Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

168

 При значениях углов поворота кривошипа, соответст-

вующих максимальной эффективной площади проходных сече-

ний органов газораспределения, значения функции () должно

быть равным 1.

 Функция должна быть непрерывной.

 Максимальное отклонение расчетных значений f от

действительных не должно превышать 5 %.

Этим требованиям на участках подъема и закрытия клапана

отвечают, например, тригонометрические функции:

































по

но

cos15,0

; (5.28)



































пз

нз

cos15,0 ; (5.29)

или функции:





















по

но

; (5.30)























пз

нз

; (5.31)

где  – текущее значение угла поворота кривошипа; 

но

, 

нз

–

углы поворота кривошипа, соответствующие моментам начала

открытия и закрытия органов газораспределения; 

по

, 

пз

– про-

должительность открытия и закрытия органов газораспределения

в градусах поворота кривошипа по профилю кулачка распредели-

тельного вала с учетом величины зазора;  – поправка в граду-

сах ПКВ продолжительности открытия и закрытия клапана; a, b –

постоянные коэффициенты, подбираемые для каждого конкрет-

ного двигателя по значениям 

по

и 

пз

Первые две функции (5.28) и (5.29) в примере, представленном на

рис. 5.18, при 

по

= 

пз

= 108 и  = 0 ПКВ имеют несколько за-

вышенные отклонения значений f от действительных. Если вве-

сти поправку на продолжительность открытия и закрытия впуск-

ного клапана  = –15 ПКВ (увеличить продолжительность вы-

стоя клапана на 30 ПКВ) максимальные отклонения значений

169

функций (5.28) и (5.29) от действительных значений эффективной

площади проходных сечений не превышают 1–2 %. Примерно с

той же точностью изменение f в зависимости от угла поворота

кривошипа может быть представлено с помощью функций (5.30)

и (5.31) при значениях  = –15 ПКВ, а = –6,9 и b  4.

В случае окон в стенке цилиндра площадь проходных сече-

ний окон определяется в зависимости от угла поворота кривоши-

па зависимостями (5.7)–(5.12). Значения же коэффициентов рас-

хода могут быть приняты неизменными как для выпускных, так и

впускных окон, поскольку их изменение в зависимости от высоты

окна h, открытого поршнем, относительно невелико (рис. 5.17;



= 

 0.85).

Контрольные вопросы и задания

1. Какие требования предъявляются к механизмам привода

клапанов?

2. Типы механизмов привода клапанов.





н.о





ПКВ

Рисунок 5.18 – Изменение эффективной площади проходного сечения

впускного клапана 

в зависимости от угла поворота

кривошипа дизеля 4ЧН12/14 (СМД-14):

0 – действительные значения; 1, 2 и 1, 2 – значения 

при использо-

вании тригонометрических функций 

и 

 (1, 1 – 

по

= 

пз

= 108 и

 = 0ПКВ; 2, 2 – 

по

= 

пз

= 108 и  = –15ПКВ)

170

3. Как определяется площадь проходного сечения клапана?

4. Как определяется площадь проходных сечений окон в

стенке цилиндра?

5. Объясните следующие понятия:

 коэффициент сужения потока;

 скоростной коэффициент;

 коэффициенты расхода клапанов и окон;

 эффективная площадь проходных сечений клапанов;

 эффективная площадь проходных сечений окон.

6. Как определяются коэффициенты расхода органов газо-

распределения?

7. Какие факторы влияют на изменение коэффициента рас-

хода клапана в зависимости от высоты подъема клапана?

Список литературы к главе 5

1. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего

сгорания. – К. – М.: Машгиз, 1950. – 476 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и

комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко,

В.И. Ивин, М.Г. Круглов и др. – Под ред. А.С. Орлина, М.Г.

Круглова. – 4-е изд. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.

3. Дьяченко В.Г. Газообмен в двигателях внутреннего сго-

рания: Учеб. пособие. – К.: УМК ВО, 1989. – 202 с.

4. Дизели. Справочник. – 3-е. изд. – Л.: Машиностроение,

1977. – 480 с.

