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

§3. ГАЗОДИНАМИКА В ЦИЛИНДРЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

СНЕРАЗДЕЛЕННЫМИ И ПОЛ УРАЗДЕЛЕННЫМИ

КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ

Воздействие движущегося воздушного заряда изменяет форму топливного факела.

При малых скоростях движение воздуха влияет только на обо­ лочку факела, состоящую из паров топлива и мелких капель, уже потерявших свою скорость. При поперечном воздушном потоке пары топлива и мелкие капли увлекаются в сторону от оси факела и происходит расширение струи. При повышении скорости воздуха развеивающий эффект проявляется уже для большей части топлива с большими размерами капель. При скорости движения воздуха, соизмеримой со скоростью движения ядра факела, начинает от­ клоняться также и ядро. Однако получение высоких скоростей воздуха, порядка 100 м/с и более, практически нецелесообразно. При впрыске топлива во вращающийся воздушный заряд на части1да топлива, увлекаемые воздухом помимо основной аэродинами­ ческой силы, вызывающей движение в направлении вихря, оказы­ вают действие также центробежная сила, направленная от центра вихря, и подъемная сила, направленная к его центру, возникаю­ щая от различия давления и плотности воздуха по сечению вихря. Траектория частицы зависит от соотношенияплотностей частицы и вращающейся среды. Капли топлива, обладающие большой плот­ ностью по сравнению с воздухом, кроме основного движения вме­ сте с вихрем движутся также от центра вихря к стенкам камеры сгорания. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру и менее плотные, движутся к центру вихря, вытесняя холодный воздух к периферии. Движение заряда в камере сгорания может быть создано в период впуска воздуха в цилиндр, затем в период сжатия и, кроме того, во время горения. В период впуска в че­ тырехтактном двигателе турбулентность воздуха практически всегда создается в период его движения через впускной канал и клапаны. Обычно скорость движения во впускных органах до­ стигает величины около 50 м/с. Энергия, затрачиваемая на создание турбулентности при впуске, растет по мере увеличения числа обо­ ротов двигателя. Эта специально неорганизованная турбулент­ ность продолжает существовать в конце такта сжатия и может спо­ собствовать смесеобразованию и сгоранию. Для ее использования выбирают число и направление сопловых отверстий так, чтобы обес­ печить попадание топливных струй во все зоны заряда в камере сгорания. Это позволяет, не усложняя конструкции двигателя, получить удовлетворительное смесеобразование и сгорание, но при значительном избытке воздуха. Отсутствие организованной и специально направленной турбулентности в- цилиндре двигателя приводит к ускорению ее затухания. Положительными для таких двигателей являются низкий теплоотвод и потери теплоты в стенки. Отсутствие специальной организации движения воздушного за-

318

ряда в цилиндре характерно для двигателей с неразделенными ка­ мерами сгорания и требует использования распылителей с боль­ шим числом сопловых отверстий. Правильно организованное дви­ жение воздуха в процессе впуска позволяет уменьшить гидравли­ ческие потери энергии на создание воздушного вихря, дольше сохранить это движение и иметь наполнение достаточно высоким.

В общем случае процессы движения газа в цилиндре описы­ ваются уравнениями движения, неразрывности и состояния:

Р = ср",

где р — давление; р — плотность; w — скорость газа; f — плот­ ность распределения объемных сил в газе (сил тяготения, центро­ бежных и т. д.); t — время. Интегрирование этой системы уравне­ ний для установившегося движения несжимаемой жидкости при­ водит к известному уравнению Бернулли.

. В стационарном потоке сжимаемой жидкости плотность частиц в любом сечении потока не зависит от t, т. е. dpldt = 0, и уравне­ ние неразрывности для движущейся с потоком частицы приводится к виду

В двухтактных двигателях (рис. III.9, з) интенсивное враща­ тельное движение заряда возможно получить за счет танген­ циально-направленных продувочных окон (рис. III. 14, а). Наибо­ лее интенсивное вращение воздуха получается при направлении осей продувочных окон касательно к окружности диаметром 2/3D. На скорость вращения заряда в конце сжатия при этом можно дополнительно влиять путем уменьшения размера камеры сжатия по отношению к полному диаметру цилиндра. Следует стремиться к тому, чтобы при полной нагрузке двигателя за время впрыска поворот воздушного заряда в цилиндре происходил на угол, обес­ печивающий полное заполнение парами топлива объемов воз­ душного заряда в промежутках между топливными факелами.

