Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

248

FBI = 0,5



FBM



[1 –

– cos ((FI – FB1)/(FBП + DFПB)180)];

DMCBI =

     





1DTPIPT1TIA3FBIPIPTTIRTPI

KT2KT1

 ;

DMSCI =

     





1DTPSPI1TSASFSIPSPITSRTPS

KS2KS1

 ;

FCI =





0,5



{1– cos(FI)+S/(8



[1– cos2(FI)]};

LTI = 128D

–0,2

(6,18CM)

0,8

(10

–5

PI)

0,8

(TI)

–0,53

;

DQTI = LTI[FП(TI–TП)+FГ(TI–TГ)+FСI(TI–TC)]DT1

V(I+1) = VC+0,5



{1– cos(FI+DF)+S/(8



[1– cos2(FI+DF)]};

DVI = V(I+1)

–

VI;

DPI =





















DVIPIDQTIКТ2DMCBI

TIRT

DMSCI

TSRS

VSI-VI

PIKТ

;

P(I+1) = PI + DPI; MSC(I+1) = MSCI + DMSCI;

M(I+1) = MI + DMSCI – DMCBI; VS(I+1)=(RSTS/PI) MSC(I+1);

T(I+1) = P(I+1)[V(I+1) – VS(I+1)]/{RT [M(I+1) – MSC(I+1)}];

MCB(I+1) = MCBI

DMCBI; QT(I+1) = QTI + DQTI

> PT



> PS



 F5

ХХ

XXVI

VII

Рисунок 7.4 – Продолжение

ПК



ПК

FBI = FBM;

ХХ

VIII

FBB



FBBК

FBI = 0,5



FBM



[1 +

+ cos ((FI – FBBK)/(FBD + DFПB)180)];

FBI = 0;



ХХ

FSI = 0,5



FSM



[1 –

– cos ((FI – FS1)/(FSП + DFПS)180)];

ПК

FSI = 0,5



FSM



[1 +

+ cos ((FI – FSBK)/(FSD + DFПS)180)];

I =

;

FSI = FSM;



ПК

FSBK



FS2



FSBК

ХХ

III

ХХ

249

FBI = 0,5



FBM



[1 –

– cos ((FI – FB1)/(FBП + DFПB)180)];

DMCBI =

     





1DTPIPT1TIA3FBIPIPTTIRTPI

KT2KT1

 ;

DMCSI =

     





1DTPIPS1TSASFSIPIPSTSRTPI

KS2KS1

 ;

FCI =





0,5



{1– cos(FI)+S/(8



[1– cos2(FI)]};

LTI = 128D

–0,2

(6,18CM)

0,8

(10

–5

PI)

0,8

(TI)

–0,53

;

DQTI = LTI[FП(TI–TП)+FГ(TI–TГ)+FСI(TI–TC)]DT1

V(I+1) = VC+0,5



{1– cos(FI+DF)+S/(8



[1– cos2(FI+DF)]};

DVI = V(I+1) – VI;

DPI =



























DVIPIDQTIKS2DMCBI

TIRT

DMCSI

TSRS

VSIVI

PIKТ

;

P(I+1) = PI + DPI; MSC(I+1) = MSCI – DMCSI;

M(I+1) = MI – DMCSI – DMCBI; VS(I+1) = VSI – (RSTS/PI) DMCSI;

T(I+1) = P(I+1)[V(I+1) –VS(I+1)]/{RT [M(I+1) –MSC(I+1)}];

MCB(I+1) = MCBI + DMCBI; QT(I+1) = QTI + DQTI

VS(I+1)

> PT



> PS



< V(I+1)

 V(I+1)

ХХ

XXVI

VII

Рисунок 7.4 – Продолжение

ПК



ПК

FBI = FBM;

ХХ

VIII

FBB



FBBК

FBI = 0,5



FBM



[1 +

+ cos ((FI – FBBK)/(FBD + DFПB)180)];

FBI = 0;



ХХ

FSI = 0,5



FSM



[1 –

– cos ((FI – FS1)/(FSП + DFПS)180)];

ПК

FSI = 0,5



FSM



[1 +

+ cos ((FI – FSBK)/(FSD + DFПS)180)];

I =

;

FSI = FSM;