171

Глава 6

ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ЧЕТЫРЁХТАКТНЫХ

ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Газообмен в двигателях внутреннего сгорания отличается

сложностью процессов массообмена и теплообмена в надпорш-

невой полости, газодинамических процессов во впускной и вы-

пускной системах. Строгое математическое описание этих про-

цессов с учётом всех сложных взаимосвязей параметров конст-

рукции, режима работы с параметрами рабочего тела в газовоз-

душных системах и в цилиндре двигателя и сегодня представляет

еще значительные трудности. Поэтому в практике создания дви-

гателей предпочтение отдается экспериментальным методам оп-

тимизации параметров газовоздушных систем.

Экспериментальные методы оптимизации параметров кон-

струкции и рабочих процессов двигателя не лишены и ряда не-

достатков, к которым следует отнести, прежде всего, большую их

трудоемкость, значительные затраты времени и материальных

средств. Не исключается при этом возможность повторения оши-

бок в выборе параметров конструкции и рабочих процессов, дру-

гих недостатков прототипа, по которому принимались значения

исходных параметров проектируемого двигателя. Оптимизация

параметров конструкции и рабочих процессов исходной модели

двигателя, не говоря уже об её модификациях, при этом продол-

жается, как правило, на протяжении всего периода его произ-

водства.

Применение расчетно-экспериментальных методов на базе

современной вычислительной техники позволяет большинство

практических задач оптимизации параметров газовоздушных

трактов двигателя решить на стадии проектирования, существен-

но сократить сроки и затраты материальных средств на доводку

исходной модели двигателя и её модификаций [1,2,3]. Экспери-

ментальные данные, зависимости позволяют несколько упро-

стить математические модели процессов газообмена, исключить

из модели некоторые параметры конструкции, процессы, которые

не оказывают существенного влияния на изменение параметров

рабочего тела и конечные показатели газообмена.

172

Расчетно-экспериментальные методы также имеют недос-

татки. Методы не универсальны, позволяют решать с достаточ-

ной точностью задачи оптимизации параметров конструкции га-

зовоздушных систем только определённого типа, требуют высо-

коквалифицированного научного и математического обеспече-

ния. Однако эти недостатки несопоставимы с их преимущества-

ми. Трудоемкость разработки расчетно-экспериментальных ме-

тодов, отработка алгоритмов и программ расчета рабочих про-

цессов на ЭВМ намного меньше трудоёмкости опытно-

конструкторских разработок. Они позволяют исследовать от-

дельные процессы и их влияние на конечные показатели двигате-

ля, рассмотреть десятки возможных вариантов сочетания пара-

метров конструкции исходной модели двигателя и её модифика-

ций.

§1. Особенности организации процессов газообмена

в четырёхтактных двигателях

В четырёхтактных двигателях процессы газообмена осу-

ществляются в основном в течение тактов выпуска и впуска. В

течение такта выпуска продукты сгорания удаляются из рабочей

полости, а в течение такта впуска рабочая полость заполняется

свежим зарядом – воздухом или топливовоздушной смесью. Про-

должительность процессов выпуска и впуска отличается от про-

должительности тактов выпуска и впуска, и определяется фазами

газораспределения. Фазы газораспределения – значения углов

поворота коленчатого вала (в случае поршневого двигателя –

рис. 1.7, 1.8) или эксцентрикового вала (в случае роторно-порш-

невого двигателя – рис. 6.1) в градусах поворота коленчатого или

эксцентрикового вала относительно ВМТ или НМТ, соответст-

вующих моментам начала открытия или закрытия органов газо-

распределения (клапанов, окон) (рис. 1.9). Значения фаз газорас-

пределения зависят от конструктивных особенностей двигателя и

его газовоздушных систем. Фаза опережения открытия выпуск-

ного клапана 

относительно НМТ составляет 40–60 ПКВ, фаза

опережения открытия впускного клапана 

относительно ВМТ –

10–30 ПКВ, фаза запаздывания закрытия выпускного клапана 

173

относительно ВМТ – 10–30

ПКВ, фаза запаздывания за-

крытия впускного клапана 

относительно НМТ – 40–60

ПКВ.

Процессы газообмена

сопровождаются изменением

параметров состояния, соста-

ва и количества рабочего те-

ла в рабочей полости, пара-

метрами состояния и скорос-

ти потока в газовоздушных

трактах. Протекание процес-

сов газообмена зависит от

особенностей конструкции

двигателя, впускной и вы-

пускной систем, режима ра-

боты двигателя, атмосфер-

ных условий.

