2.2. Особенности газообмена в двигателях внутреннего сгорания

Рассмотрим особенности газообмена в разных двигателях

а) четырехтактный двигатель без наддува (4Ч17,5/24) (рис. 2.7)

Период выпуска отработавших газов из цилиндра состоит из следующих процессов

b′b - свободный выпуск;

br - принужденный выпуск;

rr_о - расширение остаточных газов в цилиндре от давления остаточных газов p_r до атмосферного давления p_о.

Рис. 2.7. Процессы наполнения и выпуска четырехтактного двигателя без наддува

Период наполнения цилиндра воздухом состоит из процессов

r_о а - наполнение цилиндра воздухом;

а а_о - сжатие рабочей смеси до атмосферного давления p_о;

б) четырехтактный двигатель с наддувом (6ЧН25/34) (рис. 2.8)

а) б)

Рис. 2.8. Процессы наполнения и выпуска (а) и круговая диаграмма газораспределения (б) четырехтактного двигателя с наддувом

Период выпуска отработавших газов из цилиндра

b′ b - свободный выпуск;

b r - принужденный выпуск;

r′ r" - продувка камеры сгорания;

Период наполнения цилиндра воздухом состоит из процессов

r а - наполнение цилиндра наддувочным воздухом;

а а_к - дозарядка цилиндра воздухом за счет инерционности потока от давления p_a до давления наддува p_s.

Процессы газообмена в четырехтактном двигателе наглядно иллюстрируются круговой диаграммой газораспределения (рис. 2.8б), обозначения на которой соответствуют рис. 2.8а.

На круговой диаграмме наглядно виден угол перекрытия клапанов r′о r". Величина этого угла влияет на качество очистки камеры сгорания от газов и на уровень теплонапряженности деталей, образующих камеру сгорания.

В четырехтактных двигателях без наддува величина этого угла составляет от 30 до 40 ^оПКВ, а в четырехтактных двигателях с наддувом – от 100 до 140 ^оПКВ.

в) двухтактный двигатель (6ДР30/50) (рис. 2.9)

Рис. 2.9. Процессы газообмена в двухтактном двигателе

В двухтактном двигателе процессы газообмена происходят одновременно и совершаются на части хода поршня , соответствующей углу поворота кривошипа (130-150) ^оПКВ.

Любой двухтактный двигатель для осуществления процессов газообмена должен иметь воздух при избыточном давлении (продувочный воздух).

Период газообмена в двухтактном двигателе состоит из процессов

b d - свободный выпуск газов из цилиндра;

d o c - принужденный выпуск газов из цилиндра вытеснением их продувочным воздухом;

d o c - наполнение цилиндра воздухом;

d o c - продувка цилиндра;

s a - потеря воздушного заряда (или дозарядка цилиндра).

В двигателях внутреннего сгорания различают два понятия:

тактность – количество ходов поршня (тактов), необходимое для совершения одного цикла;

коэффициент тактности z – число рабочих ходов поршня, приходящихся на один оборот коленчатого вала.

Расчетный цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из следующих процессов: наполнение цилиндра воздухом, сжатие рабочей смеси, сгорание топлива, расширение продуктов сгорания.

2.3. Процесс наполнения цилиндра воздухом

Принципиальная схема воздухоснабжения судового дизеля с наддувом показана на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема воздухоснабжения судового дизеля

Атмосферный воздух при параметрах p_o,Т_о через фильтр 1 поступает в центробежный компрессор 2 газотурбонагнетателя. Сжатый до параметров p_к, Т_к воздух далее проходит через охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) 3, где вследствие гидравлических потерь и охлаждения параметры его снижаются до величин p_s, T_s. Этими параметрами характеризуется состояние воздуха в продувочном ресивере 4, откуда он перетекает в пояс 5 продувочных окон 6 и через них в цилиндр 7.

Отработавшие газы через выпускной клапан 8 направляются к газовой турбине 9 ГТН, в утилизационный котел 10 и далее в атмосферу.

Рассмотренную схему воздухоснабжения можно разбить на два характерных участка: А – от входа воздуха в фильтр 1 до продувочного ресивера 4; Б – от ресивера 4 до цилиндра 7.

Собственно процесс наполнения цилиндра воздухом происходит на участке Б. Все конструктивные и эксплуатационные факторы, действующие на участке А, относятся к процессу воздухоснабжения ресивера 4, то есть в целом к системе наддува, поэтому здесь не рассматриваются. Для процесса наполнения они имеют лишь косвенное значение.

При оценке качества наполнения действительную массу воздуха G_в, оставшегося в цилиндре к началу сжатия сравнивают с теоретически возможной. За теоретическую принимают такую массу воздуха, которая могла бы поместиться в рабочем объеме цилиндра V_s при параметрах воздуха p_s и T_s перед цилиндром. Эта масса воздуха с учетом его плотности равна . Действительная масса воздуха в цилиндре G_в в конце наполнения (начале сжатия) оказывается меньше теоретической.

Как всякий реальный процесс, наполнение сопровождается потерями. На процесс наполнения влияют следующие факторы:

- аэродинамические потери давления воздуха на пути из ресивера в цилиндр во впускных органах. Это означает, что практически всегда давление воздуха в цилиндре p_а меньше давления воздуха в продувочном ресивере p_s, т. е. p_а < p_s;

- воздух, поступивший в цилиндр подогревается о стенки цилиндра, а в самом цилиндре его температура еще повышается от перемешивания с остаточными газами от предыдущего цикла, то есть Т_а > T_s. Таким образом, поскольку p_а < p_s, а Т_а > T_s, то ясно, что плотность воздуха в цилиндре к началу сжатия всегда меньше плотности воздуха в продувочном ресивере, то есть ρ_а < ρ_s;

- в цилиндре к началу сжатия всегда остается некоторое количество так называемых остаточных газов от предыдущего цикла, что приводит к уменьшению массы воздуха G_в в том же объеме цилиндра.

