Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Кафедра «тд и эу» Лабораторная работа №2

Определение газодинамических показателей работы впускного клапана ДВС

Выполнил: ст. гр. Д-109

Никитин С.А.

Проверил:

Журавлев С.А.

Владимир 2011

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

теоретически изучить газодинамическую картину течения потока через впускной клапан и экспериментально опреде­лить основные газодинамические показатели работы клапана.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ:

1. Теоретически изучить картину течения потока через впускной клапан;

2. Рассмотреть оценочные газодинамические показатели рабо­ты впускного клапана (коэффициент расхода р., коэффициент сопро­тивления £> и др.);

3. Рассмотреть влияние геометрических размеров клапана на его пропускную способность;

4. Экспериментально определить коэффициент расхода р, и ко­эффициент газодинамического сопротивления е, впускного клапана и их зависимости от параметров потока на впуске (расхода, числа Re, скорости и др.).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Наполнение поршневых двигателей свежим зарядом (воздухом или топливовоздушной смесью) во многом определяется совершенс­твом органов газообмена. При клапанном газораспределении важ­нейшим требованием, предъявляемым к впускному клапану, является обеспечение его минимального сопротивления потоку. Установлено, что для впускного клапана наибольшее влияние на наполнение ока­зывают величины радиусов закруглений в точках А, В, С, D (рис. 1, а), в особенности величины радиусов закруглений в т. А и С. Величина радиуса R в месте перехода от стержня к тарелке имеет меньшее влияние. Значительное влияние на наполнение дви­гателя оказывает угол фаски клапана ср. Для улучшения движения заряда и повышения коэффициента наполнения необходимо все пере­ходы в области стержня клапана, его тарелки и седла клапана де­лать по возможности плавными.

Картину движения заряда в области открытого впускного кла­пана можно представить следующим образом. Поток, двигаясь по сечению впускного канала, у седла клапана стремится сохранить свое движение в определенном направлении и только лишь деформи­руясь поворачивает к клапанному седлу. При прохождении клапан­ной щели поток подвергается еще большей деформации (рис. 1, б). В результате наблюдается сжатие струи в узком сечении клапанной щели. При этом используется не вся ширина b этой щели, а лишь ее часть bi. Для достижения максимального наполнения двигателя необходимо, чтобы коэффициент сужения b₁/b имел возможно боль­шее значение. В связи с этим следует выполнять более плавным переход от стержня к тарелке. Именно по этой причине часто при­меняют тюльпанную форму тарелки впускного клапана.

Важнейшим параметром, характеризующим работу клапанного механизма, является высота подъема клапана h_K. При этом всегда существует предельная высота подъема, при которой наступает ра­венство площади проходного сечения клапанной щели и площади проходного сечения горловины впускного канала, т.е.

Проходное сечение клапана с конической фаской представляет собой боковую поверхность усеченного конуса с основаниями d_r и d_K (рис. 2). Величина этой поверхности

Из геометрических соотношений получаем (см. рис. 2)

Тогда

подставляя 2 и 3 в 1 получаем:

Из уравнения (4) следует, что проходное сечение клапанной щели может быть увеличено за счет уменьшения угла ф фаски, уве­личения диаметра горловины d_r и высоты п_к подъема клапана.

Значение высоты h_K подъема клапана, как указывалось выше, ограничивается предельной высотой h _к max, которую можно опре­делить из условия S_K max * S_r. По конструктивным и технологи­ческим соображениям в современных двигателях используются кла­паны с углами фасок ф=30° и ф=45°. Другие углы ф встречаются редко.