В карбюраторных

поршневых или роторно-

поршневых двигателях впу-

скная система включает впу-

скной канал 8, карбюратор 9

с дроссельной 10 и воздуш-

ной 11 заслонками, воздуш-

ный фильтр 12; выпускная

система – выпускной канал 6 и глушитель 7 (рис. 6.1). В много-

цилиндровых двигателях впускные каналы подсоединены к об-

щему на все цилиндры впускному коллектору (ресиверу), вы-

пускные каналы – к общему на все цилиндры выпускному кол-

лектору.

В четырёхтактных дизелях без наддува на впуске установ-

лен только воздушный фильтр (рис. 1.1, б). Выпускная система

четырёхтактного дизеля не отличается от выпускной системы

карбюраторного двигателя.

Рисунок 6.1 – Принципиальная схема

четырёхтактного роторно-

поршневого двигателя:

1 – статор; 2 – ротор; 3 –

неподвижное

зубчатое колесо; 4 – зубчатое колесо рото-

ра; 5 – свеча зажигания; 6 – выпускной ка-

нал; 7 – глушитель; 8 – впускной канал; 9

–

карбюратор; 10 –

дроссельная заслонка;

11 – воздушная заслонка; 12 – воздухоочи-

ститель;

, Т

, р

, Т

, р

, Т

– давление и темпера-

тура воздуха, смеси во впускном канале,

отработавших газов на выпуске

174

В четырёхтактных дизе-

лях с газотурбинным наддувом

конструкция газовоздушных

систем значительно сложнее

(рис. 6.2). На впуске двигателя

установлен компрессор 10, воз-

духоохладитель 9, на выпуске –

газовая турбина 11.

Изменение давления ра-

бочего тела во впускной и вы-

пускной системах как в двига-

теле без наддува, так и в двига-

теле с газотурбинным надду-

вом взаимосвязано с изменени-

ем давления рабочего тела в

рабочей полости (рис. 6.3, рис.

6.4). С увеличением длины и

уменьшением диаметра впуск-

ных и выпускных каналов до

определённых значений изме-

нение давления перед впуск-

ными и за выпускными клапа-

нами возрастает. Колебание

давления рабочего тела во

впускных и выпускных систе-

мах обусловлено газодинами-

ческими явлениями. С увели-

чением диаметра впускных и

выпускных каналов, уменьше-

нием их длины, увеличением

объёма впускного и выпускно-

го ресиверов, к которым под-

соединены впускные и выпуск-

ные каналы, снижается влияние

газодинамических явлений в

системах, уменьшается ампли-

туда колебаний давления рабочего тела перед впускными и за

выпускными клапанами.

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема

четырёхтактного дизеля с газотур-

бинным наддувом и промежуточным

охлаждением воздуха:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – выпуск-

ной клапан; 4 – выпускной канал; 5

–

форсунка; 6 – впускной клапан; 7 –

впускной канал; 8 –

воздухоохладитель;

9 – воздухоочиститель; 10 – компрес-

сор; 11 – турбина; 12 – глушитель;

, Т

–

давление и температура воздуха

перед воздухоочистителем; р

, Т

– дав-

ление и температура воздуха за ком-

прессором; р

, Т

– давление и темпера-

тура воздуха за воздухоохладителем;

, Т

; р

, Т

–

давление и температура

отработавших газов до турбины и за

ту

биной

175

Процессы га-

зообмена в зависи-

мости от соотно-

шения значений

параметров рабоче-

го тела в рабочей

полости и смежных

системах можно

условно подразде-

лить на несколько

периодов: свобод-

ный выпуск, вы-

пуск (рис. 6.3, рис.

6.4), заброс про-

дуктов сгорания во

впускной канал

(рис. 6.3), продув-

ка (рис. 6.4), на-

полнение (впуск),

дозарядка (рис. 6.3)

или выброс свеже-

го заряда из ци-

линдра (рис. 6.4).

