4.2.2. Розрахунок параметрів процесу впуску

Для розрахунків дійсних циклів автотранспортних ДВЗ тиск і температура навколишнього середовища (повітря) у розрахунках приймаються p₀ = 0,1 МПа і T₀ = 298 K. Ці У двигунах з наддувом повітря в систему впуску надходить з компресора, тому в розрахунках треба визначити тиск p_к і температура T_к повітря компресором чи охолодником наддувного повітря (якщо такий встановлений на автомобілі).

У відповідності з тиском повітря на виході з компресора умовно приймаються такі градації ступенів наддуву (4.1):

- низький наддув р_к ≤ 1,5·p₀;

- середній наддув р_к = (1,5÷2,2)·p₀;

- високий наддув р_к = (2,2÷2,5)·p₀.

4.1. Ступінь наддуву (адреса файла Блок 4) Ступінь наддуву – відношення тиску, що утворює компресор, до атмосферного тиску.

Тиск за компресором визначається як:

р_к = р₀·π_к, (4.1)

де π_к – ступінь підвищення тиску;

Температура повітря за компресором Т_к, К, обчислюється за рівнянням політропи стиску у компресорі:

(4.2)

де р_к – тиск після компресора:

n – показник політропи стиску у компресорі.

Величина n вибирають в межах:

n = 1,4÷1,6- для поршневих нагнітачів;

n = 1,55÷1,75- для об'ємних (гвинтових і ін.);

n = 1,5÷1,8- осьових і відцентрових.

Охолодник наддувного повітря дозволяє підвищити густину повітря у свіжому заряді і таким чином збільшити коефіцієнт наповнення. Глибина охолодження в охолоднику наддувного повітря (ОНП) ΔТ_ОНП, К:

ΔТ_ОНП = Т_к – Т_к’ , (4.3)

де Т_к’ – температура заряду на вході в циліндри після охолодника, К.

В автотракторних двигунах використовують переважно два типи охолодників повітря - повітря-повітряні і рідинно-повітряні. В останніх охолоджуючим середовищем є рідина з системи охолодження двигуна, тому для таких температура повітря на вході в циліндри становить Т_к’ = 360÷370 К. Для повітря-повітряних охолодників охолоджуючим середовищем є повітря з навколишнього середовища, температура якого влітку може досягати +40…+50^оС. Тому для них значення Т_к’ майже таке саме, оскільки їх ефективність нижче, ніж рідинно-повітряних.

Для двигунів з ОНП необхідно перевірити можливість охолодження повітря до рекомендованих меж. Мінімальну температуру Т_к”, К, до якої можна остудити наддувне повітря за даних умов і обраного типу ОНП, визначають за формулою:

Т_к’’ = Т_к – E₀·(Т_к – Т_охол), (4.4)

де E_О – термічна ефективність ОНП;

Т_охол – температура охолодного агента, К. (Т_охол = 340÷362 К для рідинно-повітряних,

Т_охол = Т₀ для повітря-повітряних охолодників).

Рекомендовано приймати: E_О = 0,46÷0,48 - для рідинно-повітряних охолодників;

E_О = 0,64÷0,77 - для повітря-повітряних охолодників;

Якщо Т_к’’ > Т_к’, то необхідну температуру на виході одержати неможливо. У цьому випадку необхідно вибрати інший тип ОНП або відкоригувати ступінь підвищення тиску.

Якщо ΔТ_ОНП < 20 К, то застосування ОНП може стати недоцільним. У цьому випадку необхідно відкоригувати ступінь підвищення тиску у компресорі чи ступінь стиску двигуна.

Для двигунів з ОНП необхідно перевірити можливість охолодження повітря до рекомендованих меж. Мінімальну температуру Т_к’’, К, до якої можна остудити наддувне повітря за даних умов і обраного типу ОНП, визначають за формулою:

Т_к’’ = Т_к – E_О · (Т_к – Т_охол), (4.5)

де E_О – термічна ефективність ОНП, E_О = 0,46÷0,48 для рідинно-повітряних охолодників,

E_О = 0,64÷0,77 для повітря-повітряних;

Т_охол – температура охолодного агента, К, Т_охол = 340÷362 К для рідинно-повітряних охолодників, Т_охол = Т₀ для повітря-повітряних.

Якщо Т_к’’ > Т_к’, то необхідну температуру на виході одержати неможливо. У цьому випадку необхідно вибрати інший тип ОНП або відкоригувати ступінь підвищення тиску.

