Процессы действительных циклов
Процессы газообмена
Действительный цикл двигателя состоит из ряда последова-
тельных процессов, которые взаимосвязаны и зачастую перекры-
вают друг друга. В них происходит изменение количества и состава
рабочего тела, а также теплообмен между рабочим телом и дета-
лями, формирующими камеру сгорания.
Характеристика процессов газообмена. Газообменом называет-
ся совокупность процессов выпуска и впуска, обеспечивающих
смену рабочего тела. Качество очистки цилиндра от отработавших
газов и эффективность наполнения его свежим зарядом определя-
ют показатели рабочего процесса двигателя. В действительном цикле
начало и конец процессов газообмена (впуска и выпуска) не со-
ответствуют началу и концу тактов впуска и выпуска.
Процессы газообмена взаимосвязаны друг с другом и оказыва-
ют существенное влияние на другие процессы, происходящие в
действительном цикле. Например, создание направленного дви-
жения заряда в цилиндре путем профилирования и расположения
впускных каналов в головке цилиндров способствуют улучшению
смесеобразования и сгорания.
Для повышения эффективности газообмена необходимо обес-
печить возможно большую пропускную способность проходных
сечений клапанов/, с-м2, называемую «время—сечение». Графи-
чески она представляет площадь под кривой текущей площади
проходного сечения клапана между мертвыми точками в зависи-
мости от времени.
Работа газообмена (насосные потери) в двигателях без наддува
и при газотурбинном наддуве отрицательна. При применении при-
водного компрессора работа газообмена положительна, однако воз-
растают затраты его на привод.
Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта
расширения за 40...70° поворота коленчатого вала (ПКВ) до при-
хода поршня в НМТ (точка Ь' на рис. 1.2). При этом давление в
цилиндре двигателя без наддува составляет 0,4 ...0,6 МПа. Выпуск
отработавших газов вначале происходит со скоростью истечения
газов через клапанную щель 500... 700 м/с. В НМТ завершается пе-
риод свободного выпуска, в течение которого из цилиндра удаляет-
ся 50... 70 % отработавших газов.
При движении поршня от НМТ к ВМТ выпуск отработавших
газов происходит вытеснением поршнем — принудительный выпуск,
Рис. 3.1. Изменение давления в цилиндре (р),
Во впускном (рк) и выпускном (рр) каналах
при газообмене в четырехтактном двигателе:
а — выпуск; б — впуск; в — диаграмма фаз газо-
распределения (фвып — фаза выпуска; Фвп — фаза
впуска; <рп — перекрытие клапанов)
Характер изменения давления в цилиндре р ив канале голов-
ки цилиндров (за выпускным клапаном) рр в период выпуска
показан на рис. 3.1, а.
В начале выпуска из-за резкого изменения давления образуется
волна давления в системе выпуска, которая распространяется в
сторону открытого конца трубопровода. Здесь она отражается, те-
ряя часть энергии, и затем в виде волны разрежения перемещает-
ся в обратном направлении к выпускному клапану и снова отра-
жается, и т.д.
Момент начала выпуска (открытия выпускного клапана) вы-
бирают исходя из компромисса между необходимостью обеспече-
ния хорошей очистки цилиндра при минимальной затрате работы
на принудительный выпуск (желательно открывать раньше) и
уменьшения потерь полезной работы газов в период предварения
выпуска (желательно открывать позже).
ВМТ  |
| <Рвып |
| НМТ |
| вмтч1' ^ЗД пкв |
| г | — | т | |||||||||||
| л | |||||||||||||
| 1' | (Г | ||||||||||||
| ff | |||||||||||||
| А | ь | i | |||||||||||
| / | |||||||||||||
| р | л | л | * | ||||||||||
| и | \ | ■м | |||||||||||
| С| | S | ||||||||||||
| X |
| Фвп |
| мм 3 О |
| 680 0 40 80 120 160 "j^B1 |
Газообмен в период перекрытия (одновременного открытия) кла-
панов в области ВМТ (линия а'гЬ"на рис. 1.2) имеет свои особен-
ности. В двигателях без наддува для лучшей организации газообме-
на впускной клапан открывается за 10...30° ПКВ до прихода пор-
шня в ВМТ, а выпускной клапан закрывается после прохождения
поршнем ВМТ через 10...50° ПКВ. В двигателе с наддувом эти
углы увеличивают. Желательно, чтобы в этот период рк > р > рр.
