книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

кривошипа. Проведя серию промежуточных построений для положений кривошипа от начала открытия до момента закры­ тия окон и определив площадь проходного сечения их для каж­

гается выше кромки днища поршня (линия bb). На одном графике обычно совмещают диаграммы проходных сечений продувочных и выпускных органов газораспределения. Площадь под кривыми соответствует величине время-сечения.

Чтобы определить действительное время-сечение органов га­ зораспределения, необходимо учесть масштаб площади чертежа развертки зеркала цилиндра т\ м2/см2, а также тангенциальный угол а и угол Р между осью канала окна и осью цилиндра. Дей­ ствительная площадь живого сечения будет равна

f = niff' cos a sin Р,

где /' — площадь открытия окон на развертке зеркала цилиндра, см2.

Масштабы при построении диаграмм / = £ (ф) будут:

В случае прямоугольных или ромбовидных окон текущие зна­ чения площади проходного сечения в зависимости от угла поворота кривошипа и время-сечение могут быть найдены аналитическим путем.

Путь поршня, отсчитываемый от положения его в н. м. т.

Здесь R — радиус кривошипа; (рх — угол поворота кривошипа, отсчитываемый от положения поршня в н. м. т.; К = R/L — от­ ношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Если обозначим h расстояние от верхней кромки окна до кромки днища поршня, расположенного в н. м. т. (очень часто это расстояние оказывается равным высоте окон), то зависимость для элементарного время-сечения при суммарной ширине окон b вы­ разится следующим соотношением:

fd x = {h — Sx)bdx = ( h ~ S x) b - ^ - .

148

Подставив вместо Sx выражение (1.189), получим формулу для определения время-сечения А, начиная с момента открытия окон до любого положения кривошипа (угол <р отсчитывается от н. м. т.).

и соответствующий началу открытия окон.

Для получения действительной величины время-сечения необ­ ходимо учесть углы наклона оси канала рассматриваемых окон а и р. Площадь проходного сечения выпускного клапана является функцией его подъема

Дл = nhxcos y (d - f 0,5/t* sin 2y),

где hx — текущее значение подъема клапана; d — диаметр гор­ ловины; у — угол фаски тарелки клапана.

На рис. 1.53 приведены совмещенные диаграммы проходных сечений органов газораспределения для различных видов систем газообмена. При обычной системе (рис. 1.53, а) диаграмма полу­ чается симметричной (как и фазы газораспределения) относительно н. м. т. Площадь ББХА определяет величину время-сечения фазы потери заряда. Установка золотника на выпуске (рис. 1.53, г) позволяет устранить ее и даже получить фазу дозарядки. Диа­ граммы проходных сечений и фаз газораспределения — несим­ метричные. Благодаря этому обеспечиваются меньшие потери продувочного воздуха с выпускными газами, увеличивается за­ ряд свежего воздуха в цилиндре. При наличии клапанов перед продувочными окнами (рис. 1.53, в) имеется возможность со­ кратить потери рабочего хода и получить фазу дозарядки А А ХБ. Диаграммы для двигателей с прямоточной щелевой системой газо­ обмена симметричны относительно внешних мертвых точек соот­ ветствующих поршней, но сдвинуты относительно друг друга на угол смещения коленчатых валов Аф (рис. 1.53, е). Сравнительно малая начальная скорость подъема и скорость посадки клапана определяют характер диаграммы время-сечение выпускных ор­ ганов двигателей с клапанно-щелевой продувкой (рис. 1.53, д). Изменение проходных сечений в начале подъема и при посадке клапана мало. В связи с необходимостью обеспечения достаточно большой пропускной способности (время-сечения) выпускных

149

органов до открытия продувочных окон в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой вынуждены предусма­ тривать, как было отмечено выше, открытие клапанов с несколько

Рис. 1.53. Диаграммы изменения проходных сечений органов газораспределения при обычной петлевой (а), односторонней с зо­ лотником (б), с клапанами на выпуске (в), с золотником на вы­ пуске (г), прямоточных клапанно-щелевой (д) и щелевой (е) си­ стемах газообмена

