Двигатели внутреннего сгорания

Страница 2

Дизели во впускной системе не имеют устройств для изменения количества подаваемого в цилиндр воздуха, так как изменение их мощности достигается путём регулирования цикловой подачи топлива. Следовательно, при постоянной частоте вращения коленчатого вала гидравлического сопротивления впускной системы с изменением нагрузки не меняются. Коэффициент ηu в этом случае изменяется только вследствие влияния подогрева воздуха из-за изменения температур стенок цилиндра, днища поршня, головки цилиндра. На рис.5 показана зависимость ηu и ΔТ от нагрузки транспортного дизеля. С увеличением нагрузки ηu уменьшается незначительно из-за подогрева.

Влияние частоты вращения коленчатого вала.

При изменении частоты вращения коленчатого вала и работе двигателя с полной нагрузкой на качество наполнения влияет сопротивление в впускной системе, подогрев заряда и остаточных газов. Кроме того, значительное влияние оказывают фазы газораспределения и волновые процессы во впускной и выпускной системах. На рис.6 показано изменение отдельных факторов, влияющих на ηu, в зависимости от частоты n вращения коленчатого вала. С повышением n сопротивление впускной системы возрастает пропорционально квадрату частоты вращения вала, в результате давление Ра (кривая 3) снижается. Температура подогрева заряда ΔТ (кривая 4) уменьшается вследствие сокращения времени теплообмена. Коэффициент остаточных газов несколько увеличивается. В результате слияния всех этих факторов на скоростном режиме, для которого фазы газораспределения являются оптимальными, ηu имеет максимальное значение. С повышением частоты вращения ηu (кривая 1) растёт, а затем, после максимального значения снижается. Аналогично изменяется и количество воздушного заряда G3 (кривая 2), поступающего в цилиндры двигателя. Уменьшение ηu от максимального значения при снижении частоты вращения объясняется несоответствием выбранных фаз скоростному режиму и выталкиванием заряда в конце впуска обратно во впускную систему, а при повышении частоты вращения – увеличением сопротивления на впуске и влияние других факторов.

Коэффициент остаточных газов r (кривая 5) при повышении частоты вращения линейно растёт. На рис.7 показана зависимость для дизеля и карбюраторного двигателя. Кривая 3 характеризует изменение ηu для карбюраторного двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке. При уменьшении нагрузки, когда дроссельная заслонка приоткрыта, а сопротивление впускной системы увеличивается, с повышением частоты вращения коэффициент ηu уменьшается более интенсивно (кривые 4 и 5).

Для дизеля при полной нагрузке коэффициент наполнения больше (кривая 2), чем для карбюраторного двигателя, а характер изменения ηu более плавный на режиме холостого хода из-за меньшего подогрева заряда ηu дизеля больше (кривая 1), чем при работе под нагрузкой.

В определённом диапазоне частот вращения коленчатого вала коэффициент наполнения ηu можно повысить при использовании колебательного движения воздуха и газа во впускном и выпускном трубопроводах, приводящее к изменению давления. При настройке выпускной системы таким образом, чтобы к концу выпуска в ней образовалось разряжение, количество отработавших газов, удаляемых из цилиндра, увеличивается, а r уменьшается. При этом в цилиндры поступит больше свежего заряда. Аналогичный эффект можно получить, если к концу впуска в трубопроводе у впускного клапана давление будет выше атмосферного. Такой метод увеличения массы заряда получил название инерционного наддува.

Влияние степени сжатия.

Повышение степени сжатия Е при сохранении других показателей без изменения приводит к возрастанию коэффициента наполнения. Заметим, что при увеличении Е и другие параметры (коэффициент и температура остаточных газов, температура заряда и т.п.). В зависимости от того, какой из факторов оказывает большее влияние, ηu с изменением Е может увеличиться или уменьшиться. Экспериментальные исследования показывают, что степень сжатия на ηu влияет незначительно.

Влияние диаметра цилиндра и расположение клапанов.

Цилиндр большого диаметра позволяет осуществить размещение клапанов с небольшими проходимыми сечениями, что способствует снижению гидравлических потерь и повышению коэффициента наполнения. Получившее в настоящее время широкое распространение короткоходные двигатели (двигатели, в которых отношение хода поршня к диаметру цилиндра меньше единицы) имеют сравнительно большой диаметр цилиндра. Это позволяет размещать в головках цилиндров клапаны большого диаметра при их верхнем расположении. Верхнее расположение клапанов и аэродинамическая форма впускных клапанов дают возможность снизить гидравлическое сопротивление, а следовательно, и увеличить коэффициент наполнения.

Влияние фаз газораспределения.

Рассмотрим влияние фаз газораспределения на характер зависимости . Оно проявляется главным образом через угол запаздывания закрытия впускного клапана.

Известно, что на повышенных скоростных режимах при определённом угле закрытия впускного клапана происходит дозаряд цилиндра, увеличивающий ηu. При низких частотах вращения коленчатого вала при том же угле возможно выталкивание части свежего заряда из цилиндра, что снижает коэффициент наполнения. Следовательно, изменение угла запаздывания закрытия впускного клапана, изменяя интенсивность дозарядки и выталкивания, оказывает влияние на характер протекания кривой .

На рис.8 приведены зависимости ηu от частоты вращения коленчатого вала при раннем (кривая 1) и позднем (кривая 2) закрытии впускного клапана. В последнем случае максимум ηu смещается в сторону высоких n.

Выбор фаз экспериментным путём обеспечивает оптимальные условия наполнения цилиндра свежим зарядом только для определённого интервала изменения скоростного режима двигателя.

В таблице 1 приведены фазы газораспределения отдельных автомобильных двигателей.

Процесс сжатия.

Рабочее тело, представляющее к концу процесса наполнения смесь подвергается сжатию. Сжатие рабочего тела предшествует процессу сгорания топлива.

Одним из основных параметров, определяющих развитие процессов сжатия и всего цикла в целом, является степень сжатия Е. Чем выше степень сжатия, тем при прочих равных условиях выше степень расширения газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Соответственно этому расширяются пределы изменения состояния рабочего тела, что повышает степень преобразования теплоты в работу.

Для повышения термодинамических показателей цикла степень сжатия стремятся увеличить. Однако в реальных условиях Е ограничена в зависимости от типа двигателя, его конструкций и условий применения. Для карбюраторных двигателей степень сжатия ограничивается детонацией, вероятность возникновения которой повышается с ростом температуры и давления конца сжатия и в процессе сгорания топлива. Для карбюраторных двигателей Е=6-10; для дизелей Е=13-23,5. Минимальное значение степени сжатия дизеля определяется условиями надёжного воспламенения топлива. Поэтому необходимо, чтобы температура самовоспламенения топлива не менее чем на 200-300К. Максимальное значение Е для дизелей определяется выполнением условий обеспечения заданной надёжности двигателя.

При рассмотрении теоретических циклов предполагали, что процесс сжатия рабочего тела развивается без теплообмена (адиабатически). В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер и сопровождается переменным теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра. Кроме того, в процессе сжатия происходит утечка рабочего тела через неплотности поршневых колец и клапанов, а в карбюраторном двигателе – испарение части топлива, поступившего в цилиндр в капельно-жидком состоянии. В этих условиях процесс сжатия является политропным с переменным показателем политропы n'.