Двигатели внутреннего сгорания

Введение.

Развитие автомобильного транспорта в условиях НТП невозможно без постоянного совершенствования силовой установки а/м.

Главными направлениями развития а/м двигателестроения является повышение удельных энергетических и экологических показателей, увеличение моторесурса двигателей при одновременном снижении удельной металлоёмкости, обеспечение работы на не дорогостоящих видах топлива, улучшение экономических характеристик – снижение токсичности и дымности отработавших газов, уменьшение удельных затрат на изготовление, обслуживание и ремонт деталей.

Процесс впуска

Для осуществления рабочего цикла в реальных двигателях необходимо периодически удалять из цилиндров образующиеся продукты сгорания и вводить в них свежий заряд. В четырёхтактных двигателях процессы газообмена осуществляются за 2 хода поршня.

В двухтактных двигателях специальных ходов поршня для очистки и наполнения цилиндров не предусмотрено. Процессы газообмена ограничены во времени и протекают в конце такта расширения и в начале такта сжатия. В этом случае очистка цилиндров осуществляется при заполнении их свежим зарядом специальным продувочным насосом (компрессором).

На рис.1 представлена индикаторная диаграмма процессов газообмена в четырёхтактном карбюраторном двигателе для случая, когда воздух в двигатель поступает из атмосферы (давление воздуха Р0, а его температура Т0).

На рис.2 показано протекание процессов газообмена для четырёхтактного дизеля с наддувом. В компрессоре воздух сжимается до давления РК, при этом температура повышается до температуры ТК. В газовой турбине используется энергия отработавших газов, поступающих через клапан и ресивер на вход в турбину. Давление в ресивере РР всегда больше атмосферного Р0, а соотношение РК и РР зависит от типа двигателя и принятой системы надува. В двигателях с наддувом от нагнетателя, механически связанного с коленчатым валом, РК>РР. В двигателях с наддувом от турбокомпрессора обычно РК<РР. В рассматриваемом примере РК>РР, поэтому на большей части диаграммы газообмена линия b1-r-b2, характеризует процесс выпуска, проходит ниже линии впуска a1-a-a2. На этом участке индикаторной диаграммы в процессы газообмена совершается положительная работа.

Для дизеля без наддува, когда в процессе впуска воздуха в цилиндры поступает из атмосферы, процессы газообмена протекают аналогично процессам, представленным на рис.1.

В современных четырёхтактных двигателях впускные клапана открываются со значительным опережением и открываются с запаздыванием, причём наблюдается довольно большое перекрытие клапанов (перекрытие фаз). Наличие опережения и запаздывания, а так же перекрытия клапанов создают условия для повышения их эффективной пропускной способности, а следовательно, улучшения очистки и наполнения цилиндров.

Опережение открытия, например, выпускного клапана обеспечивает эффективную очистку цилиндра от отработавших газов вследствие выпуска при затратах работы на выталкивание отработавших газов. Запаздывание закрытия этого клапана позволяет дополнительно удалить из цилиндра некоторое количество остаточных газов путём использования инерции движущихся через выпускной клапан масс газа и перепада давлений между цилиндром и окружающей средой. Кроме того, при опережении открытия и запаздывании закрытия клапана увеличивается его эффективное проходное сечение в течение всего процесса выпуска.

Опережение открытия впускного клапана обеспечивает достаточное проходное к началу поступления свежего заряда в цилиндр, что позволяет увеличить эффективную пропускную способность клапана в период всего впуска, а следовательно, и наполнение цилиндров.

Запаздывание закрытия впускного клапана кроме повышения пропускной способности даёт возможность использования инерции потока впускного воздуха для дополнительной подачи заряда в цилиндр (дозарядка цилиндра).

Перекрытие клапанов при правильном выборе обеспечивает лучшую очистку цилиндра вытеснением остаточным свежим зарядом в начале процесса наполнения (продувка камеры).