Таким образом,при ф=30°

Таким образом., для получения одного и того же проходного сечения клапанной щели высота подъема клапана при ф=30° будет меньше, чем при ф=45°. Поэтому угол фаски клапана ф=30° приме­няется чаще, поскольку он обеспечивает большее наполнение при прочих равных условиях. Однако надо иметь в виду, что эффект от применения угла фаски ф=30° может быть получен только при соблю­дении определенных условий. Например, при неудачном расположе­нии клапана в камере сгорания (близко к стенке цилиндра) может наблюдаться значительная деформация потока при выходе из кла­панной щели, что создает повышенное сопротивление клапана и приведет к падению наполнения. Поэтому в этом случае эффект от применения ф=30° может быть сведен на нет.

При конструировании клапанного механизма важное значение имеет определение газодинамических показателей работы клапана - коэффициент расхода ц, коэффициент сопротивления %, коэффициент сжатия £. Определение мгновенных значений этих параметров явля­ется сложной газодинамической задачей, связанной с нестационар­ное тью процесса впуска и теплообменом потока со стенками.

Исследованиями установлено, что теплообмен в органах газо­распределения хотя и влияет на течение, но не может существенно изменить его картину. Поэтому процессы в клапанной щели допус­тимо рассматривать как изотермические.

При течении потока в процессе газообмена можно выделить два источника потерь энергии потока:

5. деформацию течения при прохождении органов газораспреде­ления;

6. внутреннее трение в потоке (вихреобразование) и внешнее трение между потоком и стенками канала.

Эти потери количественно определяются величиной коэффици­ента расхода м-, который учитывает уменьшение расхода при тече­нии реального потока через данное сечение вследствие сжатия струи и необратимых потерь энергии потока на преодоление данно­го газодинамического сопротивления.

Для более ясного понимания физического смысла коэффициента расхода м. рассмотрим истечение реальной жидкости из сосуда (рис. 3). В процессе истечения потенциальная энергия жидкости, находящейся в резервуаре, переходит в кинетическую энергию сво­бодной струи или капель. Определим при этом скорость истечения и расход жидкости.

Струя отрывается от стенки у кромки отверстия и затем нес­колько сжимается. Это сжатие объясняется тем, что частицы жид­кости, подходяще к отверстию вдоль стенки, не могут резко по­вернуть вблизи отверстия и огибают его кромки по некоторой кри­вой. Цилиндрическую форму струя принимает на расстоянии, равном примерно одному диаметру отверстия.

Коэффициент сжатия струи

где S_c и S₀ - соответственно площадь сечения реальной струи з сжатом сечении и площадь сечения отверстия.

При допущении об установившемся течении в струе (Н= const) для реальной жидкости уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 1-1 будет

где а - коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению потока;

г, - коэффициент сопротивления отверстия.

Так как pi=p₀> имеем

Коэффициент местного газодинамического сопротивления 2, яв­ляется функцией формы канала данного сопротивления и режима те­чения потока в нем. В частном случае для турбулентного режима течения, наиболее часто встречающегося в технике, коэффициент а, не зависит от числа Re, т.е. наблюдается автомодельность режи­ма. В этом случае

где /\р - перепад давления на данном сопротивлении;

ню - скорость течения в характерном сечении сопротивления; р - плотность потока.

В этом случае е, зависит исключительно от геометрии местно­го сопротивления. Так, для клапана определенной конструкции он будет определяться только величиной подъема клапана h_K.

Как правило, вычисление г, аналитическим путем сопряжено со значительными трудностями. Гораздо проще и быстрее s, определя­ется экспериментальным путем.

Приведенные выше рассуждения справедливы для несжимаемых потоков при М < 1/3. Так как в существующих бензиновых двига­телях скорость потока во впускных клапанах лежит в пределах 90...150 м/с, а в дизелях - 80...110 м/с, то с определенными допущениями эти рассуждения можно использовать при исследовании впускных клапанов.

В случае выпуска отработавших газов из цилиндра скорости потока во впускном клапане значительно больше М = 1/3 и коэффи­циенты сопротивления г,, как и коэффициент расхода ню, будут яв­ляться функцией числа М, что требует введение условия р * const.

В лабораторных условиях наиболее просто определить ц, г путем статической продувки клапана.