Следует отметить, что закрытие выпускных клапанов чаще оказывается целесообразным осуществлять с запаздыванием — после закрытия продувочных окон. Несмотря на это в конечный период газообмена наблюдается дозарядка в связи со значитель­ ным превышением время-сечения продувочных окон по сравнению с время-сечением выпускных клапанов. Запаздывание закрытия клапанов не приводит к заметной потере заряда воздуха ввиду очень малой величины время-сечения выпуска в этот период. Как видно из табл. 1.20, в двигателях с достаточно отработанным про­ цессом газообмена клапаны закрываются с запаздыванием на 15— 20° п. к. в.

150

§ 3. ПРОЦЕСС ГАЗООБМЕНА, ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ГАЗООБМЕНА

Процесс газообмена

Газовоздушный тракт представляет собой единую систему, в которой происходят сложные термодинамические и газодинами­ ческие процессы, оказывающие в условиях двухтактных двига­ телей большое влияние на качество газообмена.

В начале открытия выпускных органов наблюдается скачок давлений в выпускном коллекторе, обусловливающий возникно­ вение в нем колебательных процессов. Одновременно происходит резкое снижение давления газов в цилиндре. В период развитого потока газов через выпускные органы здесь возможно возникнове­ ние значительного разряжения (в многооборотных двигателях до 0,3—0,4 кгс/см2). После открытия продувочных окон и при до­ статочно интенсивном поступлении в цилиндр продувочного воз­ духа, давление в нем возрастает. Полученный в результате им­ пульс вызывает колебание давления в цилиндре и в воздушном тракте. Колебательные процессы в отдельных элементах газовоз­ душного тракта взаимосвязаны, их характер зависит от множе­ ства факторов: от частоты процесса, исходных параметров рабо­ чего тела, геометрии элементов тракта, воздействия смежных цилиндров. Все это значительно усложняется переменностью объ­ емов и интенсивным теплообменом. На рис. 1.54 приведен пример характера изменения в период газообмена давлений в ресивере продувочного воздуха, в выпускном коллекторе, цилиндре и в под­ поршневой полости трехцилиндрового малооборотного двухтакт­ ного дизеля с клапанно-щелевой продувкой. Наибольшее влияние на качество газообмена оказывает ускоренное движение масс га­ зов и волновые явления в выпускной системе.

Принято различать три основных по времени фазы процесса газообмена:

с в о б о д н ы й в ы п у с к (/) — с момента открытия вы­ пускных органов (точка В на рис. 1.55) до начала поступления продувочного воздуха в цилиндр (точка Я); при этом особо выде­ ляется начальная стадия процесса — предварение выпуска — с момента открытия выпускных окон до начала открытия проду­ вочных окон (точка Я);

п р и н у д и т е л ь н ы й в ы п у с к и н а п о л н е н и е (II) — продувка — с момента поступления в цилиндр двигателя продувочного воздуха (Я) до закрытия выпускных или продувоч­ ных органов;

д о з а р я д к а (III), если первыми закрываются выпускные органы, или д о п о л н и т е л ь н ы й выпуск, если раньше за­ крываются продувочные окна (период А Б).

В первую фазу — свободный выпуск, происходит истечение продуктов сгорания из цилиндра через выпускные органы в кол­ лектор за счет перепада давления в цилиндре двигателя и в вы­

151

пускном коллекторе. В этот период следует иметь в виду возмож­ ность появления двух отличных по характеру процессов — над­ критического и подкритического истечения. В первом случае с мо­ мента открытия выпускных органов до критического отношения

Рк

Рп

Рати

открытия продувочных окон давление газов в цилиндре рн обычно заметно выше давления продувочного воздуха рк. Однако при пра­ вильном выборе фазы предварения выпуска заметного заброса продуктов сгорания в ресивер продувочного воздуха не происхо­ дит. Это объясняется тем, что давление газов в этот период быстро снижается, а степень открытия продувочных окон до выравнива­ ния давлений невелика. Процесс продувки, особенно вторая его часть, происходит при относительно небольших изменениях дав­ ления и по характеру часто приближается к установившемуся движению,

