Процеси газообміну в ДВЗ
PAGE \* MERGEFORMAT 1
EMBED Equation.3
Лекції 4,5 ДВЗ Процеси газообміну в ДВЗ
1. Особливості газообміну в ДВЗ
Процеси газообміну в чотиритактних двигунах здійснюються в періоди процесів впуску і випуску.
Розглянемо особливості газообміну в процесі впуску двигуна без наддуву
Рис. 4.1 Графік процесу впуску у ДВЗ без наддуву
Впуск свіжого заряду (суміш повітря з паливом – у бензинових двигунах, повітря – в дизелях) у циліндр двигуна відбувається на ділянці
1 – r – 4 – а –2. При цьому тиск у циліндрі спочатку зменшується, потім зростає (рис. 4.1), що обумовлено зміною швидкості поршня при русі від ВМТ до НМТ.
Впускний клапан відкривається за 10 …200 повороту колінчастого вала до ВМТ (п.к.в.) (точка 1), а випускний клапан закривається через 15…300 п.к.в. після ВМТ (точка 4). Тобто певний період обидва клапани відкриті (перекриття клапанів). При цьому відпрацьовані гази, рухаючись біля впускного клапана створюють додаткове розрідження і свіжий заряд поступає в циліндр одночасно з видаленням відпрацьованих газів.
Закривається впускний клапан з запізненням (30…700 п.к.в. після НМТ). При цьому циліндр дозаряджається свіжим зарядом (інерційний рух заряду).
На рисунку 4.2 наведено діаграми газообміну чотиритактних двигунів без (рис 4.2 а) і з наддувом: (рис. 4.2 б,в,г).
– від приводного нагнітача (рис. 4.2. б);
– з газотурбінним наддувом, коли тиск випуску рвип більший тиску наддуву рк (рис. 4.2 в) і коли рвип< рк (рис. 4.2 г).
Рис. 4.2 Графік процесу впуску у ДВЗ з наддувом
При наддуві за допомогою приводного нагнітача тиск випуску рвип такий же, як у двигуна без наддуву, але тиск наддуву більший за атмосферний, тому лінія впуску r – а розташована над лінією атмосферного тиску (рис. 4.2 б).
Якщо рвип > рк, то лінія впуску проходить нижче від лінії випуску, але вище від лінії атмосферного тиску р0 (рис. 4.2 в).
Якщо рвип < рк , то лінія впуску проходить вище від лінії випуску і лінії атмосферного тиску р0 (рис. 4.2 г).
2. Параметри навколишнього середовища і залишкових газів
Умови на впуску: переважно у розрахунках приймають тиск навколишнього середовища р0=0,1 МПа, температуру – Т0 =293 К.
Підігрів свіжого заряду у двигуні здійснюється у впускному трубопроводі, що омивається охолоджуючою рідиною, а також у циліндрах. Враховуючи те, що при підвищеній температурі заряду його щільність знижується, підігрів повинен забезпечувати підвищення температури у межах Т0 = 0...20 К. Переважно приймають Т0= 10К.
Значення тиску залишкових газів для номінального режиму роботи карбюраторних двигунів і двигунів з розподіленим впорскуванням лежить у межах рг = (1,02…1,25)·р0 МПа (більш високі значення – для двигунів з високою частотою обертання колінчастого вала). Значення температури залишкових газів для карбюраторних двигунів Тг = 900…1100 К.
Для двигунів з розподіленим впорскуванням при різних швидкісних режимах роботи тиск залишкових газів може визначатись за формулою [1]:
МПа, (4.1)
де ;
n, nн – відповідно частоти обертання колінчастого вала двигуна, що проектується, і двигуна-прототипу, хв.-1;
– тиск залишкових газів на номінальному режимі роботи двигуна.
Температура залишкових газів Тг для двигунів з розподіленим впорскуванням визначається з номограми [1] , яку наведено на рисунку 4.3.
Рис. 4.3 Номограма для визначення вихідних параметрів двигуна з розподіленим впорскуванням палива
Для дизелів рг = (1,05…1,25)·р0 МПа. При використанні турбокомпресора тиск наддувочного повітря приймають згідно з завданням рк (МПа). Тиск залишкових газів рг = (0,75…0,95)·рк .
Температуру повітря після компресора визначають за формулою:
К, (4.2)
де nk = 1,5…1,7 – показник політропи стиску в компресорі, приймають для відцентрового нагнітача, що охолоджується корпусом, nk =1,5.
