Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

228

клапанов возрастает за-

брос газов во впускной

канал, перетекание газов

из выпускного канала в

цилиндр в начале такта

наполнения. В итоге

уменьшается коэффици-

ент наполнения, возраста-

ет коэффициент остаточ-

ных газов (рис. 6.22). Оп-

тимальному значению пе-

рекрытия клапанов соот-

ветствует максимальное

значение коэффициента

наполнения (минималь-

ное значение коэффици-

ента остаточных газов),

так как влияние коэффи-

циента наполнения на по-

казатели двигателя более

существенное, чем влия-

ние среднего давления

насосных потерь, которое

к тому же слабо зависит

от величины перекрытия

клапанов.

Влияние перекрытия клапанов на коэффициент наполнения

сказывается только через количество остаточных газов. Чем

больше остаточных газов находится в цилиндре к концу напол-

нения, тем выше температура заряда, тем меньше количество

воздуха поступает в цилиндр.

В диапазоне чисел оборотов 1300–2100 об/мин оптимальное

значение перекрытия клапанов, например, дизеля 4Ч12/14 изме-

няется не более чем на 8–10 ПКВ вне зависимости от проходных

сечений клапанов. Абсолютные значения оптимальных перекры-

тий клапанов уменьшаются с увеличением проходных сечений

(рис. 6.23). Расчетные и экспериментальные значения перекрытия

V, л



–

Па

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4



Рисунок 6.21 – Изменение давления в

цилиндре дизеля 4Ч12/14 на

участке перекрытия клапанов

при n = 1700 об/мин:

1 –  = 12; 2 –  = 34; 3 –  = 80

229

клапанов, соответствую-

щие максимальному ко-

эффициенту наполнения,

практически совпадают

(рис. 6.23).

В двигателях с газо-

турбинным наддувом и

достаточно высоким КПД

турбокомпрессора давле-

ние во впускном коллек-

торе может быть выше,

чем в выпускном в широ-

ком диапазоне рабочих

режимов. При значениях

угла перекрытия клапанов

менее 20 ПКВ характер

изменения давления в ци-

линдре двигателя с надду-

вом тот же, что и в случае

двигателя без наддува. С уве-

личением перекрытия клапа-

нов имеет место продувка ка-

меры сгорания. Давление в ци-

линдре у ВМТ вследствие

больших значений площади

проходных сечений клапанов

изменяется незначительно.

Выбор перекрытия кла-

панов двигателя с наддувом

зависит от степени доводки

турбокомпрессора, соотноше-

ния давлений перед турбиной

и за компрессором. Если при

работе, например, транспорт-

ного двигателя на корректор-

ной ветви скоростной характе-

ристики давление воздуха за

, м/с

6,5

7,5

8,5

9,5



ПКВ

Рисунок 6.23 – Изменение оптималь

ных

значений перекрытия клапанов в

зависимости от средней скорости

поршня: дизель 4Ч12/14;

1 –

пs

Ff = 0,145; 2 –

пs

Ff = 0,22;

3 –

пs

Ff = 0,10;

4 – эксперимент при

Ff = 0,145

0,80







ПКВ

0,81

0,82

0,83

0,84

0,85

0,86







0,03

0,04

0,0







Рисунок 6.22

– Влияние перекрытия клапанов

на коэффициенты наполнения

и остаточных газов:

дизель 4Ч12/14; 1

– n = 2100; 2 – n = 1900;

– n = 1700; 4 – n = 1500; 5 – n = 1300 об/мин

230

компрессором выше давления газов перед турбиной на (0,1–

0,2)10

Па в диапазоне частот вращения коленчатого вала от но-

минальных до значений, соответствующих максимальному кру-

тящему моменту, перекрытие клапанов с целью продувки следует

увеличивать. При этом уменьшается количество остаточных га-

зов в цилиндре, возрастает коэффициент наполнения, снижается

температура клапанов, поршня. В общем случае, верхний предел

значения перекрытия клапанов определяется значением , соот-

ветствующим полному удалению из цилиндра продуктов сгора-

ния (в рассматриваемом примере – 60–70 ПКВ). Однако увели-

чение перекрытия клапанов требует более глубокой посадки кла-

панов в гнездах головки цилиндров или применения специальных

выточек в поршне. Зачастую, особенно в быстроходных дизелях

без наддува, это вызывает ухудшение эффективности использо-

вания воздуха при сгорании, снижение индикаторного КПД дви-

гателя.

