2. Процес впуску

Процес впуску (зарядки) необхідний для наповнення циліндра пальною сумішшю або повітрям. Кількість пальної суміші або повітря, яка поступає в циліндр під час впуску, залежить від таких основних чинників:

1. гідравлічного опору систем впуску і випуску;

2. підігрівання свіжого заряду в результаті дотику до гарячих деталей двигуна та перемішування із залишковими відпрацьованими газами з попереднього циклу;

3. наявність у циліндрі, на початку наповнення його свіжим зарядом, залишкових газів.

Тиск і температура залишкових газів на початку впуску залежить головним чином від прохідного перетину і коефіцієнта опору випускної системи, а також від числа обертів двигуна. Із збільшенням числа обертів тиск залишкових газів зростає. Це пояснюється тим, що із збільшенням обертів тривалість процесу випуску скорочується, а швидкість газів у випускній системі збільшується. Із збільшенням опору випускної системи тиск залишкових газів зростає, наповнення циліндрів погіршується і потужність двигуна знижується.

Перед впуском свіжого заряду в циліндрі є деяка кількість залишкових газів. Ці гази в 4-тактному двигуні займають об'єм камери згоряння, при чому тиск їх в т. г р_г більший від атмосферного, а температура значно вища, ніж температура свіжого заряду (рис. 4.2). Під час руху поршня від ВМТ до НМТ тиск залишкових газів р_г зменшується до атмосферного тиску р₀, після чого починається наповнення циліндра свіжим зарядом.

Тиск свіжого заряду при цьому стає нижчим від атмосферного через гідравлічний опір у системі впуску двигуна. Тиск у циліндрі в період впуску менший тиску навколишнього середовища, причому найбільше розрідження відповідає приблизно половині ходу поршня, тобто максимальному значенню швидкості поршня. Під кінець впуску в точці а тиск р_а підвищується незначно із-за швидкісного напору, який створюється силами інерції заряду, що поступає в циліндр.

Рисунок 4.2 - Діаграма процесів впуску і випуску, що відбуваються в циліндрі 4-тактного двигуна

Тиск залишкових газів на початку впуску для двигуна без глушника складає за дослідженими даними:

,

де Р₀ — тиск навколишнього середовища.

Менші значення тут відносяться до малих і середніх обертів, великі – до обертів двигуна, відповідних максимальній потужності.

При установці глушника тиск залишкових газів зростає.

Температура залишкових газів на початку впуску залежить головним чином від складу суміші і числа обертів двигуна. Із збільшенням числа обертів температура залишкових газів зростає. Відбувається це в основному унаслідок погіршення охолоджування продуктів згорання із-за скорочення тривалості циклу. За дослідженими даними, температура залишкових газів Tr на початку впуску при обертах двигуна, відповідних максимальній потужності, знаходиться в наступних межах: у карбюраторних двигунів 900–1200 К, у дизельних двигунів 600–800 К.

Дійсна кількість свіжого заряду, що поступив в циліндр двигуна за період впуску, значно менше теоретично можливої кількості, яка могла б заповнити робочий об'єм циліндра.

Якість газообміну оцінюється не абсолютною, а відносною кількістю свіжого заряду, що поступив в циліндр при впусканні.

Відношення кількості свіжого заряду, що поступив в циліндр за один цикл, до кількості, який мав би заряд, що заповнює робочий об'єм циліндра при тиску і температурі на вході в систему впуску (Ро, То), називається коефіцієнтом наповнення.

.

У карбюраторних двигунів кількість палива, що міститься в заряді, в порівнянні з кількістю повітря порівняно невелика. Тому коефіцієнт наповнення часто визначають по відношенню кількостей повітря. Помилка при цьому не перевищує 1–2%.

У карбюраторних і дизельних двигунів, що працюють без наддуву, параметри свіжого заряду під час вступу його в систему впуску збігаються з параметрами навколишнього середовища (при розрахунках двигунів без наддуву приймають Ро = 0,101 Мпа; Т₀ =273 +15 = 288 К.

Кількість газів, що заповнюють циліндр двигуна в кінці впуску, складає:

.

Характеристичні рівняння для Ma, M₀, Mr мають наступний вигляд:

; ; ,

де: Ра, Та – тиск і температура газів в кінці впуску;

Ra, R0, Rr – відповідні газові постійні.

Після підстановки характеристичних рівнянь в рівняння для Ma отримаємо

.

Якщо допустити рівність газових постійних Ra, R0, Rr і розділити обидві частини отриманого виразу на Vc, можна написати

.

Враховуючи, що

,

після відповідних перетворень отримаємо:

.

Коефіцієнт наповнення залежить головним чином від тиску і температури газів в кінці впуску, числа обертів і навантаження двигуна.

На коефіцієнт наповнення циліндра впливають такі чинники:

1. тиск кінця впуску і випуску;

2. число обертів колінчастого вала;

3. навантаження двигуна;

4. підігрівання заряду;

5. коефіцієнт залишкових газів;

6. паливо і система живлення;

7. атмосферні умови;

8. фази газорозподілу;

9. наддув двигуна;

10. конструкція впускного і випуск нього трактів двигуна.

З пониженням тиску і підвищенням температури заряду коефіцієнт наповнення різко зменшується. Із збільшенням числа обертів двигуна коефіцієнт наповнення із-за скорочення тривалості впуску знижується.

Коефіцієнт наповнення дизельних двигунів вищий, ніж карбюраторних, оскільки впускна система у перших конструктивно простіша, а підігрів свіжого заряду менш інтенсивний.

Коефіцієнт наповнення карбюраторних двигунів при роботі з повним навантаженням знаходиться залежно від числа обертів в межах 0,65–0,85, дизельних двигунів 0,7–0,9.

