Процесс впуска
Назначение процесса впуска
Назначение процесса впуска состоит в заполнении рабочего объема цилиндра двигателя
топливовоздушной смесью, содержащей химическую энергию, необходимую для получения работы. При этом весьма важно заполнять цилиндр максимально возможным количеством смеси, так как это способствует получению наибольшей работы, а следовательно, и мощности при данном объеме цилиндров и частоте вращения коленвала. В большинстве современных авиационных двигателей увеличение заряда смеси (воздуха) в цилиндре достигается при помощи нагнетателя. Питание двигателя топливовоздушной смесью, давление которой предварительно увеличено в нагнетателе до давления, превышающего атмосферное, называется наддувом. Двигатели, не имеющие нагнетателя, принято называть двигателями с впуском из атмосферы. В двигателях с карбюратором смесеобразование начинается в карбюраторе, продолжается во всасывающих трубопроводах и заканчивается в цилиндре двигателя. Для регулирования количества смеси, поступающей в двигатель, служит дроссельная заслонка, устанавливаемая между карбюратором и цилиндрами. Регулировка качества топливовоздушной смеси, т. е. коэффициента избытка, осуществляется посредством специальных устройств, являющихся принадлежностью карбюратора. Начало впуска топливовоздушной смеси обусловливается началом открытия клапана впуска (рис. 1-15). Последний в современных поршневых двигателях открывается с опережением (точка 1), т. е. в конце такта выпуска, до прихода поршня в ВМТ. Это объясняется, во-первых, стремлением увеличить заряд свежей смеси за счет большего открытия впускного клапана к началу такта впуска и, во-вторых, тем, что у двигателей с наддувом свежая смесь, имеющая большее давление, чем давление выпускных газов в цилиндре, начнет поступать в этом случае в конце такта выпуска и вытеснять из цилиндра продукты сгорания. Последнее называется продувкой камеры сгорания. В результате этой продувки очистка цилиндра от остаточных газов улучшается и заряд свежей смеси увеличивается.
Рис.1-15. Процесс впуска:
1— момент открытия впускного клапана; 2— момент закрытия впускного клапана
Угол, на который поворачивается коленчатый вал за время от момента открытия впускного клапана до момента прихода поршня в ВМТ, называется углом опережения открытия впускного клапана. Этот угол подбирается опытным путем для каждого типа двигателя и обычно лежит в пределах 15 ÷ 50°. Для двигателя АШ-62ИР угол опережения открытия клапана впуска равен 15÷25°. Свежая топливовоздушная смесь поступает в цилиндр под влиянием понижения давления в цилиндре, создающегося вследствие движения поршня от ВМТ к НМТ.
Понижение давления в цилиндре объясняется всасывающим действием поршня и сопротивлениямикоторые встречает ТВС на своем пути при движении к цилиндру (рис. 1-16).
Сопротивление при движении воздуха возникает в результате трения частиц воздуха друг о друга, о стенки впускного трубопровода, о впускной клапан, а также от удара частиц воздуха о стенки впускного трубопровода в местах его изгиба, о дроссельную заслонку и впускной клапан. Эти сопротивления называются гидравлическими.
Так как скорость движения воздуха во впускных трубопроводах и впускных клапанах цилиндров достаточно велика (40 ÷ 60 м/сек), то гидравлические сопротивления получаются значительными. Если дроссельная заслонка прикрывается, проходное сечение для воздуха уменьшается, гидравлические сопротивления увеличиваются, и давление в цилиндре в конце такта впуска понижается до 0,3÷ 0,5 от давления на впуске.
Рис. 1-16. Сопротивление движения ТВС на пути в цилиндр
Следует отметить, что смесь в двигателе с нагнетателем начинает поступать в цилиндр сразу же после открытия клапана впуска, так как давление смеси больше давления продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре к концу выпуска (остаточных газов).
Давление остаточных газов при выпуске в атмосферу составляет обычно (1,05÷1,10) ро.
Температура свежей смеси в процессе впуска также изменяется. За счет испарения топлива температура смеси понижается. Вместе с тем, поступая в цилиндр, смесь нагревается в результате соприкосновения с нагретыми деталями двигателя (стенками головки и цилиндра, днищем поршня, клапанами) и смешения воздуха с остаточными газами, температура которых перед началом впуска достигает 1000 ÷ 1100 К. Вследствие указанных причин температура смеси в конце впуска составляет у двигателей с наполнением из атмосферы 340 ÷ 360 К., а у двигателей с нагнетателем 380 ÷ 400 К. Более высокие температуры, наблюдающиеся во втором случае, объясняются подогревом воздуха (смеси) при сжатии его в нагнетателе.
Окончание наполнения цилиндра смесью определяется моментом закрытия впускного клапана. Впускной клапан закрывается с запаздыванием (см. точку 2 на рис. 1-15), т. е. после прихода поршня в НМТ, в начале такта сжатия. Запаздывание закрытия впускного клапана увеличивает количество свежей смеси, поступающей в цилиндр. Это объясняется тем, что в течение процесса впуска смесь приобретает большую скорость и по инерции продолжает поступать в цилиндр, несмотря на изменение направления движения поршня. Кроме того, в начале такта сжатия в цилиндре еще имеется пониженное давление, что также способствует поступлению смеси. Угол, на который поворачивается коленчатый вал, считая от момента прихода поршня в НМТ до момента закрытия впускного клапана, называется углом запаздывания закрытия впускного клапана. Этот угол для каждого типа двигателя подбирается опытным путем и составляет 40 ÷ 65°. Для двигателя АШ-62ИР угол запаздывания равен 44°.