В качестве критерия совершенства процесса наполнения цилиндра воздухом служит коэффициент наполнения η_н – отношение массы воздуха G_в (в составе заряда цилиндра G_а), оставшегося в цилиндре при наполнении к той массе воздуха, которая могла бы поместиться в рабочем объеме цилиндра V_s при параметрах воздуха перед цилиндром p_s, T_s

, где

Вывод расчетной формулы для определения коэффициента наполнения базируется на уравнении материального баланса в т. а диаграммы расчетного цикла

где - масса остаточных газов от предыдущего цикла в составе заряда.

В результате имеем

Эта формула справедлива для четырехтактных дизелей без наддува и с наддувом, а также для двухтактных дизелей, но только для полезной части рабочего объема (обозначим ). Коэффициент наполнения, отнесенный к рабочему объему (двухтактные дизели) запишется так

Проанализируем влияние различных параметров на :

- степень сжатия мало влияет на , так как отношение при изменении изменяется незначительно;

- давление в цилиндре в конце наполнения p_а определяется по формуле

где - коэффициент снижения давления в т. а диаграммы расчетного цикла. Этот коэффициент зависит от сопротивления впускных органов (продувочных окон), частоты вращения коленчатого вала, площади сечения впускных органов, инерционности потока воздуха, наличия фазы дозарядки цилиндра.

В расчете рабочего цикла можно принять

= 0,96 – 0,99 – для четырехтактных двигателей с наддувом;

= 0,95 – 0,99 – для современных длинноходных двигателей;

- коэффициент остаточных газов служит критерием совершенства процесса очистки цилиндра от продуктов сгорания и представляет собой отношение массы остаточных газов от предыдущего цикла G_r к массе воздуха G_в, оставшегося в цилиндре к началу сжатия в составе заряда

Коэффициент остаточних газов зависит от тактности двигателя, от частоты вращения коленчатого вала, от типа системы газообмена в двухтактных двигателях, от степени сжатия в четырехтактных двигателях, от сопротивления впускных и выпускных органов, от температуры остаточных газов. С уменьшением коэффициент наполнения увеличивается. В расчете рабочего цикла можно принять следующие значения :

в четырехтактных двигателях с наддувом от 0,01 до 0,02, в двухтактных двигателях с прямоточно-клапанной продувкой от 0,02 до 0,04, в двухтактных двигателях с контурной поперечной продувкой от 0,07 до 0,1, в двухтактных двигателях с контурной петлевой схемой газообмена от 0,1 до 0,15;

- температура воздушного заряда Т_а в конце наполнения. Заряд цилиндра в конце наполнения состоит из воздуха в количестве G_в, подогретого о стенки цилиндра до температуры (T_s+ΔT) и остаточных газов в количестве G_r c температурой Т_r.

Вывод расчетной формулы для температуры Т_а базируется на уравнении теплового баланса в т. а диаграммы расчетного цикла. В результате имеем:

,

где - температура наддувочного воздуха в продувочном ресивере;

- подогрев воздуха о стенки цилиндра;

- температура остаточных газов в цилиндре от предыдущего цикла;

- коэффициент остаточных газов.

Каждый из перечисленных параметров определяется из следующих соображений. Температура воздуха в продувочном ресивере определяется по формуле

где , - параметры окружающей среды;

- давление воздуха после нагнетателя ГТН;

п_к - показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе;

- охлаждение воздуха в ОНВ.

Параметры окружающей среды в расчете можно принять равными стандартным внешним условиям для средних широт (p_о =0,1 МПа; = 27+273, К), либо для тропических условий (p_о =0,101 МПа; = 32+273, К).

Давление воздуха после нагнетателя p_к можно принять равным давлению воздуха в продувочном ресивере p_s, т. е. p_к ≈ p_s.

Показатель политропы сжатия п_к в центробежном нагнетателе можно принять от 1,7 до 1,8.

Величину охлаждения воздуха в ОНВ необходимо принимать исходя из следующего. Минимальная температура воздуха после ОНВ Т_{s min} должна удовлетворять двум условиям

Температуру забортной воды согласно стандартным внешним условиям можно принять для средних широт = 300 К, для тропических условий = 305 К. Температурный напор в охладителе наддувочного воздуха равен (10 - 15)^о. Температуру точки росы T_р для данных условий можно определить по формуле

, К (1)

где - температура воздуха в машинно-котельном отделении, ^оС;

- относительная влажность воздуха в МКО, %; определяется с помощью психрометра. В расчетах можно принять = 60 %;

- избыточное давление наддувочного воздуха, атм.

Подогрев воздуха о стенки цилиндра в расчете можно принять (9-10)^о.

Температура остаточных газов T_r зависит от эффективности продувки камеры сгорания (в четырехтактных дизелях) или продувки цилиндра (в двухтактных дизелях), а также от количества избыточного воздуха по отношению к теоретически необходимому при сгорании. Ориентировочно в расчетах T_r можно принять от 650 до 800 К в четырехтактных дизелях и от 550 до 650 К в современных длинноходных дизелях.

Таким образом, в результате рассмотрения процесса наполнения цилиндра воздухом можно определить параметры заряда цилиндра в начале сжатия (т. а диаграммы расчетного цикла)

;

;

Расчетом коэффициента наполнения оценивается эффективность наполнения как процесса, однако эффективность воздухоснабжения цилиндра определяется массовым зарядом воздуха G_в, зависящим не только от , но и от плотности воздуха в продувочном ресивере .