Глава 3

ПРОЦЕССЫ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ

В процессах, образующих действительный цикл двигателя, происходит изменение количества и состава рабочего тела, а так­же теплообмен. Без большого ущерба для точности расчетов обычно массообмен учитывается только при анализе процессов впуска и выпуска, а также при впрыскивании топлива в дизелях, т. е. для этих процессов внутрицилиндровое пространство рас­сматривается как открытая система. Во всех остальных случаях внутрицилиндровое пространство считают закрытой системой. Состояние газов считается равновесным.

ЗЛ. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Смену рабочего тела при осуществлении процессов выпуска и впуска называют газообменом. От количества свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения газообмена, а реша­ющей степени зависят получаемая в цикле работа и, следователь­но, мощность двигателя.

Процессы газообмена связаны не только друг с другом. Так, создаваемое во время впуска направленное движение заряда в ци­линдре двигателя путем специального профилирования и рас­положения впускных каналов в головке цилиндров часто пред­ставляет собой один из основных факторов, способствующих улучшению смесеобразования и сгорания. В двигателях с внеш­ним смесеобразованием процесс впуска связан и с процессами образования топливовоздушной смеси до ее поступления в ци­линдр.

2. ПРОЦЕСС ВЫПУСКА И ГАЗООБМЕН В ПЕРИОД ПЕРЕКРЫТИЯ КЛАПАНОВ

• Процесс выпуска. В конце такта расширения с опереже­нием 40...70 °С до прихода поршня в НМТ начинается выпуск

81

Рис. 3.1. Диаграммы газообмена четырехтактного двигателя: а - без наддува: б - о наддувом от приводного нагнетателя; в - о газотурбинным наддувом при pt<pp\ г - с газотурбинным наддувом при pt>Pp

отработавших газов (точка Ь на рис. 3.1, а). В этот момент у двигателей без наддува давление в цилиндре />*0,4...0,6 МПа. На выходе из щели выпускного клапана из-за сопротивления, создаваемого глушителем шума, нейтрализатором и трубопро­водами, давление_Рръ0,105...0,12 МПа, поэтому выпуск газа сна­чала происходит при сверхкритическом перепаде давлений Рр/Р < $г_Р, т. е. с критической скоростью истечения газов через клапанную щель (500...700 м/с). В результате быстрого уменьше­ния количества газов в цилиндре и их расширения давление заметно понижается, и при p_vlp>fl_xp скорость истечения газов становится ниже критической. Первый период процесса выпуска называют периодом свободного выпуска, он заканчивается вблизи НМТ. За относительно малое время свободного выпуска из цилиндра удаляется до 50...70% отработавших газов.

Во время второго периода, называемого принудительным выпуском, т. е. при движении поршня к ВМТ, выпуск происходит под его вытесняющим действием.

На рис. 3.2 показано изменение давления р в цилиндре и в канале головки цилиндров (около выпускного клапана) p_v в период выпуска. С началом выпуска понижение р становится более резким, а Давление р_р нарастает, что приводит к образова­нию волны давления. Эта волна распространяется в сторону открытого конца трубопровода, где она отражается, отдавая часть энергии, и уже в виде волны разрежения перемещается в обратном направлении, т. е. к выпускному клапану, у которого происходит новое отражение, и т. д.

При перемещении волн вдоль трубопровода происходит по­следовательное их затухание, связанное с затратой энергии на трение. Результирующий колебательный процесс определяется суммированием прямых и отраженных волн, образующихся при 82

пкв

Рис. 3.2. Изменение р и р_р в процессе выпуска в четырехтактном двигателе; <?вып ■ фаза выпуска

ВМТ

НМТ

Рис. 3.3. Диаграм­ма фаз газораспре­деления четырех­тактного двигателя

выпуске газов из всех цилиндров двигателя. Момент начала выпуска выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить хорошую очистку цилиндра, с другой стороны, уменьшить затраты энергии на этот процесс. Если, например, клапан начнет открываться слишком рано, то увеличится потеря полезной работы газов в период предварения выпуска. Если же клапан открывать по­здно, то возрастет отрицательная работа во время принудитель­ного выпуска.

• Газообмен в период перекрытия клапанов. Приро­да колебательных процессов в системах впуска и выпуска имеет много общего. Опыт показывает, что для лучшего газообмена впускной клапан необходимо начать открывать примерно за

10. .30° до прихода поршня в ВМТ, а выпускной клапан закры­вать спустя 10...50° после ВМТ. Период, когда одновременно открыты оба клапана, называют перекрытием клапанов (<р„ на рис. 3.3). В оптимальном случае прир_р<р ир<р* через впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной удаляются отработавшие газы. Такой газообмен называют про­дувкой цилиндра. В действительности свежий заряд смешивается в цилиндре с ОГ, поэтому в период перекрытия клапанов, когда р_р<р, часть свежего заряда может через выпускной клапан поки­нуть цилиндр. Наиболее типичный случай обратного течения газов имеет место, например, в двигателях с искровым зажигани­ем на режимах холостого хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта. На этих режимах р_р/р_х>2, поэтому в период перекрытия клапанов ОГ через выпускной клапан поступают из системы выпуска обратно в цилиндр, а через впускной клапан происходит истечение газов из цилиндра в систему впуска.

83

Как следует из графиков (рис. 3.4), вскоре после начала открытия впускного клапана давления р и р* сравниваются (точка

А), с этого момента начи- нается впуск, так как при дальнейшем движении по- ршня р<рк, причем раз- ность давлений (p_t—p), определяющая скорость истечения свежего заряда через клапанную щель, не остается постоянной.

Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течение процес- са впуска, зависит от об- щего гидравлического со- противления впускной си- стемы, т. е. от разности между давлением окружа- ющей среды р₀ и давлени-

ем в цилиндре р, которая изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ. Естественно, что чем меньше потеря давления во впускной системе к приходу поршня в НМТ Apt=p₀ —Pi, тем больше количество свежего заряда, заполня- ющего цилиндр к этому моменту (точка а на рис. 3.1).

При увеличении частоты вращения коленчатого вала поток воздуха (или ТВС) движется с возрастающей скоростью и под действием сил инерции, а также в результате волновых явлений в системе впуска давление р, также возрастает. Поэтому если в начале хода сжатия р_ж>р, то впуск продолжается; этот процесс называют дозарядкой. В показанном на рис. 3.4 примере дозаряд- ка заканчивается в точке В. Для осуществления дозарядки впуск­ной клапан закрывают спустя 35...85° после НМТ. При малой частоте вращения, когда инерция свежего заряда невелика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытес­няет часть заряда из цилиндра обратно во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс. Таким образом в общем случае количество свежего заряда, заполняющего цилиндр после окон­чания впуска, меньше общего количества заряда, поступившего в цилиндр в течение газообмена. Поверхности впускного трубо­провода, канала в головке и внутрицилиндровые поверхности имеют температуру более высокую, чем свежий заряд, поэтому последний вследствие теплообмена в процессе впуска нагревает­ся. Нагревание свежего заряда происходит и вследствие его сме­шения с горячими остаточными газами.

пкв

Рис. 3.4. Изменение р я р^ в процессе впуска в четырехтактном двигателе; <р_т - фаза впус­ка

84

где / — переменное проходное сечение в клапанной щели, м²; т — время, с; (р_у и (р₂ — соответственно опережение открытия и запаздывание закрытия клапана, град ПКВ.

Выраженная в градусах поворота коленчатого вала общая длительность процессов газообмена в двухтактных двигателях в 3...3.5 раза меньше, чем в четырехтактных. Большая часть всего газообмена проходит при одновременно открытых впускных (продувочных) и выпускных (окнах или клапанах) органах. Све­жий заряд поступает в цилиндр при p_v>p-

Период газообмена между началом открытия выпускных органов

t

180° + Ф2

4. ГАЗООБМЕН В ДВУХТАКТНЫХ ДВС

85

Рис. 3.5. Схема продувки двухтактных двигателей: а - петлевая при параллельном расположении охов; б - петлевая при эксцентричном рас­положение оков; a - прямоточная клапанно-щелевая; г - прямоточная щелевая

86

87

где М\_а — число молей свежего заряда в объеме V_a.

Так как относительное содержание ОГ в заряде невелико, то можно принять, что теплоемкость свежего заряда и теплоем­кость его в смеси с остаточными газами равны, т. е. с_р=Ср. Выразим теплоемкость остаточных газов через с_г—(рс_р, а измене­ние количества свежего заряда в течение фазы запаздывания закрытия впускного клапана — через коэффициент дозарядки <p_t

Для четырехтактных двигателей без наддува при расчетах по (3.3) обычно полагают Т_Х = Т₀.

Чтобы получить формулу для расчета напишем уравнение состояния для заряда в точке а (см. рис. 3.1):

СрЛ/_и(Т„ + АТ) + с,Mr Т_г=с; (М_и+М_г)Т_а, (3.3)

Так как M_la+M_r=M_]a( 1 +<?\У), то окончательно Т_а=(Г_ж + ДГ+ (р(р_1У Г,)/(1 + _9ly).

(3.4)

M_la+M_r=_Pavj(m4T_a). При положении поршня в ВМТ:

(3.5)

= 8314M_ic-i^ Т_а,

= 8314 М_1с

(3.6)

откуда

М_1д=[_№К_в/(8314Г_а)] [1/(1 + (р_1У)].

89

(3.7)

W = S/(8-l)H

[Т_а( (T_x+A.T+<p<p_tyT_f)

то окончательно получим

е р_в Т_х

fly — ф< ■ • .

г—1 рь

(3.8)

Это уравнение справедливо для двух- и четырехтактных дви­гателей. Для двухтактных двигателей в (3.8) следует подставить величину действительной степени сжатия.

Применительно только к четырехтактным двигателям мож­но получить другое уравнение для расчета если считать, что выпуск заканчивается после ВМТ, а в ВМТ количество остаточ­ных газов равно М_г. Тогда количество ОГ после завершения процесса выпуска M_r=<p_mM'_r, где —коэффициент очистки, учитывающий изменение количества ОГ в течение фазы запаз­дывания закрытия выпускного клапана, так как

При расчетах по уравнениям (3.8) и (3.10) величиной р_А зада­ются на основании экспериментальных данных (табл. 3.1) и для четырехтактных двигателей без наддува обычно принимают Рх~Ро и Т_Х = Т₀.

Величину р_а можно оценить по выражению

Потерю давления при впуске Ар* можно найти из соотноше­ния

^? ЧуМт 8314Т, Чу р_хП Пг Pt Т, 8-1

Подставив выражение (3.9) в (3.8), получим

(3.9)

(3.10)

р_а=р₀-Ар_а.

(3.11)

Таблица 3.1

* Значения отнесены к полному объему цилиндра.

При наличии в системе выпуска нейтрализатора ОГ р_г следует выбирать ближе к верх­нему пределу.

Подогрев заряда АТ имеет меньшее значение для двигателей с впрыскиванием бензина и жидкостным обогревом впускного трубопровода; для двигателей с воздушным охлаждени­ем АТ, естественно, больше.