Участок индикаторной диаграммы, характеризующий процессы газообмена двухтактного двигателя с прямоточной клапанно-щелевой продувкой (двухтактные дизели ЯМЗ), а также его диаграмма фаз газораспределения показаны на рис.3. Выпускные клапаны двигателя открываются в точке b1 (за 90° до ВМТ) и начинается свободный выпуск отработавших газов, т.к. в период движения поршня до точки П1 давление в цилиндре превышает атмосферное. В точке П1 поршнем открываются продувочные окна, и в цилиндр начинает поступать воздух, предварительно сжатый в продувочном насосе до давления РК. Перемещаясь в направлении к выпускным клапанам, продувочный воздух вытесняет отработавшие газы, обеспечивая продувку цилиндров. Часть воздуха в период продувки вместе с отработавшими газами выбрасывается в атмосферу. Выпускные клапаны закрываются при обратном движении поршня (точка b2). В это время продувочные окна ещё открыты, и до момента их закрытия (точка П2) воздух продолжает поступать в цилиндр (дозарядка).

Остаточные газы.

В процессе выпуска не удаётся полностью удалить из цилиндра продукты сгорания, занимающие некоторый объём. Остаточные газы, расширяясь и смешиваясь с поступающим свежим зарядом, ухудшают наполнение цилиндров. Количество остаточных газов характеризуется коэффициентом остаточных газов , равным отношению количества молей остаточных газов Мr и свежего заряда М1, т.е.

чем больше степень сжатия , тем меньше относительный объём, занимаемый остаточными газами, тем ниже коэффициент остаточных газов.

Давление Рr, и температура Тr оказывают влияние на коэффициент r вследствие изменения плотности остаточных газов. При повышении Рr и уменьшении Тr плотность остаточных газов в объёме Vc увеличиваются, что и определяется соответствующее повышение r.

Следовательно, возрастание сопротивления выпускной системы (например, при установки глушителя, турбины и т.п.), а также увеличение частоты вращения n коленчатого вала вызывают повышение r. При отсутствии продувки коэффициент остаточных газов на режиме максимальной мощности изменяется в пределах 0,05-0,12 для карбюраторных двигателей и 0,02-0,06 для дизелей.

Продувка цилиндров, уменьшая количество остаточных газов и увеличивая пополнение цилиндров свежим зарядом, вызывает снижение r.

Подогрев свежего заряда.

Температура свежего заряда, поступившего в цилиндр, выше его температуры в исходном состоянии на величину подогрева ΔТ во впускной системе двигателя. Подогрев уменьшает коэффициент наполнения.

В карбюраторном двигателе на ΔТ оказывает влияние как передача теплоты от элементов впускной системы, так и затраты части теплоты на испарение топлива в карбюраторе и впускном трубопроводе. Если впускной трубопровод не имеет интенсивного подогрева, то считают, что эти два фактора компенсируют один другой, т.е. ΔТ=0.

Для более интенсивного испарения топлива в карбюраторных двигателях обычно применяют подогрев впускного трубопровода теплоносителем системы охлаждения или отработавшим газом. В этом случае ΔТ>0. Степень подогрева целесообразно увеличить до тех пор, пока повышение мощности и топливной экономичности двигателя путём лучшего испарения топлива будет компенсировать снижение этих показателей вследствие уменьшения коэффициента наполнения.

Влияние нагрузки на наполнение при постоянной

частоте вращения коленчатого вала.

Изменение нагрузки в карбюраторных двигателях при постоянной частоте вращения коленчатого вала достигается перемещением дроссельной заслонки, а у дизеля – зубчатой рейки топливного насоса. При этом соответственно изменяется количество поступающей в цилиндр горючей смеси или топлива.

Для получения максимальной мощности карбюраторного двигателя заслонку открывают полностью, в цилиндр поступает наибольшее количество горючей смеси, коэффициент наполнения имеет максимальное значение. При снижении нагрузки дроссельную заслонку прикрывают, проходное сечение уменьшается, гидравлическое сопротивление впускной системы возрастает, что приводит к понижению давлений Ра, а следовательно, и ηu. Изменение коэффициента остаточных газов r и наполнения ηu, а также давления Ра в зависимости от степени открытия дроссельной заслонки φотк в карбюраторном двигателе показано на рис.4.