152

На рис. 1.55 приведена Диаграмма время-сечения органов га§6^ распределения двухтактного двигателя. Располагаемые времясечения, относящиеся к отдельным фазам процесса газообмена при принятых обозначениях, будут соответствовать следующим площадям:

При известных величинах располагаемых Время-сечений имеется возможность найти средние за процесс условные скорости газов в органах газораспределения за периоды (м/с):

свободного выпуска

чали, что двигателям с прямоточной продувкой, как правило, свойственны были высокие значения среднего эффективного давления [отношение pJpKдля двигателей с прямоточной систе­ мой газообмена находится в пределах 4,3— 5,5 (6,5), в то время как для двигателей с петлевой системой— 3,6— 5,0], пониженные значения ge и т. д.

Однако при доводке систем газообмена требуется более глу­ бокий анализ их совершенства, необходимо осуществлять каче­

153

ственную оценку собственно систем газообмена, оценку качества очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения его свежим зарядом воздуха.

Совершенство очистки цилиндра от продуктов сгорания оце­ нивается по величине коэффициента остаточных газов

свежего заряда воздуха.

Для двухтактных двигателей в зависимости от типа системы газообмена характерны следующие значения уг: с прямоточной щелевой 0,03—0,08; прямоточной клапанно-щелевой 0,06— 0,12; петлевой продувкой — 0,07—0,15 (для двигателей с кривошипно­ камерной продувкой — до 0,30). Меньшие значения уг характерны для малооборотных двигателей.

Для оценки качества очистки цилиндра нередко'используется так называемый к о э ф ф и ц и е н т п oyi е з н о^г oj д е й ­

Для оценки потерь продувочного воздуха с выпускными га­ зами в процессе газообмена используется к о э ф ф и ц и е н т п р о д у в к и

т. е. коэффициент продувки равен отношению весового количества воздуха, поданного в цилиндр двигателя за процесс газообмена GK, к количеству воздуха, оставшегося в цилиндре к началу сжа­ тия Ga. В принципе следует стремиться к обеспечению хорошей очистки цилиндра и его наполнения свежим воздухом при мень­ ших значениях ср. Однако в ряде случаев искусственно увеличи­ вают ср с целью снижения температуры газов перед турбокомпрес­ сором и температуры выпускных клапанов.

Значение ф для существующих двигателей находится в пре­ делах 1,3— 1,9 (табл. 1.23).

Величина, обратная коэффициенту продувки, называется к о -

э ф ф и ц и е н т о м и с п о л ь з о в а н и я п р о д у в о ч н о ­ г о в о з д у х а :

1 Ъ = -ф- •

154

Определение уг, ф и % представляет значительные трудности. В связи с этим для качественной оценки очистки и наполнения цилиндра используют легко определяемые параметры: коэффи­ циенты избытка продувочного воздуха <р0, фк и суммарный коэф­ фициент избытка воздуха а2.

Коэффициентом избытка продувочного воздуха называется от­ ношение объема воздуха, подаваемого в цилиндры за цикл (отне­ сенного к р 0 и t0 при определении ср0 или к рк и tKпри оценке фк), к суммарному объему цилиндров двигателя

Коэффициент ф0 чаще используется при расчете малооборот­ ных двигателей без наддува с низкими значениями давления продувочного воздуха.

При расчете системы газообмена с повышенными значениями давления рк целесообразнее относить объем воздуха, подаваемого в цилиндр, к рк и tK

В этом виде коэффициент более правильно отражает смысл по­ нятия об объемном избытке воздуха, так как учитывает состояние газа перед впускными органами. Коэффициент фк находится в пределах 1,3— 1,0.

Взаимосвязь между основными показателями качества газо­ обмена может быть получена следующим образом:

оставшегося в цилиндре, приведенный к условиям перед впуск­ ными органами.

Коэффициент избытка воздуха

155