При роботі двигуна з наддувом коефіцієнт наповнення значно підвищується.

Рисунок 4.3 - Залежність коефіцієнта наповнення від числа обертів

Ступінь забрудненості свіжого заряду залишковими газами горючої суміші характеризує коефіцієнтом залишкових газів, який рівний:

.

З даного виразу виходить, що коефіцієнт залишкових газів зменшується при підвищенні ступеня стиску, підвищенні коефіцієнта наповнення, збільшенні температури і пониженні тиску залишкових газів.

На коефіцієнт залишкових газів роблять вплив число обертів і навантаження двигуна. Із збільшенням числа обертів і зменшенням навантаження коефіцієнт залишкових газів зростає.

Коефіцієнт залишкових газів при повному навантаженні двигуна коливається в межах: для карбюраторних двигунів від 0,06 до 0,18, для дизельних – від 0,02 до 0,06.

Температура свіжого заряду на вході в циліндр залежить від температури навколишнього середовища Т₀ і прирости температури ΔТ унаслідок підігріву заряду від зіткнення з гарячими стінками впускного тракту (впускний колектор і клапанні канали).

Температура свіжого заряду різних двигунів неоднакова. Для поліпшення випаровуваності палива у карбюраторних двигунів застосовується підігрів горючої суміші. Приріст температури заряду ΔТ характеризується наступними даними:

• карбюраторні двигуни, що працюють на бензині 10–45 °С;

• дизельні двигуни 10–25 °С.

Тиск і температура газів в кінці впуску Та, коли циліндр двигуна заповнений газами, що представляють суміш свіжозасмоктаного заряду і залишкових газів, можуть бути визначені при вирішенні рівняння теплового балансу:

.

Поставивши в рівняння теплового балансу виразу для його складових, отримаємо:

.

Поділимо кожен доданок на M₁ і, вважаючи, що, отримуємо:

.

Із зміною умов навколишнього середовища, інтенсивності підігріву, опори впускного і випускного трактів температура газів в кінці впуску помітно змінюється. Значно змінюється вона також залежно від навантаження і числа обертів двигуна.

При зміні числа обертів температура в кінці впуску знаходиться в наступних межах: у карбюраторних двигунах 340–400 К, в дизельних 310–360 К.

Тиск газів в кінці впуску Ра визначається дослідницьким шляхом і складає.

.

Великий із значень тиск газів в кінці впуску слід приймати для дизелів, а менші - для карбюраторних двигунів.

Контрольні питання

1. Робочі цикли двигуна внутрішнього згоряння.

2. Дійсний робочий цикл ДВЗ.

3. Процес наповнення.

4. Температура робочої суміші наприкінці процесу наповнення.

5. Тиск робочої суміші наприкінці процесу наповнення.

6. Коефіцієнт наповнення.

Тема № 5. ПРОЦЕС СТИСКУ ТА ЗГОРАННЯ У ДВЗ

1. Процес стиску

2. Процес згорання палива в карбюраторному двигуні

3. Процес згорання палива в дизельному двигуні

1. Процес стиску

Процес стиску відбувається при закритих впускному і випускному клапанах і служить для збільшення температурного перепаду циклу і ступеня розширення продуктів згорання палива. Це створює сприятливі умови для займання і згорання робочої суміші і забезпечує ефективне перетворення теплоти в механічну роботу.

У теоретичному циклі передбачається, що лінія стиску є адіабатою із змінним показником. У дійсному циклі процес стиску протікає складніше. Він характерний безперервною зміною температури заряду і наявністю теплообміну між газами і стінками циліндра, тобто є політропним.

Рисунок 5.1 – Діаграма процесу стиску

На початку стиску, до моменту, поки не порівняється температура газів і стінок циліндра, гази нагріваються. При цьому показник політропи стиску підвищується. У подальший період за рахунок вищої температури газів відбувається перехід тепла від газів до стінок циліндра. Це викликає пониження показника політропи стиску.

Таким чином, за період стиску між газами і стінками циліндра відбувається теплообмін, різний не тільки по величині, але і по знаку.

При розрахунках, з деяким наближенням, прийнято вважати показник політропи стиску за постійний і рівний середньому показнику п₁.

Величина показника політропи стиску залежить від частоти обертання колінчастого валу, ступеня стиску, інтенсивності охолоджування циліндрів, навантаження на двигун, ступені зносу цилиндропоршневой групи двигуна. З підвищенням частоти обертання колінчастого валу і ступеня стиску показник політропи стиску п₁ збільшується. При інтенсивному охолоджуванні циліндрів, збільшенні зазорів між поршневими кільцями і циліндрами унаслідок їх зносу величина п₁ зменшується.

Дані, отримані при випробуваннях двигунів, показують, що середній показник п₁, залежно від числа обертів, змінюється в наступних межах: у карбюраторних двигунів 1,30–1,40; у дизельних 1,20–1,35.

При розрахунку карбюраторних двигунів для визначення політропічного показника зазвичай використовують формулу, запропоновану професором Ст. А. Петровим:

,

де n - частота обертання двигуна [об/хв].

Тиск в кінці процесу стиску рівний:

.

Температура в кінці процесу стиску складає:

.

У карбюраторних двигунах температура газів в кінці стиску знаходиться в межах 500–700 К, в дизельних двигунах 750–950 К. У карбюраторних двигунах температура газів в кінці стиску щоб уникнути детонаційного згорання не повинна перевищувати температуру самозаймання палива.

У дизельних двигунах для поліпшення процесу згорання температура газів в кінці стиску повинна на 300–400°С перевищувати температуру самозаймання уприскуваного палива.