Процессы наполнения в четырехтактном двигателе

Министерство сельского  хозяйства и продовольствия

Республики Беларусь

 

 

Учреждение образования

«Белорусский государственный аграрный технический университет»

 

 

 

 

 

 

                                                          Кафедра: Энергитики

 

 

 

 

 

 

Доклад

на студенческую научно-практическую предметную

конференцию по теплотехнике

на тему:

Процессы наполнения в  четырехтактном двигателе

 

 

 

 

 

 

 

выполнил: Адуцкевич А. В.

                                                                                     студент 4 курса группы 33м

 

                                                                                     Принял:

 

 

 

 

 

 

Минск 2012 г.

 

ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

B процессе наполнения цилиндры двигателя заполняются горючей смесью (или только воздухом — в дизелях).

Наполнение цилиндра свежим зарядом является хотя и вспомогатель-ным, но очень важным процессом. Чем больше масса свежего заряда, тем больше и мощность двигателя. Наполнение четырехтактного двигателя включает три периода: предварение впуска, основной впуск и запаздывание впуска (дозарядка).

Предварение впуска начинается с момента открытия впускного клапана (точка / на рис. 13.1), т.е. с опережением на угол 10—30° поворота коленчатого вала до прихода поршня в в. м. т. и заканчивается в в. м. т.

B этот период впускной клапан только начинает подниматься, образуя узкую щель, сопротивление которой достаточно, чтобы через нее не мог вытечь из цилиндра значительный объем остаточных газов от предыдущего цикла. Этот период впуска предусматривается в двигателе для того, чтобы подготовить быстрый подъем клапана, а значит, и быстрое увеличение проходного сечения к моменту начала опускания поршня после в. м. т.

Основной впуск осуществляется в период движения поршня от в. м. т. до н. м. т. такта наполнения. B этот период в цилиндр поступает 85—90 % свежего заряда.

Запаздывание впуска начинается с момента прохождения поршнем н. м. т. и оканчивается в момент закрытия впускного клапана (точка 2), т. е. при п. к. в. на 40—80° после н. м. т. Свежий заряд в этот период продолжает поступать в цилиндр либо за счет имеющегося в нем разрежения (до точки f), либо за счет созданного в основной период скоростного напора во впускном тракте, т. е. за счет собственной инерции (участок f — 2). При малой частоте вращения коленчатого вала двигателя (например, при пуске) инерция движения свежего заряда во впускном тракте незначительна, поэтому в период запаздывания  впуска может произойти обратный выброс свежего заряда из цилиндра. Таким образом, при разной частоте вращения коленчатого вала в период запаздывания впуска имеет место либо только дозарядка цилиндра, либо дозарядка, переходящая  на  участке f — 2 в  обратный выброс.

Количество свежего заряда, поступающего в цилиндры двигателя в процессе наполнения, зависит от ряда факторов, основными из которых являются: аэродинамическое сопротивление систем впуска и выпуска; подогрев свежего заряда в период наполнения; количество остаточных газов от предыдущего цикла и др.

 

2. ДАВЛЕНИЕ B ПРОЦЕССЕ НАПОЛНЕНИЯ

 

K моменту начала наполнения в цилиндре двигателя остается некоторое количество отработавших газов предыдущего цикла (остаточные газы), которые занимают объем камеры сжатия V_c (в четырехтактных двигателях) и имеют увеличенные по сравнению с окружающей средой (точнее, по сравнению со свежим зарядом во впускном тракте) термодинамические параметры (p_r>p₀;T_r>T₀). При движении поршня от в. м. т. к н. м. т. в процессе наполнения остаточные газы расширяются до тех пор, пока их давление не станет равным атмосферному. Именно с этого момента при дальнейшем движении поршня к н. м. т. в цилиндр начнет поступать свежий заряд.

Разрежение в цилиндре двигателя, вызванное сопротивлением впускной системы, ∆p_a=p₀ – p_a, откуда p_a= p₀ – ∆p_a, где p₀ — давление во впускном тракте; p_a — давление в цилиндре в конце наполнения.

C некоторым допущением значение ∆p_a(МПа) можно определить из уравнения Бернулли по формуле

 

где — коэффициент затухания скорости движения свежего заряда; —коэффициент сопротивления впускной системы; — скорость движения свежего заряда в проходном сечении клапана, м/с; — плотность свежего заряда на впуске, кг/м³.

Для существующих четырехтактных двигателей без наддува  50—100 м/с, (0,10—0,22)р₀. Большие значения имеют карбюраторные и газовые двигатели, меньшие — дизели.