При чрезмерном завихрении заряда тангенциальными проду­ вочными окнами могут быть нарушены условия полного и свое­ временного сгорания вследствие центрифугирования топлива в пе­ риод впрыска, а также центрифугирования холодного продувоч-

319

ного воздуха и сноса горячих продуктов сгорания в сторону ядра вихря. При повышении скорости вихря возрастают тепловые по­ тери в стенки цилиндра. В случае слабого вращения заряда, кроме того, возможно появление значительных различий в работе от-

Рис. III.14. Схемы закручивания воздушного заряда при впуске в двигатель

дельных цилиндров из-за влияния случайных отклонений в раз­ мерах и направлении продувочных окон.

При расчете скорости вращения вихря следует учитывать, что

впериод продувки через тангенциальные окна воздушный заряд

вцилиндре приобретает момент количества движения

(ШЛО)

о

где — радиус окружности, касательной к направлениям осей продувочных окон; фа — коэффициент продувки; w — скорость воздуха в окнах, которая может быть определена по формуле

wcP — dm — элемент массы втекающего заряда; /ср —

площадь сечения продувочных окон, осредненная за период про­ дувки, соответствующий повороту вала на угол фпр. Тогда после подстановки в исходное уравнение (ШЛО) получим

320

Момент количества движения заряда в конце сжатия при его вра­ щении по закону твердого тела определяется из выражения

М = /со,

где / — mR-2 = pBVa/?2 — момент количества движения заряда в камере сгорания; R 2— радиус инерции камеры сгорания. Тогда относительная скорость вращения заряда в камере сгорания равна

«в WRjVg

п^/срФпр

где § — доля потерь момента количества движения за период хода сжатия.

Далее, учитывая, что Va= V cs, и определив угол поворота ко­ ленчатого вала в период продувки из формулы

где Нпр — высота продувочных окон; S — ход поршня;

а _ я

и, кроме того, учитывая равенство

/ер = 3 ^"пр^пр^пр.

где inp и Впр— число и ширина продувочных окон, получим выра­ жение для относительной скорости вихря в виде

риода задержки воспламенения ф4- = 8,0° п. к. в. заряд повер­ нется на угол фв = 23-8 «=* 180°.

Вчетырехтактном двигателе вращательное движение заряда создают в период впуска воздуха через клапаны.

Вслучае выполнения впускного патрубка с тангенциальным на­ правлением по отношению к цилиндру (рис. III. 14, в) или приме­ нения клапана с ширмой (рис. III. 14, б) получают интенсивное вращательное движение заряда.

Изменением геометрии впускного патрубка или угла охвата клапана ширмой получают вращательное движение требуемой ин­ тенсивности. Количественно интенсивность вращательного дви­ жения оценивается по величине момента количества движения воздуха в цилиндре, которое определяется по уравнению

М= J wTr dm кгс-м2/с,

о

где wr — тангенциальная скорость движения заряда, м/с; г — текущее значение радиуса, м; dm — элемент массы воздушного заряда, кг; = DI2 — радиус цилиндра.

Измерение окружных скоростей в цилиндре двигателя, выпол­ ненное в НАТИ, показывает, что после окончания наполнения дви­ гателя через клапан с тангенциальным впускным каналом (см. рис. III. 14, в) весь заряд в цилиндре вращается как твердое тело. Таким образом, тангенциальная скорость воздуха находится в пря­ мо пропорциональной зависимости от расстояния элемента заряда от оси цилиндра w jr — const. При таком характере распреде­ ления скорости заряда момент количества движения будет опре­

вызывает отклонение скорости движения по сравнению с законом твердого тела в слое толщиной 2— 5 мм и появление дополнитель­ ных потоков согласно рис. III. 14, <5.

При выполнении камеры сгорания в виде выемки в поршне в соответствии с рис. III. 14, г на ходе сжатия происходит вытесне­ ние заряда из надпоршневого пространства кольцевой плоскостью поршня в пространстве камеры сгорания. В зонах, непосредственно прилегающих к плоскости вытеснения поршня, вследствие трения и возникновения дополнительных воздушных потоков, аналогич­ ных показанным на рис. III. 14, д', происходят движение воздуха вдоль днища в направлении к центру и послойное его вытеснение в камеру.

Радиальные составляющие скорости движения заряда у кромки камеры сгорания преобразуются в осевые, и далее потоки движутся вдоль стенки камеры сгорания в глубь ее. Перетекание заряда в камеру сгорания сопровождается частичными потерями энергии. Вместе с тем, ввиду уменьшения диаметра заряда после его вытес­ нения в объем камеры сгорания по закону сохранения момента количества движения, угловая скорость этой части заряда увели­ чивается.