Свободный выпуск

обусловлен значительным перепадом давлений в рабочей полос-

ти и в выпускной системе. Начинается свободный выпуск в мо-

мент открытия выпускных клапанов и продолжается до момента,

когда продукты сгорания начинают уходить из цилиндра под

воздействием поршня. На значительной части свободного выпус-

ка истечение продуктов сгорания из цилиндра через выпускные

клапаны происходит со скоростью равной местной скорости зву-

ка. Этот период выпуска называется надкритическим, а период

выпуска при скорости истечения меньшей скорости звука – под-

критическим. В случае, представленном на рис. 6.3, продолжи-

тельность свободного выпуска возрастает вследствие воздействия

инерционного отсоса, обусловленного движением газа в выпуск-

ном канале с высокими скоростями . При небольшой длине вы-

пускного канала, большом объёме выпускного ресивера, к кото-

Рисунок 6.3 – Изменение давления в цилиндре р

в выпускном канале р

, во впускном канале р

и отношения площади проходных сечений

впускных и выпускных клапанов к площади

поршня четырёхтактного двигателя без наддува

600

660

120

,ПКВ



–

Па

176

рому подсоединяются выпускные каналы, влияние газодинами-

ческих явлений на выпуске незначительно.

На участке выпуска истечение продуктов сгорания обуслов-

лено воздействием поршня, перемещающегося к ВМТ. В двига-

телях без наддува процесс выпуска продолжается обычно за ВМТ

до момента, когда давление в цилиндре уменьшится до давления

за выпускным клапаном. На участке перекрытия клапанов может

происходить и заброс продуктов сгорания во впускной канал, а

затем из выпускного канала в цилиндр до закрытия выпускных

клапанов (рис. 6.3).

В двигателях с наддувом и р

s ср.

 р

т ср.

процесс выпуска

обычно продолжается до момента открытия впускных клапанов

(рис. 6.4). С открытием впускных клапанов начинается продувка

камеры сгорания воздухом продолжающаяся до закрытия выпу-

скных клапанов. Продувка камеры сгорания улучшает наполне-

ние цилиндра, снижает температуру выпускных клапанов, порш-

ня. Процесс наполнения как в двигателях без наддува, так и в

двигателях с наддувом обусловлен увеличением объёма рабочей

полости и уменьшением давления при перемещении поршня к

НМТ.

Рисунок 6.4 – Изменение давления в цилиндре р, в выпускном р

и во впускном р

каналах четырёхтактного дизеля

с газотурбинным наддувом

Дозаря

ка

Выпуск

Впуск

Проду

ка



–

Па

,ПКВ

НМТ

ВМТ

ср

Свобо

ный

выпуск

177

Дозарядка надпоршневой полости за НМТ до закрытия

впускных клапанов имеет место, если давление воздуха или топ-

ливовоздушной смеси перед впускными клапанами выше, чем

давление в цилиндре (рис. 6.3). В противном случае происходит

выброс из цилиндра части свежего заряда. Повышение давления

воздуха перед впускными клапанами в конце такта впуска может

быть достигнуто соответствующим выбором диаметра и длины

впускного канала.

В роторно-поршневых двигателях процессы газообмена

(рис. 6.1) несколько отличаются от процессов газообмена в четы-

рёхтактных поршневых двигателях. Эти отличия обусловлены

особенностями конструкции органов газораспределения, кинема-

тикой механизма привода ротора. Выпускные и впускные окна

открываются вершиной вращающегося ротора и продолжитель-

ность их открытия значительно больше продолжительности от-

крытия клапанов. Площадь проходных сечений впускных и вы-

пускных окон больше, чем площадь проходных сечений впуск-

ных и выпускных клапанов и не лимитирована как в поршневых

двигателях диаметром цилиндра. Значительно больше и продол-

жительность процессов газообмена, так как продолжительность

тактов в роторно-поршневом двигателе составляет 270 градусов

поворота эксцентрикового вала против 180 градусов ПКВ у

поршневого двигателя.

§2. Показатели процессов газообмена

Технико-экономические показатели двигателя (среднее эф-

фективное давление, литровая мощность, удельная масса, КПД) в

значительной мере зависят от качества процессов очистки рабо-

чей полости от продуктов сгорания и от её заполнения свежим

зарядом.

Степень совершенства процессов газообмена в двигателях

внутреннего сгорания характеризуется показателями очистки ра-

бочей полости от продуктов сгорания и ее заполнения свежим за-

рядом, затратами энергии на осуществление процессов газооб-

мена.

Степень очистки рабочей полости от отработавших газов

характеризуется коэффициентом остаточных газов, представ-