Дисциплина Силовые агрегаты Лекция 2 Рабочие процессы действительного цикла двигателя внутреннего сгорания. Процессы газообмена и сжатия

Учебные вопросы:

1. Процессы газообмена

2. Процесс сжатия.

1. Процессы газообмена

1.1 Условия протекания процессов газообмена в 4-тактных двигателях

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.

Газообмен формально состоит из последовательных этапов выпуска и впуска, т.е. из этапов открытия выпускного и впускного клапанов. Однако, существует промежуточный этап, когда открыты оба клапана одновременно. О необходимости этого этапа будет сказано чуть позже. Следовательно, обычно говорят о газообмене. Состоящем из трех процессов (этапов):

1. Процесс выпуска.

2. Газообмен в период перекрытия клапанов.

3. Процесс впуска.

Рассмотрим эти процессы.

Процесс выпуска

В конце такта расширения с опереже­нием 40...70 °С до прихода поршня в НМТ начинается выпуск отработавших газов. В результате быстрого уменьше­ния количества газов в цилиндре и их расширения давление заметно понижается и 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.

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.

Газообмен в период перекрытия клапанов.

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. В оптимальном случае 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 отработанными газами. В период перекрытия клапанов 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 в период перекрытия клапанов отработанные газы через выпускной клапан поступают из системы выпуска обратно в цилиндр, а через впускной клапан происходит истечение газов из цилиндра в систему впуска.

Процесс впуска

После начала открытия впускного клапана начи­нается впуск. Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течение процес­са впуска, зависит от об­щего гидравлического со­противления впускной си­стемы, т. е. от разности между давлением окружа­ющей среды р₀ и давлени­ем в цилиндре р, которая изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ. Естественно, что чем меньше потеря давления во впускной системе к приходу поршня в НМТ

тем больше количество свежего заряда, заполня­ющего цилиндр к этому моменту.

При увеличении частоты вращения коленчатого вала поток воздуха движется с возрастающей скоростью и под действием сил инерции в системе впуска давление р_х также возрастает. Поэтому если в начале хода сжатия р_х>р, то впуск продолжается. Этот процесс называют дозарядкой. Для осуществления дозарядки впуск­ной клапан закрывают спустя 35...85° после НМТ. При малой частоте вращения, когда инерция свежего заряда невелика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытес­няет часть заряда из цилиндра обратно во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс. Таким образом в общем случае количество свежего заряда, заполняющего цилиндр после окон­чания впуска, меньше общего количества заряда, поступившего в цилиндр в течение газообмена. Поверхности впускного трубо­провода, канала в головке и внугрицилиндровые поверхности имеют температуру более высокую, чем свежий заряд, поэтому последний вследствие теплообмена в процессе впуска нагревает­ся. Нагревание свежего заряда происходит и вследствие его сме­шения с горячими остаточными газами.

В газообмене выделяют фазы газораспределения. Периоды, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, в течение которых клапаны открыты, называют фазами газораспределения. Круго­вая диаграмма фаз газораспределения дана на рисунке 1.

Рисунок 1 Диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя

При правильном выборе фаз газораспределения не только улучшают­ся очистка цилиндров от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом, но может несколько сократиться затраты энер­гии на газообмен, которые пропорциональны разности давлений в цилиндре в течение процессов выпуска и впуска. Выбор фаз газораспределения и основных геометрических размеров впуск­ного тракта согласовывают при экспериментальной доводке но­вой модели двигателя.

Фазы газораспределения для каждой частоты вращения име­ют свою оптимальную величину, а реальные фазы газорасп­ределения выбирают так, чтобы обеспечить оптимум η, для наиболее важного диапазона скоростных режимов работы двига­теля.

В большинстве случаев высокооборотные двигатели имеют более широкие фазы газораспределения, чем двигатели малообо­ротные. Если необходимо увеличить наполнение цилиндров све­жим зарядом в каком-то определенном диапазоне частоты вра­щения, то следует подобрать сочетание фаз газораспределения и геометрических размеров впускного тракта (главным образом его длины), которое обеспечит большую дозарядку. Такое явле­ние называют динамическим наддувом.

Для эффективного газообмена важно обеспечить большие проходные сечения в клапанах. Эти сечения при газообмене изме­няются, поэтому пропускную способность клапанов характеризу­ют параметром, называемым время-сечение.