Запаздывание закрытия впускных клапанов оказывает влия-

ние на показатели двигателя практически только через коэффи-

циент наполнения. Увеличение запаздывания закрытия впускных

клапанов увеличивает время-сечение за период наполнения,

уменьшается сопротивление перетеканию воздуха из впускного

канала в цилиндр (рис. 6.24). При значении запаздывания за-

крытия впускного клапана



 40 ПКВ давление в

цилиндре в НМТ равно дав-

лению во впускном канале.

Дальнейшее увеличение за-

паздывания закрытия впуск-

ного клапана не оказывает

уже влияния на количество

воздуха, поступившего в ци-

линдр двигателя на участке

наполнения, но при этом

возрастают потери заряда

вследствие перетекания газа

из цилиндра во впускной

канал. Этим фактом и обу-

Рисунок 6.24 – Изменение давления в

цилиндре в конце наполнения:

дизель 4Ч12/14; n = 1700 об/мин;

1 – 

= 68 ; 2 – 

= 45; 3 – 

= 34 

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

V, л

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3



–

Па

231

словлено наличие оптимально-

го значения запаздывания за-

крытия впускных клапанов для

каждой частоты вращения ко-

ленчатого вала (рис. 6.25).

Среднее давление насос-

ных потерь практически не за-

висит от фазы запаздывания

закрытия впускных клапанов и

определяется, в основном

средней скоростью поршня

(частотой вращения коленча-

того вала) и соотношением

площади проходных сечений

клапанов и площади поршня.

При увеличении частоты вра-

щения коленчатого вала про-

порционально возрастает ско-

рость поршня, скорость изме-

нения объема цилиндра, скорость

газов в клапане, перепад давлений

между впускным каналом и ци-

линдром, а, соответственно, и

среднее давление потерь в клапа-

нах.

Расчетные и опытные зна-

чения запаздывания закрытия

впускных клапанов практически

совпадают (рис. 6.26). С увеличе-

нием площади проходных сече-

ний клапанов оптимальные зна-

чения запаздывания закрытия

впускных клапанов уменьшаются,

с уменьшением – возрастают. По-

вышение параметров воздуха на

впуске оказывает влияние на оп-

тимальное запаздывание закры-

тия впускных клапанов только



,ПКВ

0,81

0,82

0,83

0,84

0,85

0,86

0,87



Рисунок 6.25 –

Влияние запаздывания

закрытия впускных клапанов

на коэффици

ент наполнения:

дизель 4Ч12/14; 1 – n = 2100;

2 – n = 1900; 3 – n =1700;

4 – n = 1500; 5 – n = 1300 об/мин

исунок 6.26 – Влияние площади

проходных сечений впускных

клапанов и средней скорости

поршня на оптимальное значе-

ние запаздывания закрытия

впускных клапанов:

дизель 4Ч12/14; 1 –

пs

Ff = 0,097;

2 –

пs

Ff = 0,145; 3 –

пs

Ff = 0,218;

4 – експеримент при

пs

Ff = 0,145

9,5





ПКВ

6,5

7,5

8,5

, м/с

232

через температуру воздуха на впуске. С повышением температу-

ры воздуха на впуске оптимальное значение запаздывания закры-

тия впускных клапанов несколько уменьшается.

Выбор площади проходных сечений клапанов. Площадь

проходных сечений клапанов определяет уровень гидравличе-

ских потерь в клапанах, а соответственно и величину воздушного

заряда цилиндра, среднее давление насосных потерь. В техниче-

ской литературе выбор площади проходных сечений клапанов

проектируемых двигателей рекомендуется осуществлять по ус-

ловной средней скорости газа в клапанах или по средним значе-

ниям соотношений площади проходных сечений клапанов и

площади поршня (

Ff ;

). Как в первом, так и во втором

случае, оценка выбора площади проходных сечений клапанов

может быть дана только после испытаний опытных образцов дви-

гателя. Применение же методов математического моделирования

процессов газообмена позволяет решить задачу выбора рацио-

нальных значений площади проходных сечений клапанов двига-

телей уже на стадии проектирования двигателя. Постановка та-

кой задачи необходима для разрешения противоречия между

стремлением конструктора к обеспечению удобства расположе-

ния газовоздушных каналов, клапанов, высокой надежности кон-

струкции и необходимостью достижения высоких показателей

процессов газообмена. С точки зрения обеспечения удобства рас-

положения газовоздушных каналов, клапанов и надежности кон-

струкции, чем меньше будет диаметр горловины клапана, тем

лучше. С точки же зрения достижения высоких показателей про-

цессов газообмена чем больше будет площадь проходных сече-

ний клапанов, тем лучше.