B четырехтактных с наддувом и двухтактных двигателях (0,05—0,10) р_к,

где р_к—давление наддува или продувки. Давление в конце такта впуска у этих двигателей .

Поскольку масса поступившего в  цилиндр свежего заряда пропорциональна его плотности, необходимо стремиться к увеличению р_в, для чего применяют наддув двигателя. Другим путем увеличения давления впуска является уменьшение сопротивления во впускной системе, т. е. уменьшение . Это достигается как конструктивными приемами (умень-шением длины всасывающего тракта и количества его изгибов, увеличением площади проходного сечения впускного клапана, уменьшением шерохова-тости поверхности впускной системы, выбором эффективных фаз газо-распределения), так и эксплуатационными (своевременной очисткой воздушных фильтров и карбюратора от загрязнений, впускных клапанов от нагара, поддержанием правильного зазора в приводе впускного клапана и пр.).

 

3. ТЕМПЕРАТУРА B ПРОЦЕССЕ НАПОЛНЕНИЯ

Температура смеси в процессе наполнения непрерывно повышается, являясь функцией количества теплоты, внесенной в цилиндр вместе со свежим зарядом, количества теплоты, полученной свежим зарядом в процессе наполнения от нагретых поверхностей цилиндра и камеры сгорания, и количества теплоты в остаточных газах.

B карбюраторных двигателях свежий заряд одновременно и теряет, теплоту при испарении топлива и приобретает ее при соприкосновении с нагретыми поверхностями, но поскольку влияние второго фактора преобла-дает, температура свежего заряда в процессе наполнения повышается. Подо-грев свежего заряда уменьшает его плотность, а следовательно, и массу поступившей в цилиндр горючей смеси (или воздуха).

Подогрев свежего заряда от температуры T₀ до Т₀+∆Т зависит от нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и условий охлаждения. Так, увеличение нагрузки повышает температуру поверхностей поршня и цилиндра, увеличивая приток тепла к свежему заряду, а повышение частоты вращения уменьшает его вследствие сокращения времени контакта с нагретыми поверхностями.

Одновременно свежий заряд с  температурой Т₀+∆Т воспринимает часть теплоты отработавших газов, имеющих более высокую температуру. Подогрев при смешении свежего заряда с отработавшими газами зависит от их температуры и количества, характеризуемого безразмерным коэффи-циентом остаточных газов γ_r.

Очевидно, что γ_r растет с повышением давления остаточных газов и с увеличением объема камеры сжатия, т. е. с уменьшением ε.

Обычно в четырехтактных карбюраторных двигателях γ_r= 0,06 – 0,12; в четырехтактных дизелях — 0,03 – 0,06; в двухтактных карбюраторных двига-телях с поперечно-щелевой кривошипно-камерной продувкой — 0,20 – 0,40; в двухтактных дизелях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой – 0,02 –0,06.

Температуру смеси в конце наполнения можно определить из уравнения теплового баланса

,

где Q_a — количество теплоты в рабочей смеси; Q_с.з — количество теплоты, внесенной в цилиндр со свежим зарядом; Q_под — количество теплоты, переданное свежему заряду в процессе наполнения от нагретых поверхностей; Q_r — количество теплоты в остаточных газах.

Так как

 

 

   

 

то уравнение теплового баланса  перепишется в виде

 

где , и — средние молярные теплоемкости при постоян-ном давлении соответственно свежего заряда, рабочей смеси и остаточных газов; T — температура свежего заряда до поступления в цилиндр; ∆T — повышение температуры свежего заряда вследствие его теплообмена со стенками; T_r — температура остаточных газов.

Разделив правую и левую части  полученного уравнения на M₁, зная, что M_r/M₁=γ, и полагая (это не приводит к большим погрешностям, так как содержание остаточных газов в смеси относительно мало), имеем

          ,

откуда

                       

По этой формуле можно определить температуру газов в конце  такта наполнения как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей (для двухтактных и двигателей с наддувом в формулу вместо T₀ следует подставлять T_k — температуру свежего заряда после нагнетателя).

Из формулы видно, что T_а увеличивается с повышением ∆T, Т_r и γ_r.

Значения ∆T, Т_r, γ_r при проектировании нового двигателя выбираются по опытно-статистическим данным или по прототипу. Для карбюраторных двигателей Т_r =900—1100 К, для дизелей — 700—900 К.

Температура рабочей смеси  в конце процесса наполнения для  карбюраторных двигателей составляет T_a=340—400 К; для четырехтактных дизелей — 310—350 К; для двухтактных двигателей — 330—380 K.