ПК

FSBK



FS2



FSBК

ХХ

III

ХХ

250

 параметры продуктов сгорания в надпоршневой полости

к началу следующего расчетного шага (р

(i+1)

, Т

(i+1)

, М

(i+1)

Цикл вычислений по данному алгоритму продолжается до

момента, когда заброшенные во впускной канал продукты сгора-

ния полностью возвратятся в надпоршневую полость, т.е. М

sцт(i+1)

будет равно максимальному значению М

цsтi

. С этого момента в

надпоршневую полость из впускного канала начнет поступать

свежий заряд, оттесняя продукты сгорания к выпускным окнам,

т.е. начнется продувка надпоршневой полости свежим зарядом

(рис. 7.4, б).

Процессы продувки надпоршневой полости в двухтактном

двигателе осуществляется при положении поршня вблизи НМТ,

когда объем надпоршневой полости значительно (в дизелях на

порядок и более) превосходит объем камеры сжатия (V

). В четы-

рехтактных двигателях с наддувом продувка надпоршневой по-

лости осуществляется при положении поршня у ВМТ при вели-

чине объема надпоршневой полости близкой к минимальной (V

)

и интенсивном перемешивании свежего заряда со смесью газов в

надпоршневой полости. Поэтому, применительно к четырехтакт-

ным двигателям с наддувом, в модели расчета процессов продув-

ки надпоршневой полости (участок перекрытия клапанов) при-

нимается предположение о «мгновенном» перемешивании посту-

пившего свежего заряда со смесью газов в надпоршневой полос-

ти в конце расчетного участка (однозонная модель), т.е. предпо-

лагается, что в начале следующего расчетного шага смесь газов в

надпоршневой полости находится в равновесном состоянии.

Данный подход может быть использован и при расчете про-

дувки надпоршневой полости в двухтактных двигателях с непря-

моточной схемой продувки. В этом случае для расчета процессов

газообмена в двухтактном двигателе с непрямоточной схемой

продувки возможно использовать программу расчета газообмена

четырехтактного двигателя с наддувом, если принять те же ус-

ловные обозначения, что и для четырёхтактного двигателя

(табл. 6.2).

В двухтактных двигателях вследствие значительных объе-

мов надпоршневой полости после начала поступления в над-

поршневую полость свежего заряда в надпоршневой полости об-

251

разуется несколько зон с различным составом газов и различной

температурой, но при одинаковом давлении: зона продуктов сго-

рания, зона смеси продуктов сгорания и свежего заряда и зона

свежего заряда. При прямоточных схемах продувки с организо-

ванным потоком свежего заряда, поступающего в надпоршневую

полость через окна, объем зоны, в которой происходит переме-

шивание свежего заряда с продуктами сгорания, значительно

меньший, чем в надпоршневой полости двухтактных двигателей

с непрямоточной схемой продувки. Однако установить с точ-

ностью границы каждой из трех зон на каждом расчетном шаге

при любой схеме продувки достаточно сложно. В инженерных

расчетах в случае прямоточных схем продувки обычно ограничи-

ваются двухзонной моделью в предположении, что давление га-

зов в каждой из зон одинаково. В случае непрямоточных схем

продувки часть расчета процессов продувки (70–80 % продолжи-

тельности периода продувки) выполняют в предположении двух-

зонной модели, а часть – в предположении, что в конце каждого

расчетного шага происходит «мгновенное» смешивание посту-

пившего свежего заряда с продуктами сгорания (однозонная мо-

дель). Последний вариант модели расчета продувки является бо-

лее близким к реальным процессам продувки надпоршневой по-

лости двухтактного двигателя. Он может быть использован и для

расчета процесса продувки надпоршневой полости двухтактного

двигателя с прямоточной схемой продувки при увеличении про-

должительности расчета продувки в предположении двухзонной

модели до 90–95 % от продолжительности периода продувки.