Тогда через впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд,
а через выпускной удаляются отработавшие газы, т.е. происходит
продувка цилиндра, позволяющая обеспечить хорошую очистку
цилиндра от отработавших газов и увеличить поступление свеже-
го заряда в процессе впуска.
В двигателях с наддувом от приводного нагнетателярк >рр. При
газотурбинном наддуве давление на впуске рк может быть больше,
равно или меньше давления на выпуске рр.
В двигателях без наддува обычно/?к < рр. Однако при настройке
впускной и выпускной систем путем согласования волновых яв-
лений можно при перекрытии клапанов обеспечить рк > рр.
При р > рр часть свежего заряда может переместиться из ци-
линдра в выпускной трубопровод. К тому же при рр > рк отра-
ботавшие газы могут возвращаться в цилиндр, а смесь свежего
заряда и отработавших газов — во впускной трубопровод, т.е.
будет происходить обратное течение газов. Оно может возникать
в двигателе с искровым зажиганием на режимах холостого
хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта и при этом
Рр/Рк > 2.
Процесс впуска свежего заряда начинается во время пере-
крытия клапанов (рис. 3.1, б). При отсутствии наддува свежий
заряд поступает в цилиндр под действием разрежения при пе-
ремещении поршня к НМТ, а при наддуве он нагнетается в
цилиндр компрессором.
После начала открытия впускного клапана (точка А), когда
рк > р, начинается наполнение цилиндра свежим зарядом. Коли-
чество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя, опре-
деляется разностью между давлением окружающей среды или дав-
лением после компрессора и давлением в цилиндре р, которая
изменяется в процессе впуска.
После прохождения поршнем НМТ в ходе процесса сжатия
при условии рк > р впуск свежего заряда будет продолжаться до
момента рк =р (точка В). Эта фаза впуска называется дозарядкой.
Она обусловлена действием сил инерции и волновыми явления-
ми в системе впуска. В итоге впускной клапан закрывают после
прохождения поршнем НМТ через 35...85° ПКВ.
При малой частоте вращения инерция свежего заряда неболь-
шая, а время, отводимое на процесс впуска, велико. Поэтому при
р > рк происходит запаздывание закрытия впускного клапана и
поршень вытесняет часть заряда из цилиндра обратно во впуск-
ную систему, т. е. происходит обратный выброс.
В процессе впуска внутренние поверхности впускного трубо-
провода, канала в головке и камеры сгорания имеют температуру
больше, чем свежий заряд и нагревают его. Поэтому масса свеже-
го заряда уменьшается и наполнение цилиндра снижается.
Фазы газораспределения представляют собой периоды, выра-
женные в градусах утла поворота коленчатого вала относительно
ВМТ и НМТ, в течение которых клапаны открыты. Правильный
пыбор фаз улучшает очистку цилиндров от отработавших газов и
наполнение свежим зарядом, а также уменьшает потери энергии
па газообмен. На рис. 3.1, в показана круговая диаграмма фаз газо-
распределения.
Фазы газораспределения выбирают с учетом особенностей двига-
теля, его основных режимов работы и геометрических размеров впуск-
ного тракта. Неизменные фазы газораспределения выбирают для наи-
более важного диапазона скоростных режимов работы двигателя. Так,
двигатели с высокой частотой вращения имеют более широкие диа-
пазоны фаз газораспределения, чем малооборотные двигатели.
Для улучшения наполнения цилиндров свежим зарядом под-
бирают определенное сочетание фаз газораспределения и геомет-
рических размеров впускного тракта (в основном его длину), обес-
печивая этим динамический наддув двигателя.
Параметры процессов газообмена. В цилиндр двигателя поступа-
ет свежий заряд, который после завершения газообмена, смешива-
ясь с отработавшими газами, оставшимися в цилиндре после за-
крытия впускных и выпускных клапанов, образует рабочую смесь.
