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

Следует подчеркнуть, что коэффициент наполнения, согласно данному ему определению, дает оценку только внутренних свойств двигателя без оценки внешнего по отношению к двигателю со­ стояния среды, которая оказывает самостоятельное влияние на весовой заряд двигателя. Это подтверждается возможностью ши­ рокого изменения показателей наружного воздуха р 0 и Т 0, а сле­

Рис. 1.22. Диаграммы насосных ходов и изображение условных парциальных объемов остаточных газов и свежего заряда

газов в объеме Vc, так как (рис. 1.21) в процессе хода наполнения расширившиеся остаточные газы от давления рг до давления ра займут объем

V > Ve.

Для рассмотрения вопроса относительно парциальных объемов остаточных газов и свежего заряда воспользуемся индикаторной диаграммой насосных ходов со схематическим изображением этих объемов (рис. 1.22): а — при газотурбинном наддуве отработавшие газы имеют повышенное противодавление перед турбиной, ввиду чего возможно соотношение рг > ра; б — для четырехтактного двигателя с наддувом от приводного нагнетателя, где выпуск осуществляется прямо в атмосферу, возможен случей рг < ра.

Остаточные газы, расширяясь в процессе наполнения от рг до ра, занимают объем больший, чем объем Vc, т. е. они могут за­ нять часть рабочего объема Ks, что приведет к уменьшению коли­

чества свежего заряда по сравнению с рабочим объемом 1Д (рис. 1.22, а).

В четырехтактном двигателе парциальный объем остаточных газов в цилиндре может быть меньше объема камеры сжатия Vc

60

(при pr < ра), что может привести к увеличению объема свежего заряда (рис. 1.22, б). Такое состояние может быть в двигателях с наддувом и продувкой камеры сгорания при умеренном противо­ давлении на выпуске.

Однако состояние газов по схеме (рис. 1.22, а) при рг > ра следует считать условным, так как в реальном двигателе остаточ­ ные газы, смешавшись со свежим зарядом в конце наполнения, будут иметь температуру не остаточных газов Тг, а температуру рабочей смеси Та < Тг. Следовательно, плотность остаточных га­ зов возрастает, и они займут меньший парциальный объем, кото­ рый будет всегда меньше объема Vc (рис. 1.22, б).

Таким образом, на коэффициент наполнения влияют следую­ щие факторы: величина коэффициента остаточных газов уп зави­ сящего от степени сжатия е и отношения давлений рт!ра\величина отношения p j p b или ра!рк — степень понижения давления в ци­ линдре к концу хода наполнения. Оказывает влияние также вели­ чина подогрева заряда от нагретых стенок внутренних поверхно­ стей цилиндра At.

Кроме того, в четырехтактном двигателе ввиду запаздывания закрытия впускного клапана на коэффициент наполнения влияет

отсутствует, т. е. что клапан впуска закрывается точно в н. м. т., а наполнение цилиндра заканчивается в точке а (рис. 1.16).

Из уравнения материального баланса газа количество молей рабочей смеси в точке а будет равно

Для одного моля газа из уравнения состояния для точки а

М— PaVa~

а~ 848Та ’

61

Учитывая уравнения (1.63), (1.69) и (1.70), получим выражение коэффициента наполнения % в следующем виде:

^~ PrVS Та 1 + Yr ’

Применительно к четырехтактному двигателяю с наддувом или к двухтактному с продувочным насосом уравнение (1.71) примет

Выведенное уравнение является общим для четырех- и двух­ тактных двигателей как с наддувом, так и без наддува.

Остается выяснить влияние на величину цу степени сжатия е

и уг.

Если исследовать связь % с различными показателями, вхо­ дящими в уравнение наполнения изолированно друг от друга, то окажется, что с увеличением г значение % уменьшится. Однако формальный подход к анализу в данном случае мог бы привести к ошибочным выводам, так как в реальном двигателе увеличе­ ние е приводит к увеличению %, т. е. наполнение цилиндра све­ жим зарядом улучшается.

Последнее объясняется тем, что, например, в четырехтактных двигателях при рг > ра влияние е на % от уг сказывается силь­

нее, чем от отношения —£ -у , а поэтому увеличение степени

сжатия е безусловно вызовет увеличение коэффициента наполне­ ния % , так как коэффициент остаточных газов уг при этом будет иметь меньшую величину. В случаях, когда применяется наддув, положительное влияние степени сжатия будет еще большим, так как величина уГ благодаря продувке камеры сжатия примет наименьшие значения, что подтверждается уравнением (1.72).

Учитывая уравнение (1.55) и подставляя его в формулы (1.71

и1.72), можно исключить температуру смеси в начале сжатия Та

иполучить выражение для анализа и оценки наполнения цилин­ дра свежей смесью следующего вида:

(1.73)

62

1) степень понижения давления по сравнению с исход­ ным ра1ро ИЛИ ра/рк;

2)величина подогрева свежего заряда от внутренних горячих стенок цилиндра АТ;

3)коэффициент остаточных газов уг, который для четырех­ тактных двигателей определяется величиной Е и отношением давлений рг1ра, а для двухтактных — качеством продувки.

Кроме отмеченных трех основных факторов, обычно в четырех­ тактных двигателях при запаздывании закрытия впускных кла­ панов на коэффициент наполнения влияет также дозарядка ци­ линдра в начале хода сжатия.