Продолжительность процесса впуска, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, значительно больше 180° и составляет, например, для двигателя АШ-62ИР 239 ÷ 249°. Продолжительность открытия клапана, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, называется периодом или фазой открытия впускного клапана. Опережение открытия впускного клапана и запаздывание его закрытия увеличивают продолжительность впуска смеси в цилиндр двигателя и способствуют повышению количества поступающей в него смеет.
Весовой заряд и коэффициент наполнения
Как мы уже отметили выше, мощность, развиваемая двигателем, в первую очередь зависит от количества топливовоздушной смеси, поступившей в цилиндр в такте впуска. Чем больше топливовоздушной смеси поступит в цилиндр двигателя, тем большую мощность разовьет двигатель.
Весовым зарядом цилиндра называют весовое количество топливовоздушной смеси, поступившей в цилиндр за время такта впуска и оставшееся в цилиндре к моменту закрытия клапанов впуска. Различают теоретический весовой заряд и действительный весовой заряд смеси. Под теоретическим весовым зарядом смеси qт понимают заряд, который может поместиться в рабочем объеме цилиндра при давлении и температуре, равных давлению и температуре на впуске в цилиндр двигателя.
где γк — удельный вес ТВС на впуске в цилиндр двигателя.
Под действительным весовым зарядом qд понимают заряд, который в действительности поступил в цилиндр и остался в нем.
В двигателях с впуском из атмосферы действительный весовой заряд получается всегда на 10—15% меньше теоретического. Это происходит за счет гидравлических потерь во впускных трубопроводах, влияния остаточных газов и нагрева смеси от стенок в процессе впуска.
В двигателях с нагнетателем теоретический и действительный весовые заряды возрастают за счет увеличения плотности смеси на впуске. В этом случае действительный весовой заряд может быть я больше теоретического весового заряда. Объясняется это тем, что давление остаточных газов в камере сгорания меньше давления наддува и, следовательно, после открытия впускного клапана некоторое количество смеси может поступить в нее за счет сжатия остаточных газов до давления, существующего на впуске.
Отношение действительного весового заряда смеси к теоретическому называется коэффициентом наполнения и обозначается ηv.
Отсюда действительный весовой заряд равен
Величина коэффициента наполнения характеризует степень заполнения цилиндров двигателя топливовоздушной смесью.
Для двигателей с впуском из атмосферы коэффициент наполнения составляет ηv = 0,85÷0,90.
Для двигателя с нагнетателем коэффициент наполнения может быть больше единицы и достигает величин ηv = 1,10÷1,12.
Увеличить действительный весовой заряд цилиндра можно, как это видно из уравнения, путем увеличения плотности ТВС на впуске и увеличения коэффициента наполнения.
Так как удельный вес прямо пропорционален давлению и обратно пропорционален температуре, если мы будем снижать температуру ТВС и увеличивать наддув, то этим самым будем увеличивать его удельный вес, а следовательно, и весовой заряд цилиндра. У некоторых двигателей с нагнетателями для охлаждения воздуха на выходе из нагнетателя устанавливают радиаторы, которые позволяют при том же давлении наддува получить более значительный удельный вес воздуха.
Коэффициент наполнения можно увеличить правильным выбором фаз газораспределения (моментов открытия и закрытия впускного клапана), уменьшением гидравлических потерь путем увеличения проходных сечений трубопроводов и придания им плавных переходов, а также увеличением проходного сечения во впускном клапане.
Графическое изображение процесса впуска
Схематическое изображение процесса впуска для двигателя без нагнетателя и двигателя с нагнетателем в координатах р—V показано на рис. 1-17, а и б.
Точка 1 характеризует момент открытия, а точка 2 — момент закрытия впускного клапана. Линия «l-r-a-2» показывает изменение давления ТВС в цилиндре в процессе впуска.
Для двигателя без нагнетателя линия впуска расположена ниже линии атмосферного давления ро, а для двигателя с нагнетателем — выше нее, вследствие наддува, создаваемого нагнетателем.
Рассмотрим работу, совершаемую поршнем за период такта впуска.
У двигателя без нагнетателя поршень при движении от ВМТ к НМТ должен преодолеть
противодействующую силу, направленную по оси цилиндра к ВМТ и возникающую вследствие создавшейся разности давлений (ро — ра). атмосферного давления ро (в картере) и пониженного давления в цилиндре ра.
Эта противодействующая сила равна произведению разности давлений ро — ра на площадь поршня F т. е.
Работа, совершаемая поршнем при движении от ВМТ к НМТ, будет равна
так как F S = Vh ,
то
Этой работе соответствует заштрихованная площадь на рисунке 1-17,а с высотой ро — ра и длиной Vh.
Рис. 1-17. Графическое изображение процесса впуска:
а— двигатель без нагнетателя; б— двигатель с нагнетателем
В двигателе с нагнетателем (рис. 1-17,б) давление в цилиндре во время впуска больше, чем давление в картере. Поэтому при движении поршня от ВМТ к НМТ на него будет действовать сила, направленная к НМТ и равная
Эта сила будет способствовать вращению коленчатого вала и, таким образом, совершать положительную работу. Этой работе соответствует на рис. 1-17,б заштрихованная площадь, равная
Таким образом, в двигателе с впуском из атмосферы от коленчатого вала отнимается работа на
осуществление процесса впуска, тогда как в двигателе с нагнетателем коленчатому валу сообщается дополнительная работа за счет избыточного давления, создаваемого нагнетателем.