтактного двигателя на фазе потери заряда)

3.2.4.6. Массовая дозарядка цилиндра

3.2.4.7. Масса возможного свежего заряда в обьемеV_s

3.2.4.8. Масса свежего заряда в начале сжатия

3.2.4.9. Коэффициент наполнения цилиндра

Без учета дозарядки ранее была рассчитана величина η_н. Дозарядка возможно увеличит величину коэффициента наполнения, давление начала сжатия, массу воздушного заряда.

3.2.4.10. Дозарядка цилиндра

3.2.4.11. Увеличение давления предварительного сжатия в период закрытия впускных клапанов