2553

Принимая во внимание вышепринятые допущения для определения Ра можно использовать уравнение Бернулли:

где h0 и ha – нивелирные высоты для окружающей среды и цилиндра двигателя; 0 и a – плотность рабочего тела; W0 и Wa – скорость движения свежего заряда до поступления в цилиндр и во время поступления в цилиндр двигателя.

Согласно принятым допущениям имеем

h0 ha; 0 a; W0 0,

где – коэффициент затухания скорости; – коэффициент сопротивления впускного тракта, отнесенный к наиболее узкому его сечению.

Pa Po 2 Wa2 . 2

На основании опытных данных при работе двигателя на номинальном режиме 2 2,5 4 – для дизельных двигателей – ближе к нижнему пределу, для бензиновых – ближе к верхнему пределу.

Скорость движения свежего заряда в наименьшем сечении определяют из уравнения

Wa fкл Сnmax Fn,

где fкл – площадь проходного сечения клапана; Cn max – максимальная скорость поршня; Fn – площадь поршня.

где Sn – ход поршня; Сm – средняя скорость поршня; n – частота вращения коленчатого вала.

Вычисление Wa учитывает тот факт, что характер изменения проходного сечения клапана и скорость поршня одинаковы.

Wa = 50‒130 м/с;

Fn /fкл = 6‒9 – для дизельных двигателей; Fn /fкл = 4‒6 – для бензиновых двигателей; Рa = (0,8‒0,9) Ро – двигатель без наддува; Рa = (0,9‒0,95) Рk – двигатель с наддувом,

20

где Рk – давление наддува.

В двухтактных двигателях с контурной продувкой

Pa Рk Pо .

2

В двухтактных двигателях с прямоточной продувкой

Рa 0,85 0,95 Pr .

3.4. Определение коэффициента наполнения

Совершенство процесса наполнения принято оценивать коэффициентом наполнения V , равным отношению количества свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя к началу сжатия, к тому количеству свежего заряда, которое могло бы разместиться в рабочем объеме цилиндра при условиях на впуске.

На величину коэффициента наполнения чрезвычайно влияет степень подогрева свежего заряда, и это необходимо учитывать при расчете. Для этой цели составляют уравнения теплового баланса для рабочего тела в конце впуска.

21

Выражение справедливо для четырехтактных двигателей. Для двухтактных двигателей степень сжатия необходимо относить к полезной части хода поршня.

Величина коэффициента наполнения лежит в пределах:v 0,7 0,8 – для двигателей с боковыми клапанами;v 0,75 0,85 – для двигателей с верхними клапанами;v 0,75 0,9 – для дизельных двигателей.

3.5. Определение температуры рабочеготелавконценаполнения

При движении рабочего тела во впускной системе свежий заряд соприкасается с горячими стенками трубопровода и стенками цилиндра и подогревается на величину T.

Степень подогрева зависит:

а) от скорости движения свежего заряда; б) продолжительности впуска; в) эффективности подогрева;

г) эффективности испарения топлива; д) количества и температуры остаточных газов.

Qa Qo Q Qr ,

GaСpaTa GoСpoTo GoСpo To GrСprTr ,

To To T ,

Сpo Cpa , Сpr Сpo ,

= 1,14 – для дизельных двигателей;

= 1,1 – для бензиновых двигателей;

22

В случае, если двигател имеет наддув, в полученное уравнение вместо To подставляют Tк , которая определяется по уравнению

где nk 1,45 1,8; Рк – давление компрессора. Температуру остаточных газов Tr следует принимать: а) для карбюраторных двигателей Tr = 900‒1100К; б) для дизельных двигателей Tr = 700‒900К. Значения температуры Та лежит в пределах:

а) для карбюраторных двигателей Та = 340‒400К; б) для дизельных двигателей Та = 310‒350К;

в) для двухтактных двигателей Tа = 320‒380К.

3.6. Коэффициент остаточных газов

Количество остаточных газов принято оценивать относительной величиной – коэффициентом остаточных газов, который представляет собой отношение количества остаточных газов к количеству свежего заряда.

Значение коэффициента остаточных газов: а) для карбюраторных двигателей γr =0,05–0,12;

б) для дизельных двигателей γr =0,03–0,04; в) для газовых двигателей γr =0,05–0,07;

г) для двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой

γr =0,25–0,35.

3.7. Факторы, влияющие на величину коэффициента наполнения

1. Влияние степени сжатия.

Если другие параметры остаются неизменными, то увеличение степени сжатия увеличивает коэффициент наполнения. Однако увеличение степени сжатия приводит к изменению таких параметров, как

23

r , Tr , Т и др. Это приводит к тому, что коэффициент наполнения при изменении степени сжатия остается практически постоянным.

2. Давление в конце впуска.

Данный фактор оказывает наибольшее влияние на коэффициент наполнения. Из формулы видно, что давление Ра зависит от сопротивления впускной системы и уменьшается пропорционально квадрату средней скорости Wа.

На величину Ра оказывает влияние:

–число и расположение цилиндров;

–наличие поворотов впускных трубопроводов;

–местные сопротивления;

–качество обработки впускных каналов;

–положение дроссельной заслонки;

–скоростной режим работы двигателя.

Давление Ра оказывает наибольшее влияние на величину коэффициента наполнения. Изменение Ра на 0,1 приводит к изменению коэффициента наполнения на 15–18°.