Исходные данные, блок-схема алгоритма расчета (рис.7.4,в)

и программа расчета процессов продувки при использовании

двухзонной модели несколько отличаются от расчета продувки в

четырехтактном двигателе с наддувом. В исходных данных необ-

ходимо указать угол поворота кривошипа 

, соответствующий

моменту перехода от однозонной модели, используемой на пре-

дыдущих участках расчета газообмена (рис. 7.4, а; 7.4, б), к

двухзонной модели. На каждом расчетном шаге в этом случае

определяется объем зоны со свежим зарядом V

и зоны с продук-

тами сгорания V

вi

;

252



 ; (7.4)

вi

= V

– V

, (7.5)

где М

sцi

– масса свежего заряда, поступившего в цилиндр к рас-

сматриваемому углу поворота кривошипа; 

sцi

– плотность све-

жего заряда в надпоршневой полости.

Предполагается, как и в случае истечения свежего заряда

через впускные клапаны в четырехтактном двигателе, в над-

поршневой полости имеет место полное торможение потока и

температура элементарной массы свежего заряда, поступившей в

надпоршневую полость, восстанавливается до исходного значе-

ния во впускном канале (Т

). Объем V

, занимаемый свежим за-

рядом на расчетном участке, в течение расчетного промежутка

времени не изменяется, давление газов в надпоршневой полости

одинаково по всему объему. Так как на участке продувки над-

поршневой полости изменение давления незначительно, плот-

ность свежего заряда в надпоршневой полости на расчетном

участке 

sцi

будет определяться только давлением газов в над-

поршневой полости в начале расчетного участка. Не учитывается

также теплообмен между свежим зарядом и стенками цилиндра,

так как перепад температуры между поверхностью стенок ци-

линдра и свежим зарядом незначителен.

Изменение давления газов в надпоршневой полости в тече-

ние расчетного промежутка времени (р

> p

, температура в

зоне свежего заряда – Т

, в зоне продуктов сгорания – Т

)

























isi

pк

цвц

, (7.6)

где

 

sisi

sis

ср















































–

масса свежего заряда, поступившего в надпоршневую полость (в

зону свежего заряда) в течение расчетного промежутка времени;

 – плотность свежего заряда перед впускными окнами.

253

Последовательность выполнения расчетов процессов газо-

обмена в надпоршневой полости при ее продувке свежим зарядом

(рис. 7.4, в – двухзонная модель) примерно та же, что и на пре-

дыдущем участке расчета газообмена (рис. 7.4, б). На каждом

расчетном шаге сначала определяются зависимости для вычисле-

ния эффективной площади проходных сечений выпускных и

впускных окон (блоки XXI – XXIV), затем определяется количе-

ство продуктов сгорания, уходящих из надпоршневой полости, и

количество воздуха, поступающего в надпоршневую полость, в

течение расчетного промежутка времени (блок XXV), потери

теплоты от продуктов сгорания в стенки (блок XXVI), изменение

объема надпоршневой полости (блок XXVII), изменение давления

газов в надпоршневой полости (блок XXVIII), параметры газов в

зоне продуктов сгорания в конце расчетного участка (р

(i+1)

, М

(i+1)

), количество продуктов сгорания, вышедших из надпоршне-

вой полости к концу расчетного промежутка времени

цв(i+1)

,свежего заряда М

sц(i+1)

, поступившего в надпоршневую по-

лость, и объем зоны V

s(i+1)

, занимаемой свежим зарядом в над-

поршневой полости, потери теплоты от газов в стенки Q

т(i+1)

. Эти

данные выводятся затем на печать и расчетный цикл повторяется

на последующих расчетных участках до значения угла поворота

кривошипа 

= 

, соответствующего началу перехода от двух-

зонной модели расчета к однозонной.

В случае сохранения двухзонной модели расчета процессов

газообмена в надпоршневой полости до закрытия органов газо-

распределения (для прямоточных схем продувки) и значениях

давления газов в надпоршневой полости р

, больших, чем давле-

ние свежего заряда перед впускными окнами р

, необходима кор-

ректировка зависимостей в расчетных блоках XXV и XXVIII

(рис. 7.4, в). Свежий заряд из надпоршневой полости начнет

уходить через впускные окна из надпоршневой полости во

впускной канал (р

> р

sisi















































254

а продукты сгорания будут продолжать уходить из надпоршне-

вой полости в выпускной канал. При этом и зона продуктов сго-

рания (V

(i+1)

–V

s(i+1)

) и зона свежего заряда (V

s(i+1)

) в надпоршневой

полости на каждом расчетном участке будут уменьшаться.