У циліндрах двигунів після випуску завжди залишається деяка частина залишкових газів. Відносний об`єм цих газів визначається типом і характеристиками клапанної системи, гідравлічних опорів системи випуску, фаз газорозподілу, системи наддуву, швидкості обертання і ряду інших факторів. Тиск залишкових газів p_r в автотракторних двигунах без наддуву приймають рівним (1,05÷1,25)·p₀. Якщо для наддуву використовується газова турбіна на виході, то для попередніх розрахунків орієнтовно приймають:

Для різних швидкісних режимів двигунів проводять корекцію значення p_r із врахуванням частоти обертання колінчастого вала n відповідно до виразу:

(4.6)

де p_rN – тиск залишкових газів на номінальному режимі, Па;

n_N – номінальна частота обертання, 1/хв.

Температура залишкових газів Т_r визначається ступенем стиску, частотою обертання і коефіцієнтом надлишку повітря. Її чисельне значення для попередніх розрахунків орієнтовно приймають:

Т_r = 900÷1100 К - для бензинових двигунів;

Т_r = 600÷900 К для дизелів;

Т_r = 750÷1000 К для газових двигунів.

При прийнятті значення цієї температури слід враховувати, що з ростом ступеня стиску температура залишкових газів звичайно знижується.

Тиск наприкінці впуску p_a визначає масу заряду, що надходить у циліндри двигуна, і обчислюють за виразами:

- для двигунів без наддуву;

- для двигунів з наддувом.

У наведених виразах p_a – втрати тиску на впуску.

Чисельні значення p_a рекомендується приймати в наступних межах:

- бензинові і газові двигуни p_a = (0,05÷0,20)·p₀;

- дизелі без наддуву p_a = (0,03÷0,18)·p₀;

- двигуни з наддувом p_a = (0,03÷0,1)·p_к.

Зі зменшенням частоти обертання величина p_a знижується. Для розрахунків режимів роботи двигунів, що відрізняються від номінального, використовується залежність, яка враховує швидкість обертання двигуна:

(4.7)

де  – коефіцієнт загасання швидкості руху заряду;

 – коефіцієнт гідравлічного опору системи впуску;

w_вп – швидкість руху повітря в системі впуску.

У сучасних двигунах швидкість повітря в системі впуску на номінальному режимі складає 50÷130 м/с; ² +  = 2,5÷4,0.

Температура підігріву свіжого заряду T враховує його нагрів від деталей двигуна. Величина підігріву T залежить від конструктивних особливостей двигуна і впускної системи. У залежності від типу двигуна рекомендуються для розрахунків на номінальному режимі наступні її значення:

T = 0÷20 К – для бензинових і газових двигунів;

T = 10÷40 К – для дизелів без наддуву;

T = (-5)÷(+10) К – для двигунів з наддувом.

Зміна величини підігріву свіжого заряду в залежності від швидкості обертання враховується наступною залежністю:

(4.8)

де T_N – температура підігріву свіжого заряду на номінальному режимі, К.

ПИТАННЯ 4.1. Як Ви вважаєте, втрати тиску на впуску підвищують, чи знижують потужність двигуна?

ВІДПОВІДЬ.

А) підвищують;

Б) знижують;

В) не змінюють.

Коефіцієнт залишкових газів _r характеризує якість очищення циліндрів від продуктів згоряння. З його збільшенням зменшується маса свіжого заряду, що надходить у двигун. Для чотиритактних двигунів його чисельне значення визначається наступним виразом:

(4.9)

де Т_0(к) = Т₀ для двигунів без наддуву; Т_0(к) = Т_к для двигунів з наддувом; Т_0(к) = Т_к’ для двигунів

з наддувом і охолодником повітря.

При застосуванні системи рециркуляції відпрацьованих газів значення _r не обчислюють, а задають з діапазону _r = 0,08÷0,12.

Для бензинових і газових двигунів без наддуву _r = 0,04÷0,1, а для дизелів без наддуву – _r = 0,02÷0,05.

Температура наприкінці впуску Т_а залежить від перелічених вище факторів (температури робочого тіла, коефіцієнта залишкових газів, ступеня підігріву заряду, температури залишкових газів) та визначається виразом:

(4.10)

Для сучасних чотиритактних двигунів її чисельне значення звичайно складає:

- бензинові двигуни Т_а=320÷370 К;

- дизелі Т_а=310÷350 К;

- двигуни з наддувом Т_а=320÷400 К;

- газові двигуни Т_а=350÷400 К.

