13. Процессы газообмена

Смену рабочего тела при осуществлении процессов выпуска и впуска называют газообменом. От количества свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения газообмена, в 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.

14. Эффективные показатели двс

Эффективными показателями называют величины, характе­ризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. Во имя получения этой работы собственно и стро­ят двигатели внутреннего сгорания. К числу эффективных показа­телей относят прежде всего эффективную мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, удельный эффективный расход топлива, эффективный КПД. Оптимальным конструированием двигателя и его агрега­тов. Правильный выбор конструкции и размеров впускной и вы­пускной систем делает минимальными потери на газообмен. В эксплуатации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному миниму­му, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршневых колец. Выбор жесткости и формы деталей, соблюдение технических условий при их изготовлении также важны для достижения надежного жидкостного трения и минимальных механических потерь. Существенное значение имеет оптимизация конструкции, размеров и частоты вращения таких вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной насосы рациональным выбором материалов и технологии изгото­вления деталей, что улучшает смазку трущихся пар и снижает потери на трение;

• правильным выбором смазочного масла. При этом стре­ мятся использовать масло с минимальной вязкостью, при кото­ рой обеспечиваются надежное жидкостное трение, длительная работа всех узлов двигателя при максимально возможных сроках смюш а минимальном угаре масла;

• использованием в дизелях однополостных камер сгорания вместо разделенных. Этим достигается снижение механических потерь в результате исключения практических потерь на перете­ кание заряда.

15. Газообмен в период перекрытия клапанов

• Процесс выпуска. В конце такта расширения с опереже­нием 40...70 °С до прихода поршня в НМТ начинается выпуск отработавших газов (точка Ъ' на рис. 3.1, а). В этот момент у двигателей без наддува давление в цилиндре p≈0,4...0,6 МПа. На выходе из щели выпускного клапана из-за сопротивления, создаваемого глушителем шума, нейтрализатором и трубопро­водами, давление р_p≈0,105...0,12 МПа, поэтому выпуск газа сна­чала происходит при сверхкритическом перепаде давлений Р_p/p>β, 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 рр/р>Р1р 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) рр в период выпуска. С началом выпуска понижение р становится более резким, а Давление рр 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 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.ф 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 (<рП на рис. 3.3). В оптимальном случае прирр<р яр<рх 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 рр<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 рр\рх>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