Условно будем считать, что свежий заряд поступает в цилиндр
и заполняет рабочий объем Vh, а остаточные газы — объем каме-
ры сгорания Vc.
Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания характери-
jyer коэффициент остаточных газов у — отношение количества
молей остаточных газов Мг к количеству молей свежего заряда
Л/1ц, заполнившего цилиндр после завершения процесса впуска:
у = Мг/ М|U.
Так как Vc = Vh/(e - 1), то с увеличением е уменьшается у.
Поэтому у дизелей у значительно меньше, чем у двигателей с
искровым зажиганием. В двухтактных двигателях у выше из-за ухуд-
шения процессов продувки и наполнения.
Качество процесса наполнения цилиндра свежим зарядом ха-
рактеризует коэффициент наполнения г\у — отношение действи-
тельного количества свежего заряда М1ц, заполнившего цилиндр
после завершения газообмена, к тому количеству свежего заряда
Мт, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем ци-
линдра Vh при атмосферных условиях р0, Т() (в четырехтактных
двигателях без наддува) или при рк, Тк (в четырехтактных двига-
телях с наддувом и двухтактных двигателях): Г|и= Мы/Му.
Для бензинового двигателя при определении г| кучитываюттоль-
ко воздух. Влияние топлива, содержащегося в смеси, на r| v не
существенно.
2 Пахламоа
| Таблица 3.1
|
В табл. 3.1 приведены статистические значения основных пара-
метров процессов газообмена при работе четырехтактных двига-
телей на номинальном режиме.
Влияние различных факторов на процессы газообмена. При рас-
смотрении влияния на показатели процессов газообмена различ-
ных факторов следу&т учитывать их взаимозависимрсть.
Сопротивление н^ впуске. С увеличением потерь давления на
впуске Ара снижаются давление ра, плотность свежего заряда в ци-
линдре и ксрффициент наполнения, а потери на газообмен воз-
растают.
Потери давления Ара прямо пропорционально зависят от со-
противления впускной системы и квадратично от скорости све-
жего заряда. В свою очередь, сопротивление впускной системы оп-
ределяется совокупностью сопротивлений впускного клапана, по-
воротов, местных сужений и шеррховатости поверхности трубо-
провода и каналов в головке, карбюратора и воздухоочистителя,
а также охладителя воздуха при наддуве. Сопротивление системы
впуска карбюраторных двигателей выше, чем у двигателей с впрыс-
киванием бензина ц дизелей.
В связи с тем, чго давление р9 влияет на г) к сильнее, чем рп
суммарное проходное сечение впускных клапанов делают боль-
ше, чем выпускных В двухклапа^ных двигателях диаметр впуск-
ного клапана обычно несколько больше выпускного. В настоящее
время традиционно^ соотношение количества впускных и выпус-
кных клапанов на один цилиндр 1:1 изменяется в сторону увели-
чения числа клапанов. С учетом условий компоновки применяют
соотношения 2:2; 2:1 и реже 3:1. Это позволяет увеличить суммар-
ное проходное сечение клапанов.
Для организации направленного интенсивного вихревого дви-
жения заряда в цилиндре впускным каналам в щловке придают
специальную винтрвую или тангенциальную форму, в них уста-
навливают дополнительные направляющие пластины или заслон-
ки, При этом сопротивление каналов несколько возрастает.
Дроссельная заслонка изменяет гидравлическое сопротивле-
ние впускной системы и обеспечивает количественное регулиро-
вание (увеличение) нагрузки путем снижения т^от 0,75...0,8 до
0,15...0,25. При этом значительно растут насосные потери.
В процессе эксплуатации двигателя необходимо контролиро-
вать степень загрязнения воздухоочистителя, зазоры в приводе
впускных клапанов и износ кулачков распределительного вали-
ка. Нарушение условий эксплуатации приводит к увеличению со-
противления на впуске и уменьшению параметра «время — сече-
ние» впускных клапанов, что вызывает снижение мощности дви-
I ателя.
Сопротивление на выпуске складывается из сопротивлений в
клапанной щели, выпускного тракта, глушителя, нейтрализато-
ра, турбины турбокомпрессора и трубопроводов.