 

4. КОЭФФИЦИЕНТ НАПОЛНЕНИЯ

Действительная масса поступившего в цилиндр свежего заряда  G_д всегда меньше теоретически возможной G₀. Под теоретически возможной понимается такая масса свежего заряда, которая могла бы заполнить рабочий объем цилиндра V_h, свободный от остаточных газов, при термодинами-ческих условиях на впуске, т. е. при р₀ и T₀ — для четырехтактных двигате-лей без наддува и при р_к и T_к — для четырехтактных с наддувом и двухтактных двигателей.

Совершенство процесса наполнения оценивается коэффициентом наполнения, представляющим отношение действительной массы поступив-шего в цилиндр свежего заряда к теоретически возможной:

, или ,

где V_к — объем, занимаемый поступившим в цилиндр свежим зарядом и приведенный к давлению р_к и температуре Т_к на впуске.

Выведем формулу для определения  коэффициента наполнения. Запишем уравнение  состояния рабочей смеси в  конце такта наполнения

,

где M₁+M_r=M_a.

Для действительного количества поступившего в цилиндр свежего заряда M₁ уравнение состояния, записанное при термодинамических условиях на впуске, имеет вид р_кV_к=8,314М₁T_к, или, так как V_K=V_hηv,

,                                                         (1.2)

откуда

                                                    (1.3)

Из  уравнения 1.3 имеем

Разделив левые и правые части  этого уравнения на соответствующие  части уравнения 1.3 и зная, что (M₁+M_r)/M₁=1+γ_r, V_a/V_h=ε/(ε-1), получим

.

Учитывая, что 

имеем

 

Полученная   формула  справедлива  для всех поршневых двигателей. Для  четырехтактных двигателей без наддува в формулу подставляют р_к=р₀ и Т_к= T₀, для двухтактных — действительную степень сжатия ε.

Коэффициент наполнения увеличивается с повышением р_а и уменьшением p_r, γ_r, ε, ∆T, причем основное влияние на него оказывает давление в конце впуска р_а. Так, изменение р_а на 10 % приводит к изменению η_v на 15 %, а изменение р_r на 10 % — только на 1—2 %. Поэтому при эксплуатации двигателя следует стремиться, чтобы ∆p_a было по возможности меньшим.

B карбюраторных двигателях, где изменение нагрузки (при постоян-ном скоростном режиме) достигается изменением положения дроссельной заслонки, коэффициент наполнения наибольший, когда дроссельная заслонка полностью открыта. Прикрытие дросселя увеличивает сопротивление, а следовательно, уменьшает р_а и η_v.

Рост ∆T понижает кэффициент наполнения вследствие уменьшения плотности свежего заряда.

Для более быстрого пуска дизеля при низкой температуре окружающей среды иногда специально подогревают  воздух на впуске. При этом повышается температура заряда к концу процесса сжатия, что необходимо для самовоспламенения топлива.

B некоторых конструкциях карбюраторных двигателей предусматри-вается дополнительный подогрев горючей смеси во впускном трубопроводе. Это необходимо потому, что в карбюраторных двигателях в отличие от дизелей во впускном тракте происходит испарение топлива, т. е. подготовка его к сгоранию, и на это расходуется некоторая часть теплоты. Однако чрезмерный подогрев свежего заряда на впуске приводит к неоправданному повышению ∆T и снижению коэффициента наполнения.

Кроме рассмотренных выше параметров, на η_v влияют: частота вращения коленчатого вала двигателя, фазы газораспределения и др. Так, если частота вращения коленчатого вала двигателя увеличивается, то η_v сначала повышается, а затем снижается. Это вызвано влиянием ряда факторов, связанных с изменением частоты вращения: длительности теплообмена между свежим зарядом и нагретыми стенками, повышения температуры стенок, изменения сопротивления во впускном и выпускном трактах и др.

Периодическое открытие и  закрытие клапанов вызывает колебатель-ное движение газов во впускной системе, что значительно повышает сопротивление их движению и, следовательно, изменяет η_v. Влияние этого фактора может быть значительно уменьшено подбором оптимальной длины трубопроводов и фаз газораспределения.

 

Коэффициент наполнения η_v в существующих автотракторных двигателях при номинальном режиме работы составляет: для карбюраторных двигателей с верхним расположением клапанов — 0,75—0,85, для карбюраторных двигателей с нижним расположением клапанов — 0,7—0,75, для дизелей — 0,75—0,9.