32 2

Часть заряда, остающаяся в зазоре над поршнем вокруг гор­ ловины камеры сгорания, вследствие повышенного трения о днище поршня и плоскость головки при уменьшении зазора начинает вращаться с замедлением окружных скоростей по мере удаления от горловины и приближения к стенке цилиндра. Распределение скорости в этой части заряда принимает форму распределения в потенциальном вихре, т. е. по закону wTr = const. В целом рас­ пределение скоростей в камере и зазоре соответствует эпюре ско­ ростей на рис. II 1.14, г.

Вращение заряда в цилиндре возрастает в процессе впуска через тангенциальный канал, и момент количества движения опре­

К концу сжатия воздушный заряд вытесняется в камеру в порш­ не и часть его объемом V3остается в зазоре над вытесняющей частью поршня. Так как в камере, расположенной в поршне, вращение заряда происходит по закону wT!r = const, то момент количества движения получим

_ Рс(Ус— У3)ц>и/к

где V3— объем заряда в зазоре над поршнем; wK— скорость за­ ряда у пружинных стенок камеры в поршне; гк — радиус камеры.

Остальная часть заряда в зазоре вращается по закону потен­ циального вихря wTr = const, и момент количества движения равен

М 3 = PCV 3W J K.

Так как в конце сжатия

м к + М3— Мъп(1 — £),

где | — коэффициент потерь момента количества движения за периоды впуска, сжатия и перетекания, и, учитывая, что paVa = = PcV^, получим увеличение скорости вращения к концу хода сжатия в соответствии с выражением

На основании (III. 13) и (III. 14) получим выражение для отно­ сительной скорости вращения воздушного заряда в камере

Кг Ус

Суменьшением радиуса камеры в поршне угловая скорость вращения заряда в конце сжатия увеличивается обратно пропор­ ционально отношению dJD. Вместе с тем, с уменьшением диаметра камеры возрастают также и потери энергии, т. е. происходит умень­ шение момента количества движения. В целом в процессе впуска, сжатия и перетекания заряда в камеру сгорания для двигателей, не имеющих на днище поршня выемки под клапаны, уменьшение момента количества движения может достигать 1 — £ = 0,2. Потери возрастают также и с ростом интенсивности начального вихревого движения заряда. Следовательно, изменением формы

впускного патрубка, его наклона и размеров' сечения а— а (рис. III.14, в), а также радиуса в поршне возможно влиять на интенсивность вращения заряда к концу хода сжатия.

Оптимальной является такая интенсивность для объемного смесеобразования, при которой за время впрыска топлива при центрально расположенной форсунке заряд успевает повернуться на угол между осями топливных факелов из сопловых отверстий распылителя: njn ~ 360/гсфг. Следовательно, чем меньше число отверстий в распылителе форсунки, тем требуется большая интен­ сивность вращения воздушного заряда. Это вызывает увеличение затрат энергии на создание вихревого движения и уменьшение наполнения цилиндра.

При заданном числе сопловых отверстий оптимальная скорость вращения уточняется экспериментально на основании характе­ ристик, приведенных на рис. III. 15. Согласно приведенным гра­ фикам, с повышением интенсивности вращения происходит умень­ шение наполнения цилиндра. Но наилучшая экономичность и ве­ личина ре достигаются при высокой интенсивности вращения. При

324

вихря вместе с минимальными значениями удельного расхода топлива наблюдается также наименьшая дымность выпускных газов, свидетельствующая о наилучшей полноте сгорания топлива в цилиндре.

Интенсивность вихревого движения находится примерно в про­ порциональной зависимости от числа оборотов двигателя. Поэтому вместе с уменьшением скоростного режима двигателя происходит снижение угловой скорости вихря, и при малых скоростных режи­ мах интенсивность вихревого движения оказывается недостаточной

щения следует при номинальном режиме обеспечивать завихрение по верхнему пределу оптимальных значений интенсивности.

Согласно экспериментальным данным, полученным на ЯМЗ, ухудшение экономических показателей двигателя с объемным сме­ сеобразованием при уменьшении скорости вращения заряда по сравнению с оптимальной происходит вследствие ухудшения ис­ пользования воздуха и замедления процесса сгорания. При уве­ личении интенсивности вихревого движения часть топлива из периферийной зоны факела сносится в зону ядра соседнего факела, повышается местная концентрация топлива, и в процессе горения продукты сгорания каждого факела также попадают в зону ядра последующего факела.

При пленочном смесеобразовании для камер сгорания в соот­ ветствии с рис. III.9, а, д вихрь осуществляет подвод воздуха к топ­ ливу, нанесенному в виде пленки на стенку камеры, и отвод про­ дуктов сгорания из зоны горения. Скорость движения воздуха относительно пленки топлива на стенках камеры должна обеспе­ чить необходимую скорость испарения топлива, а также воздушный поток должен способствовать нанесению топливной пленки на стенки камеры. При этом предусматривается постепенное вовле­ чение топлива в процесс горения со все возрастающей скоростью. При пленочном смесеобразовании используют распылители

32 5

с одним—тремя сопловыми отверстиями, что является большим до­ стоинством способа смесеобразования. С увеличением числа соп­ ловых отверстий, повышением длины топливного факела и угла встречи факела со стенкой возрастает доля объемного смесеобра­ зования и повышается жесткость работы двигателя.