Рост сопротивления на выпуске приводит к увеличению рабо-
'ы газообмена. Поэтому в эксплуатации следует проверять и регу-
лировать зазоры, степень загрязнения глушителя и нейтрализато-
ра ртработавших газрв. Температура на выпуске Тквлияет на цу
незначительно.
Режимы работы. Изменение r\ v двигателя с искровым зажига-
нием и дизеля при работе по нагрузочной характеристике (при по-
стоянной частоте вращения) имеет неодинаковый характер
(рис. 3.2, а). Это обусловлено принятыми у этих двигателей прин-
ципиально различными способами регулирования мощности.
Э двигателе с искровым зажиганием мощность изменяется по-
воротом дроссельной заслонки, которая уменьшает или увеличи-
вает гидравлическое сопротивление на впуске. Увеличение нагрузки
сопровождается ростом давления во впускной системе и в цилин-
дре, а также уменьшением подогрева свежего заряда дГ. При этом
доля остаточных тазов по отношению к свежему заряду уменьша-
ется, коэффициент остаточных газов снижается, а коэффициент
наполнения увеличивается.
Ц дизеле мощность увеличивается путем впрыскивания в ци-
линдры большего количества топлива. В связи с этим растет тем-
пература деталей двигателя, что приводит к увеличению подогре-
ва свежего заряда А 7 и небольшому снижению коэффициента на-
полнения.
При работе двигащелей по скоростной характеристике (при пол-
ной нагрузке) характер изменения ц v Для обоих типов двигателей
одинаков (рис. 3».2, б).
В области малых частот вращения из-за запаздывания закрытия
впускного клапана происходит обратный выброс заряда из ци-
линдра во впускную систему. По мере роста частоты вращения
обратный выброс снижается, ц затем растет дозарядка Также умень-
шается подогрев заряда AT. Все это способствует увеличению пк.
После достижения максимума снижается в силу того, что с
Рис. 3 2. Зависимость коэффициента наполнения Г) у от нагрузки (а)
и частоты вращения коленчатого вала при полной нагрузке (б):
1 — дизель. 2 — двигатель с искровым зажиганием
ростом частоты вращения увеличивается скорость заряда во впуск-
ной системе и, следовательно, потери давления на впуске Ара.
Атмосферные условия. Повышение атмосферногр давления pQ
практически не влияет на значение T]j/. Увеличение температуры
Т0 вызывает рост Г|г, однако при этом существенно снижается
плотность воздуха рв. Поэтому массовое наполнение цилиндра и
мощность мржет и не увеличиваться.
Наддув. При наддуве в четырехтактном ДВС воздух или топли-
вовоздушная смесь нагнетается в цилиндр компрессором, а не
под воздействием разрежения, как в двигателе без наддува. При
установке во впускнрй системе охладителя наддувочного воздуха
после компрессора ее сопротивление возрастает, Hq при этом ра-
стет массовое наполнение цилиндра.
Основные тенденции развития систем газообмена. Системы га-
зообмена автомобильных двигателей совершенствуются в следую-
щие направлениях:
переход от традиционных двухклапанных конструкций к много-
клапанным (трех-, четырех- и пятиклапанным);
широкое применение наддува в дизелях и постепенное внедре-
ние его в двигателях с искровым зажиганием;
установка нейтрализаторов в целях соответствия отработавших
газрв требованиям по токсичности; это приводит к некоторому
рос гу гидравлического сопротивления выпускной системы (также
ее сопротивление увеличивается при использовании турбоком-
прерсора);
использование в механизмах газораспределения устройств для
управления фазами газораспределения и изменения высоты и за-
кона подъема клапанов.
| Пк 0,8 0,6 0,4 |
| 1 / | |||||||||
| ** | JL, | ||||||||
| т- | |||||||||
| X | \ 2 | Г— | |||||||
| Г\у 0,90 0,850,80 0,75 |
| 1500 2000 2500 n, мин""1 |
| „ ^ | |||||||
| и | 2 |
| 20 30 40 50 60 70 80 Ne,% a |
В настоящее время появились механизмы газораспределения,
позволяющие управлять процессом газообмена, изменяя фазы га-
зораспределения и закон подъема клапана в зависимости от ре-
жима работы двигателя. Данные технические решения позволяют
улучшить энергетические, экономические и экологические пока-
затели двигателей.
