- •Дисциплина Силовые агрегаты Лекция 2 Рабочие процессы действительного цикла двигателя внутреннего сгорания. Процессы газообмена и сжатия
- •Процессы газообмена
- •Процесс сжатия.
- •1. Процессы газообмена
- •1.1 Условия протекания процессов газообмена в 4-тактных двигателях
- •Определение параметров рабочего тела в системах впуска и выпуска.
- •Процесс сжатия
- •Назначение процесса сжатия. Факторы, обусловливающие выбор величины степени сжатия.
- •Теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра в процессе сжатия.
Дисциплина Силовые агрегаты Лекция 2 Рабочие процессы действительного цикла двигателя внутреннего сгорания. Процессы газообмена и сжатия
Учебные вопросы:
-
Процессы газообмена
-
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):
-
Процесс выпуска.
-
Газообмен в период перекрытия клапанов.
-
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 рх также возрастает. Поэтому если в начале хода сжатия рх>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.