3. Влияние давления и температуры воздуха на впуске (Ро, То). Если давление Ро не приводит к увеличению давления на выпус-

ке, то коэффициент наполнения увеличивается. При изменении Ро от 0,1 до 0,18 МПа коэффициент наполнения возрастает на 1,5–3 %. В основном значение Ро и То оказывают влияние на Ра и Tа (рис. 6).

4. Давление остаточных газов.

Чем больше давление остаточных газов Рr, тем большая доля хода поршня затрачивается на предварительное расширение остаточных газов, а стало быть, процесс наполнения будет происходить позже. При изменении Рr на 0,01 МПа коэффициент наполнения изменится на 1,5–3 %. Влияние Рr в раз меньше, чем влияние Ра на коэффициент наполнения. Влияние температуры остаточных газов на величину ηV незначительно.

5. Подогрев свежего заряда.

В карбюраторных двигателях часть тепла расходуется на испарение топлива, поэтому количество теплоты, вносимой с атмосферным воздухом для этой цели, недостаточно. С целью лучшего смесеобразования в карбюраторных двигателях вводят газовый или жидкостный подогрев. В дизельных двигателях подогревать воздушный заряд нецелесообразно (рис. 7).

24

4

ŋv

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

Wа

90 100 110 120 130 140

Рис. 6. Влияние скорости подачи свежего заряда на коэффициент наполнения

ŋv

1

10 20 30 40 50 T

Рис. 7. Влияние степени подогрева свежего заряда на коэффициент наполнения

6. Влияние нагрузки на двигатель.

При уменьшении нагрузки для карбюраторного двигателя увеличивается сопротивление впускной системы, следовательно, уменьшается V . Эту зависимость можно представить графиком (рис. 8).

При уменьшении нагрузки на двигатель увеличивается коэффициент остаточных газов, но при этом уменьшается подогрев свежего заряда. В итоге имеет место уменьшение коэффициента наполнения.

Для дизельного двигателя с увеличением нагрузки уменьшается коэффициент наполнения за счет повышения температуры впускного тракта, что способствует увеличению Т . Коэффициент остаточных газов почти не меняется.

25

7. Влияние частоты вращения коленчатого вала.

При изменении числа оборотов на коэффициент наполнения оказывают влияние коэффициент остаточных газов, подогрев свежего заряда, сопротивление впускного и выпускного трактов. С увеличением числа оборотов при постоянных фазах распределения коэффициент наполнения вначале растет, а затем уменьшается. Это объясняется тем, что на небольших оборотах происходит обратное выталкивание свежего заряда за счет перекрытия фаз распределения, а на больших оборотах уменьшение будет происходить за счет увеличения сопротивления впускной и выпускной систем (рис. 10).

Каждому скоростному режиму соответствуют свои оптимальные фазы газораспределения, обеспечивающие получение наиболь-

шего значения V .

8. Организация движения свежего заряда.

Организация движения свежего заряда в цилиндрах двигателя способствует быстрому сгоранию рабочей смеси, хорошему смесеобразованию и увеличению коэффициента наполнения двигателя.

Рис. 10. Влияние частоты вращения коленчатого вала на коэффициент наполнения

В четырехтактных двигателях организация движения свежего заряда выполняется за счет придания соответствующей конфигурации впускному каналу, заширмленными клапанами, наличием вытеснителя на поршне, формы камеры сгорания и т.д. Для двухтактных двигателей организованное движение свежего заряда получают за счет специальной конфигурации продувочных окон.

9. Переход на непосредственный впрыск легкого топлива.

27

3.8. Процесс сжатия

Процесс сжатия предназначен:

а) для расширения температурных пределов, между которыми протекает процесс;

б) для создания лучших условий сгоранию топлива; в) для получения максимально допустимой в реальных условиях

степени расширения рабочего тела; г) в карбюраторных двигателях в процессе сжатия происходит

дополнительное смесеобразование (в двигателях легкого топлива). Таким образом (теоретически), чем больше степень сжатия, тем

лучше показатели двигателя (больше КПД). Однако в реальных условиях, как показали исследования Кострова, получение наибольшей мощности двигателя имеет место при =13–17.

Для бензиновых двигателей степень сжатия лежит в пределах=7,0–11. Максимальное значение степени сжатия ограничивается детонационной стойкостью топлива и возможностью предварительного самовоспламенения.

Для дизельных двигателей степень сжатия должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы обеспечить:

а) надежный пуск двигателя при низких температурах; б) надежное воспламенение топлива при работе двигателя на

холостом ходу и малых нагрузках при низких температурах. Максимальное значение степени сжатия ограничивается проч-

ностью кривошипно-шатунного механизма и снижением КПД двигателя. Для дизельных двигателей степень сжатия лежит в пределах 15–25. В реальных условиях степень сжатия происходит при переменном показателе политропы, т.е. сопровождается переменным теплообменом.

В начале сжатия температура рабочего тела ниже температуры стенок цилиндра, т.е. происходит процесс подвода теплоты к рабочему телу, при постоянном объеме. Показатель политропы равен бесконечности. По мере перемещения поршня температура рабочего тела увеличивается, стенок цилиндра уменьшается, показатель политропы будет уменьшаться, однако будет больше К. В точке В температура рабочего тела и стенок цилиндра будет одинакова, т.е. n = К. При дальнейшем перемещении поршня температура рабочего тела будет выше температуры стенок цилиндра, т.е. будет происходить отвод теплоты от рабочего тела в стенки цилиндра. n < К.

28