Выбор значений площади проходных сечений впускных

клапанов может быть определен из условия достижения макси-

мального значения коэффициента наполнения на расчетном ре-

жиме работы двигателя (режим номинальной мощности или ре-

жим, соответствующий максимальному крутящему моменту).

Изменение среднего давления насосных потерь в зависимости от

не может рассматриваться как фактор, определяющий вы-

бор оптимального значения площади проходных сечений впуск-

ных клапанов, так как среднее давление насосных потерь не пре-

233

вышает 4–10 % от среднего индикаторного давления. Величина

же среднего индикаторного давления пропорциональна величине

воздушного заряда цилиндра. Из приведенных на рис. 6.27 и

рис. 6.28 данных следует, что при уменьшении отношений

(

Ff  0,7) с 0,15–0,16 до 0,1 среднее давление насосных потерь

возрастает примерно в 2 раза, но и при С

= 9,5 м/с увеличение

среднего давления насосных потерь не превышает 4 % от средне-

го индикаторного давления для дизеля 4Ч12/14 (СМД-14) и 6 % –

для дизеля 6ЧН13/11,5 (СМД-60). Коэффициент наполнения

же при этом уменьшается, соответственно, на 12 % и 7 %, т.е.

уменьшение площади проходных сечений впускных клапанов

оказывает более существенное влияние на коэффициент напол-

нения, эффективные показатели дизеля (мощность, экономич-

ность). Увеличение же отношения

выше 0,15 оказывает

значительно меньшее влияние на показатели процессов газооб-

мена.

, м/с



н.п



–

Па

0,81

0,85

0,89

0,3

0,5

0,7



н.п

Рисунок 6.28 – Влияние площади

проходных сечений клапанов

на показатели процессов

газообмена дизе

ля 6Ч13/11,5:

1 –

пs

Ff = 0,105; 2 –

пs

Ff = 0,16;

3 –

пs

Ff = 0,24;

sв

ff = 0,67

Рисунок 6.27 – Влияние площади

проходных сечений клапанов

на показатели процессов

газообмена дизеля 4Ч12/14:

1 –

пs

Ff = 0,1; 2 –

пs

Ff = 0,145;

3 –

пs

Ff = 0,22;

sв

ff = 0,72

, м/с

8,5

0,75

0,79

0,83



0,2

0,4

0,6



н.п



–

Па

6,5

7,5

9,5

234

Несмотря на значительное отличие двигателей по конструк-

ции влияние площади проходных сечений на показатели процес-

са наполнения идентично, т.е. для четырехтактных быстроходных

дизелей при С

< 10 м/с отношение площади проходных сечений

впускных клапанов к площади поршня может быть принято в

пределах 0,15–0,16. Эти отношения площади проходных сечений

впускных клапанов к площади поршня могут быть достигнуты

при двухклапанной конструкции головки цилиндров (два клапана

на цилиндр). В случае четырехклапанной конструкции головки

цилиндров отношение

Ffi



может быть увеличено до 0,20, со-

ответственно среднее давление насосных потерь может быть

снижено до 3 % от среднего индикаторного давления.

При газотурбинном наддуве и достаточно высоких значени-

ях КПД турбокомпрессора (

тк

> 0,6) давление в цилиндре на

участке выпуска может быть меньше, чем на участке наполнения,

мощность насосных потерь положительна. С увеличением давле-

ния наддува перепад давлений между впускным и выпускным ка-

налами возрастает, положительная работа насосных потерь также

увеличивается. Значение последней зависит не только от соотно-

шения давлений перед турбиной и компрессором, но и от соот-

ношения площади проходных сечений впускных и выпускных

клапанов, температуры воздуха во впускном канале. Выбор же

оптимальных значений площади проходных сечений впускных

клапанов и в этом случае определяется также из условия дости-

жения максимального значения коэффициента наполнения (доля

положительной работы насосных потерь не превышает 1–2 % от

индикаторной работы газов).

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните особенности процессов газообмена в четырех-

тактных двигателях без наддува и с наддувом.

2. Как определяются гидравлические потери на выпуске и

впуске?

3. Какие факторы определяют потери индикаторной работы

газов на процессы газообмена?

235

4. Какие факторы определяют значения коэффициентов на-

полнения и остаточных газов?

5. Объясните последовательность определения параметров и

состава газов в надпоршневой полости при газообмене.