При высокой частоте вращения позднее закрытие впускного кла-
пана используют при динамическом наддуве для увеличения кру-
тящего момента двигателя. На малой частоте вращения раннее за-
крытие впускного клапана уменьшает обратный выброс и увели-
чивает наполнение цилиндра и, следовательно, крутящий момент.
Применяя переменные фазы газораспределения для разных час-
тот вращения коленчатого вала, можно увеличить кругящий мо-
мент на низких частотах до 10 %, а на высоких — до 5 %.
Изменяя начало впуска, можно уменьшить образование в ци-
линдре оксидов азота до 40 % и углеводородов до 10 %. ряде слу-
чаев увеличение опережения открытия впускного клапана приво-
дит к росту поступления отрабртавших газов во впускную систе-
му, что обеспечит уменьшение образования оксидов азота.
Количественное регулирование нагрузки путем изменения па-
раметра «время— сечение» впускного клапана позволяет отказаться
or дроссельной заслонки. Уменьшение нагрузки обеспечивается
ранним закрытием впускного клапана на такте впуска При этом
уменьшаются насосные потери на газообмен, а экономичность на
малых нагрузках улучшается до 20 %.
Уменьшение действительно^ степени сжатия путем позднего
закрытия впускного клапана позволяет избежать детонации при
Надцуэе в двигателях с искровым зажиганием.
 Рис. 3-3. Система управления наполнением при динамическом наддуве: а — принципиальная схема управления; б — изменение коэффициента наполне- ния для различных состояний системц; 1 — воздухоочиститель; 2 — резонатрр; 3 — впускной клапан; 4 — заслонка |
| б |
Возможны варианты, когда на большой нагрузке при высокрй
частоте вращения работают все впускные клапаны, ^ на малых
отключается один из них.
Управление процессами газообмена возможно с помощью элек-
тромеханической системы, которая позволяет отключать отдель-
ные цилиндры при работе двигателя на малых и средних нагрузках,
что обеспечивает существенную экономию топлива.
С ростом частоты вращения коленчатого вала, кроме расщире-
ния фаз газораспределения, целесообразно для интенсификации
динамического наддува настраивать впускную систему путем умень-
шения длины впускного тракта. При определенном сочетании фаз
газораспределения и длины впускного тракта можно повысить
значения r| ^ до 1,05... 1,08.
На рис. 3.3, а приведена схема системы впуска, позволяющая
изменять длину впускного тракта с помощью заслонки 4 И зави-
симости от скоростного режима работы. При работе на малых и
средних частотах вращения коленчатого вала заслонка открывает
длинный канал, а на высоких — короткий. На рис 3.3, б показа-
но, как при этом изменяется
Процесс сжатия
Сжатие свежего заряда в цилиндрах двигателя необходимо для
увеличения температурного перепада, при котором осуществля-
ется действительный цикл, и улучшения условий воспламенения
и горения топлива. В результате повышается работа газов при рас-
ширении продуктов сгорания и улучшается экономичности рабо-
чего процесса.
Сжатие осуществляется при движении поршня от НМТ к ВМТ
после закрытия впускного клапана и сопровождается теплообме-
ном. |В начале теплота передается рабочему заряду от более нагре-
тых сгенок цилиндра и камеры сгорания, а затем по мере движе-
ния поршня к ВМТ, начинает передаваться от заряда к окружаю-
щим его деталям.
Процесс сжатия можно представить политропным процессом
со средним постоянным для него показателем политропы ц \. Тог-
да значения давления и температуры в конце сжатия можно опре-
делить по формулам:
| \а> |
| v<) |
(К
Ре = Л.
Из уравнений следует, что давление и температура в конце
сжатия (рс и Тс) пропорциональны параметрам начала сжатия
(ра и Та) и степени сжатия. С увеличением степени сжатия повы-
шается теплоиспользование, т.е. растет индикаторный КПД.
В двигателе с искровым зажиганием при повышении степени
сжатия необходимо увеличивать октановое число бензина. Если
| Таблица 3.2 |