6. При розгляді ідеальних циклів процес стиску приймався адіабатним. Реальний процес здійснюється за більш складним законом. Це зв'язано з тим, що в циліндрах двигуна в процесі стиску безупинно відбувається теплообмін заряду зі стінками, головкою циліндра і днищем поршня. На початку стиску температура заряду менше температури стінок і показник політропи n₁ більше показника адіабати k₁, оскільки теплота передається від стінок до заряду. У якийсь момент вони стають рівними, а надалі тепловіддача здійснюється від робочого тіла, що нагрілося в результаті стиску, до стінок циліндра і поршню і тоді показник політропи менше показника адіабати (рис. 4.3).

Рисунок 4.3. Процес стиску та зв’язок показника політропи з показником адіабати

Розрахунок процесів стиску зводиться до визначення середньої величини показника політропи стиску n₁, обчисленню кінцевих значень температури і тиску. Звичайно величину показника політропи при проектуванні нових двигунів визначають за номограмами, у яких враховується ступінь стиску, температура наприкінці процесу впуску. При проектуванні двигунів на базі відомих конструкцій (прототипів) показник політропи приймають на підставі дослідних даних.

Рекомендовані значення n₁:

- бензинові двигуни n₁ = 1,34÷1,37;

- дизелі без наддуву n₁ = 1,35÷1,38;

- дизелі з наддувом n₁ = 1,33÷1,37;

- газові двигуни n₁ = 1,36÷1,38.

7.

Основні ознаки процесу сумішоутворення у двигунах з примусовим запалюванням (1.21):

1. Відносно невелика ступінь стиску (2.3) свіжого заряду (ε = 7÷11 і трохи вище);

2. Процес приготування пальної суміші (3.7) з легкого палива та повітря, як правило, поза циліндром двигуна у спеціальному приладі – карбюраторі або за допомогою впорскування рідкого палива у впускний трубопровід, а також безпосередньо у циліндр;

3. Запалювання суміші наприкінці процесу стиску електричною іскрою;

4. Неповнота згоряння при недостачі кисню, що проявляється наявністю у відпрацьованих газах, головним чином, оксиду вуглецю.

Процеси сумішоутворення (5.1) і згоряння у двигунах з примусовим (іскровим) запалюванням визначаються фізико-хімічними властивостями палива, способом його подачі, а також режимом роботи двигуна. Від складу і якості паливоповітряної суміші, яка отримана при сумішоутворенні, залежить ефективність процесу згоряння. Повнота і швидкість згоряння палива визначаються такими факторами, як однорідність суміші, швидкість, місце і час утворення суміші.

5.1. Сумішоутворення (адреса файла Блок 4) Сумішоутворення – комплекс взаємозалежних процесів дозування палива й повітря, розпилювання й випарювання палива, а також перемішування палива з повітрям.

За складом у залежності від коефіцієнту надлишку повітря (3.5) умовно для ДВЗ з примусовим запалюванням (1.21) відрізняють такі суміші:

• нормальну (стехіометричну) (5.2) – α = 1;

• збіднену (5.3) – α = 1,05÷1,15;

• збагачену (5.4) – α = 0,85÷0,95;

• бідну (5.5) – α > 1,15;

• багату (5.6) – α < 0,85.

5.2. Нормальна (стехіометрична) суміш – (адреса файла Блок 4) Нормальна (стехіометрична) суміш – суміш, для якої коефіцієнт надлишку повітря α дорівнює одиниці.

5.3. Збіднена суміш – (адреса файла Блок 4) Збіднена суміш – суміш, для якої коефіцієнт надлишку повітря α лежить в межах 1,05÷1,15.

5.4. Збагачена суміш – (адреса файла Блок 4) Збагачена суміш – суміш, для якої коефіцієнт надлишку повітря α лежить в межах 0,85÷0,95.

5.5. Бідна суміш – (адреса файла Блок 4) Бідна суміш – суміш, для якої коефіцієнт надлишку повітря α становить більше 1,15.

5.6. Багата суміш – (адреса файла Блок 4) Багата суміш – суміш, для якої коефіцієнт надлишку повітря α становить менше 0,85.

Однорідною (гомогенною) називають таку модель суміші, у якій біля кожної молекули палива розташована однакова кількість молекул кисню, азоту й інших компонентів. Суміш, що складається з компонентів, що знаходяться в різних агрегатних станах, завжди неоднорідна, тому її називають двофазною (гетерогенною).