Экспериментально определение необходимой интенсивности вихревого движения в соответствии с размерами камеры сгорания

'/////////////Ш //////////А

С Л \ { 0

Рис. III.16. Завихривание заряда в камере сгорания типа ЦНИДИ:

ичислом сопловых отверстий целесообразно выполнять при воз­ действии на воздушный поток впускных клапанов с ширмами. Да­ лее удобно производить подбор формы впускных патрубков для обеспечения ими требуемой интенсивности вращения заряда путем продувки на безмоторной установке. Высокие экономические пока­ затели двигателей с полуразделенными камерами сгорания по типу, показанному на рис. II 1.9, б, г, достигаются при сочетании вращательного движения заряда, созданного при впуске, с дви­ жением, создаваемым поршнем в процессе сжатия и последующего хода расширения. Интенсификация процессов смесеобразования

исгорания в дизелях за счет организации направленного враща­ тельного движения воздуха и газов, вызванного движением поршня на тактах сжатия и расширения, используется в полуразделенной

камере сгорания типа ЦНИДИ. Характер движения воздуха, вы­ званного перемещением поршня, показан на рис. III. 16, а.

При перемещении поршня в направлении к в. м. т. вследствие перетекания воздуха из надпоршневого пространства в камеру сгорания в ней возникает кольцевой вихрь. Поле скоростей воз-

326

духа в вихре оказывается потенциальным, т. е. скорость воздуха выше при меньших расстояниях до оси вихря. Полученный коль­ цевой вихрь очень неустойчив и быстро затухает. Время его суще­ ствования значительно короче, чем у осевого вихря.

Кольцевой вихрь находится в состоянии равновесия только при движении вдоль собственной оси в направлении, совпадающем с на­ правлением скорости в центре кольца. Если на пути перемещения вихря находится препятствие, например днище камеры сгорания, то перемещение прекращается. Но при этом абсолютные скорости внутри вихревого кольца уменьшаются, а вне его увеличиваются, что приводит к появлению разности давлений, вызывающих рас­ тягивание вихревого кольца. Если этой деформации препятствуют боковые стенки, то, достигнув их, вихрь разрушается. Следова­ тельно, придавая стенкам камеры сгорания форму, близкую к форме остановленного вихря, возможно увеличить время его существо­ вания и ускорить процессы смесеобразования. При последующем движении поршня от в. м. т. и начавшемся истечений из камеры воздух в камере продолжает вращаться в лрежнем направлении. В полости над поршнем при истечении потока из камеры также образуется вихрь. Важно, что при начавшемся движении поршня от верхней мертвой точки происходит резкое увеличение скорости потоков у кромки. В целом изменение скорости воздуха у кромки камеры ЦНИДИ показано на рис. НЕ 16, б. Скорость у кромки резко увеличивается при подходе поршня к положению примерно 25° п. к. в. до в. м. т. и далее до в. м. т. практически не изменяется. При перемещении поршня на 10— 20° п. к. в. после в. м. т. скорость опять резко возрастает. Начиная с положения поршня примерно 26° п. к. в. после в. м. т., скорость быстро снижается. Максималь­ ная скорость воздуха у кромки в полтора-два раза превосходит максимальную скорость у днища. Следовательно, в камере типа ЦНИДИ в период интенсивного сгорания возникают вы­ сокие скорости воздуха, особенно у кромки, куда подается топ­ ливо.

Сизменением частоты вращения двигателя скорость воздуха

укромки изменяется в прямо пропорциональной зависимости.. На скорость воздуха у кромки влияет смещение камеры от оси ци­ линдра (рис. III. 16, в). При смещении камеры на величину, соот­ ветствующую одной десятой диаметра, скорость у кромки умень­ шается на одну треть. Поэтому не следует допускать смещения ка­ меры от центра, например с целью размещения ее под форсункой. Максимальные скорости у стенки камеры сгорания типа ЦНИДИ могут быть получены выше, чем в полуразделенных камерах с ор­ ганизацией вращательного движения вокруг оси цилиндра при впуске. Для ускорения смесеобразования и полного сгорания струи топлива следует направлять под горловину камеры сгорания (рис. 111.17) при четырех или пяти сопловых отверстиях в распы­ лителе, обеспечивающих равномерное распределение топлива по окружности горловины.

327