6. Как влияет теплообмен на показатели процессов газооб-

мена?

7. Представьте диаграмму фаз газораспределения четырех-

тактного двигателя.

8. Объясните критерии выбора фаз газораспределения и

площади проходных сечений клапанов.

Список литературы к главе 6

1. Дьяченко В.Г. Исследование и выбор основных парамет-

ров четырёхтактных быстроходных дизелей: Автореф. докт. дисс.

– Харьков: ХИИТ, 1973. – 40 с.

2. Савран Г.Д. Исследование и выбор оптимальных фаз га-

зораспределения четырёхтактных дизелей: Автореф. канд. дисс. –

Харьков: ХИМЭСХ, 1971. – 29 с.

3. Дьяченко В.Г. Газообмен в двигателях внутреннего сго-

рания: Учебное пособие – Киев; УМК ВО, 1985. – 204 с.

4. Методические указания к курсовой работе «Расчет рабо-

чих процессов в двигателе внутреннего сгорания» по дисциплине

«Теория двигателей внутреннего сгорания» / Дьяченко В.Г. –

Харьков: ХНАДУ, 2001. – 36 с.

236

Глава 7

ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ДВУХТАКТНЫХ

ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Особенности организации процессов газообмена

в двухтактных двигателях

Процессы газообмена в двухтактных двигателях отличаются

от процессов газообмена в четырехтактных двигателях продол-

жительностью, способом очистки цилиндра от продуктов сгора-

ния, конструкцией органов газораспределения и другими особен-

ностями. Так как в двухтактном двигателе отсутствует такт

очистки надпоршневой полости от продуктов сгорания и такт на

ее заполнение свежим зарядом, продолжительность процессов га-

зообмена сокращена до 130–150 ПКВ (в четырехтактных двига-

телях – 400–450 ПКВ). Очистка цилиндров от продуктов сгора-

ния после окончания свободного выпуска осуществляется возду-

хом или топливовоздушной смесью, подаваемыми в цилиндр наг-

нетателем. Отличаются двухтактные двигатели и многообразием

схем осуществления процессов газообмена, их конструктивным

исполнением.

В двухтактных двигателях с золотниковым газораспределе-

нием газообмен осуществляется через выпускные и впускные

(продувочные) окна. Изменение площади проходных сечений

окон, моментов их открытия и закрытия определяются переме-

щением поршня или гильзы цилиндра.

Отсутствие клапанов, механизма привода клапанов сущест-

венно упрощает конструкцию двигателя. Однако сокращение

продолжительности процессов газообмена ухудшает показатели

газообмена. Увеличиваются также потери рабочего хода, что су-

щественно уменьшает работу расширения газов. Необходимость

использования механического привода нагнетателя, принуди-

тельной подачи воздуха для продувки надпоршневой полости

обусловливает потери мощности на привод нагнетателя, снижает

механический КПД двигателя.

237

Процесс сво-

бодного выпуска в

двухтактном двига-

теле протекает прак-

тически так же, как и

в четырёхтактном. В

начале открытия вы-

пускных окон порш-

нем (точка е на рис.

7.1), когда отноше-

ние давления в вы-

пускном канале к

давлению в цилинд-

ре меньше критиче-

ского ( рр

< 

кр

0,53–0,55) скорость

истечения газа равна

местной скорости

звука и не зависит от

перепада давлений

(надкритический вы-

пуск). С понижени-

ем давления газов в

цилиндре до значе-

ний, соответствую-

щих рр

> 

кр

(точка к на рис. 7.1),

скорость истечения

газов становится меньше местной скорости звука (подкритиче-

ский выпуск). За конец свободного выпуска обычно принимается

угол поворота кривошипа, при котором давление в цилиндре ста-

новится равным давлению во впускном (продувочном) ресивере.

Впускные (продувочные) окна открываются через 10–20 ПКВ

(точка d) после открытия выпускных окон (рис. 7.1).

В начале участка надкритического выпуска в выпускном ка-

нале формируется волна сжатия. При длине выпускного канала, в

2–3 раза превышающей ход поршня, за волной сжатия, уходящей



Свободный в

пуск

Продувка

Утечка зар

да



310

330







КВ

0,10

0,20



вв



НМ



т.

ср

s ср



–

Па

Рисунок 7.1 – Изменение давления в надпоршневой

полости и в газовоздушных трактах в

двухтактном двигателе с золотниковым

газораспределением и механическим

приводом нагнетателя (а) и отношения

эффективной площади проходных

сечений окон к площади поршня (б)