При наддуві температурний режим двигуна підвищується, проте достатньо високе значення ступеня стиску знижує температуру і тиск у процесі стиску. Тому для дизелів можна приймати їх значення відповідно :
Tг =700…900 К і рг =0,86·рk МПа.
3. Параметри процесу впуску
Щільність заряду на впуску визначається за формулою:
кг/м3, (4.3)
де Дж / кг·град. – питома газова стала для повітря.
Втрати тиску на впуску визначають з рівняння Бернулі:
МПа, (4.4)
де (2+вп) = (2,5...4,0) – гідравлічний опір впускної системи;
вп – швидкість руху заряду у впускній системі; для бензинових двигунів і дизелів вп = 50…130 м/с .
Для двигунів з розподіленим впорскуванням значення (2+вп) у зв’язку з відсутністю карбюратора – нижчі, і втрати тиску на впуску визначаються за формулою [1]:
(4.5)
де .
Згідно з методом теплового розрахунку ДВЗ, запропонованим проф.. В. І. Гриневецьким приймається, що процес впуску закінчується в точці а, тиск у процесі впуску сталий і дорівнює ра.
Якщо відомі втрати тиску на впуску ра, то тиск у кінці процесу впуску визначається за формулою:
ра = р0 – ра. (4.6)
Продукти згоряння, які залишаються в циліндрі двигуна в кінці процесу впуску називають залишковими газами.
Кількість залишкових газів у кіло молях визначають з наступного рівняння:
(4.7)
Коефіцієнт залишкових газів г характеризує ступінь очищення циліндра від продуктів згоряння і визначається для бензинових двигунів і дизелів за формулою:
г = (Т0+ Т0)·рг / Тг·( ·ра–рг), (4.8)
для дизелів з наддувом:
г = (Тк+ Т0)·рг / Тг·( ·ра–рг), (4.9)
для двигунів з розподіленим впорскуванням [1]:
, (4.10)
де – коефіцієнт очистки, з урахуванням продувки циліндра = 1;
– коефіцієнт дозарядки циліндра, який залежить від швидкісного режиму роботи двигуна і визначається з діаграми, яку наведено на рисунку 4.3;
– температура підігріву заряду, , =0…20 К – температура підігріву заряду для номінального швидкісного режиму роботи двигуна.
Температура заряду в кінці процесу впуску Ta визначається для карбюраторних двигунів і двигунів з розподіленим впорскуванням за формулою:
Та= (Т0+ Т0+ г·Тг) / (1+ г), К, (4.11)
а для дизелів з наддувом:
Та= (Тк+ Т0+ г·Тг) / (1+ г) К. (4.12)
Досконалість процесу наповнення циліндра характеризує коефіцієнт наповнення v. Він характеризує відношення маси свіжого заряду, який поступив у циліндр, до кількості заряду, яка могла б розміститись у робочому об’ємі циліндра за даних умов впуску.
На коефіцієнт наповнення, головним чином, впливають: підігрів заряду, тиск в кінці впуску, тиск і температура залишкових газів.
Найбільше впливає на коефіцієнт наповнення тиск у кінці впуску. Так, зміна ра на 0,01 МПа приводить до зміни v на 15…20% у той час, як така ж зміна тиску залишкових газів змінює v на 1…2%.
У свою чергу, збільшення ра можливо досягти шляхом зменшення гідравлічного опору впускної системи, який пропорційний квадрату швидкості свіжого заряду в найменшому її перерізі. З цією метою збільшують діаметри циліндра і впускного клапана, зменшують хід поршня, використовують верхнє розташування клапанів, встановлюють два впускних клапани тощо.
Коефіцієнт наповнення циліндрів бензинового двигуна v визначається за формулою:
v = Т0 ·( ·ра – рг) / р0·( – 1)·( Т0+ Т0), (4.13)
дизеля з наддувом:
v = Тк ·( ·ра – рг) / (рк·( – 1)·( Тк+ Т0), (4.14)
а двигуна з розподіленим впорскуванням [2]:
(4.15)
Значення параметрів газообміну автомобільних двигунів з іскровим запалюванням наведено в таблиці 4.1, а для дизелів – в таблиці 4.2.
Таблиця 4.1 Параметри газообміну двигунів з іскровим запалюванням
Таблиця 4.1 Параметри газообміну дизелів
Процеси газообміну в ДВЗ