Коэффициент наполнения четырехтактных двигателей

Выведенные уравнения (1.71, 1.73) являются универсальными и могут быть использованы для анализа зависимостей и влияния различных факторов на тщ Для любого типа двигателя. Но так как параметры r)v и уг в этих уравнениях взаимосвязаны, то анализ влияния конструктивных и других факторов на величину г]у яв­ ляется затруднительным. Поэтому желательно исключить из общих уравнений коэффициента наполнения коэффициент остаточных

Подставив правые части этих уравнений в уравнение (1.54), для уг получим

Совместным решением уравнений (1.71) и (1.74) можно исключить параметр уг.

В первом случае это будет формула для определения коэффи­ циента наполнения четырехтактного двигателя

Как видно из приведенного уравнения, в него входят значения температур Та и Тп связанные с коэффициентом остаточных га-

63

зов уг, что также усложняет анализ показателей, характеризующих наполнение цилиндра и влияющих на величину гщ.

В связи с этим более удобным для раскрытия физического смысла уравнения коэффициента наполнения будет формула,

рГ и АТ.

Если уравнение (1.79) представить в ином виде, т. е. вынести за скобки е и ра1ро, то

в цилиндре при наполнении рг1ра (изменение парциального объема

64

отточн ы х газов в точке а, рис. 1.16). В некоторой степени зави­ сит также и от несоответствия теплоемкостей остаточных газов

Уравнение коэффициента наполнения с учетом дозарядки цилиндра и продувки объема сжатия

Дозарядка цилиндра и продувка объема сжатия учитываются соответствующими поправочными коэффициентами к ранее выве­ денным формулам для % .

Принимая во внимание формулу (1.73) и учитывая, что — коэффициент дозарядки, получим уравнение наполнения, учиты­ вающее дозарядку для двигателей без наддува и с наддувом:

Определим величину коэффициента дозарядки цилиндра в на­ чале сжатия (рис. 1.16 и 1.17)

J _ PaiYajTai

PaVaTa '

На участке аа1 индикаторных диаграмм начало сжатия проте­ кает при переменном количестве рабочего тела, поэтому определе­ ние величины Х1 можно осуществить только приближенно по выражению

где k = 1,4 — среднее значение показателя адиабаты для воздуха; величины ра1 и ра могут быть получены из индикаторных диа­ грамм.

Опыт ряда исследователей показывает, что дозарядка цилиндра практически зависит лишь от частоты вращения коленчатого двигателя и момента закрытия впускного клапана.

При этом с возрастанием быстроходности двигателя коэффи­ циент дозарядки и угол закрытия впускного клапана, при котором наполнение становится оптимальным, возрастают (рис. 1.23, а, б).

Значение коэффициента Хг, учитывающего степень дозарядки цилиндра при его заполнении свежим зарядом, лежит в пределах = 1,02-г-1,06, причем большие значения — для быстроходных

двигателей (при отсутствии дозарядки А,х — 1).

Для учета продувки камеры сжатия с целью дополнительной очистки ее от остаточных газов посредством перекрытия фаз рас­ пределения введем коэффициент очистки камеры сжатия при продувке К2:

При этом Vr — объем остаточных газов в цилиндре после про­ дувки, приведенный к давлению остаточных газов рг и темпера-

туре Тг. Величины коэффициента Х2 могут изменяться в пределах

С учетом характеристического уравнения, и коэффициента Х2

После совместного решения уравнений (1.81) и (1.83) получим уточненное уравнение для определения коэффициента наполнения четырехтактного двигателя с продувкой камеры сжатия и дозарядкой в процессе наполнения

66

Увеличение коэффициента наполнения цилиндра двигателя

%= 1 — Ат]кодогр —

—Дгфидр — Дтфыбр + Дг|Г,

где Ат]?°догр — потери на­ полнения от подогрева за­

впуске; Дт]р03— процесс дозарядки; Дт]=ы6р — выброс заряда обратно при малой частоте

вращения и недостаточном инерционном напоре.

В некоторый момент времени мгновенная температура рабо­ чего тела становится равной средней температуре стенок цилин­ дра и наступает мгновенное равновесное тепловое состояние т. е. п{ = k{ — мгновенный адиабатический процесс.

При дальнейшем сжатии заряда его температура становится выше средней температуры стенок цилиндра, направление тепло-

Ю

Рис. 1.27. К анализу характеристик теплообмена в процессе сжатия рабо­ чего тела в цилиндре

вого потока (теплопередачи) изменяется и заряд начинает отдавать теплоту стенкам, т. е. охлаждаться — Q. Участок кривой действи­ тельного процесса Зс в этом случае проходит более полого, чем адиабата сжатия 34\ мгновенные значения политропы становятся меньше показателя адиабаты (п{ •< k[), причем разность между ними (k{ — п[) возрастает по мере приближения поршня к в. м. т.

Как видно из характеристик теплообмена, процесс сжатия в реальных двигателях представляет собой политропический про­ цесс, осуществляющийся с переменным показателем политропы п{ по всей линии сжатия. Если небольшие участки кривой сжатия подчинить уравнению pVni = const и вычислить для этих участков средние переменные значения показателя .п\, то примерный

69