Данная схема алгоритма (рис. 7.4, г) процессов газообмена в

надпоршневой полости сохраняется до угла поворота кривошипа,

при котором продукты сгорания полностью будут вытеснены из

надпоршневой полости свежим зарядом, т.е. V

s(i+1)

= V

(i+1)

. С этого

момента свежий заряд будет уходить из надпоршневой полости и

через впускные и через выпускные окна. Снова необходима будет

корректировка зависимостей блоков XXV и XXVIII (рис. 7.4, г).

Возможны и другие варианты схем газообмена на участке

продувки в зависимости от особенностей конструкции двигателя,

параметров газовоздушных трактов, давления свежего заряда пе-

ред впускными окнами или клапанами и за выпускными окнами

или клапанами, режима работы двигателя. Если мы ограничиваем

область использования двухзонной модели определенным значе-

нием угла поворота кривошипа (

= 

, рис. 7.4, в), то при этом

значении угла поворота кривошипа определяется среднее значе-

ние температуры смеси газов в цилиндре и дальнейшие расчеты

ведем исходя из равновесного состояния газов в надпоршневой

полости (однозонная модель). Блок-схема алгоритма расчета в

этом случае аналогична блок-схеме расчета процессов газообме-

на в четырехтактном двигателе на участке перекрытия клапанов

(рис. 6.10).

Проверка результатов расчета процессов газообмена обычно

выполняется по балансу массы воздуха М

и топлива В

, посту-

пивших в надпоршневую полость в течение цикла, и массы про-

дуктов сгорания М

и воздуха М

ут

, ушедших из надпоршневой

полости на участке газообмена в выпускной канал:

+ В

= М

+ М

ут

. (7.7)

Показатели процессов газообмена в двухтактном двигателе

определяются по тем же зависимостям, что и для четырехтактно-

го двигателя с наддувом и продувкой надпоршневой полости –

зависимости (6.1), (6.2), (6.5), (6.6).

255

§3. Расчет процессов газообмена в двухтактних

двигателях с кривошипно-камерной продувкой

В ДВС с кривошипно-камерной продувкой использование

подпоршневой полости в качестве нагнетателя существенно ус-

ложняет математическую модель процессов газообмена, оценку

выбора площади проходных сечений окон, фаз газораспределе-

ния.

В подавляющем большинстве конструкций двухтактных

двигателей с кривошипно-камерной продувкой и внешним смесе-

образованием длина впускных и выпускных каналов соизмерима

с ходом поршня. Поэтому газодинамические явления на впуске и

выпуске оказывают относительно незначительное влияние на

процессы в подпоршневой и надпоршневой полостях. Настройка

выпускных систем обычно используется в двухтактных двигате-

лях с кривошипно-камерной продувкой для мототехники и по-

зволяет существенно повысить его мощность и экологичность. В

этом случае в модели газообмена необходимо учитывать процес-

сы не только в кривошипной камере, но и газодинамические про-

цессы в выпускном канале. Подобная постановка задачи исполь-

зуется в специальных исследованиях.

Рассмотрим особенности протекания процессов газообмена

в двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой и

внешним смесеобразованием без учета влияния газодинамиче-

ских процессов в выпускном, продувочном и впускном каналах

(рис. 7.5). Схема продувки в рассматриваемом типе двигателя –

петлевая. Выпускные окна, как правило, расположены с одной

стороны цилиндра, продувочные – по бокам от выпускных.

Причем, продувочные каналы, подводящие топливовоздушную

смесь к продувочным окнам из кривошипной камеры, спрофили-

рованы таким образом, что поток смеси, выходящий из проду-

вочных окон, направлен к стенке цилиндра, противоположной от

выпускных окон.

Кривошипная камера 3 заполняется топливовоздушной сме-

сью при перемещении поршня 2 к ВМТ. Опережение открытия и

запаздывание закрытия впускных окон 7 нижней кромкой порш-

ня 2 составляет 65–75 ПКВ по отношению к ВМТ поршня 2. К

256

моменту открытия впускных окон 7 ( точка р на рис. 7.6) разря-

жение в кривошипной камере достигает 0,04–0,06 МПа. Топли-

вовоздушная смесь из впускного канала начинает поступать в

кривошипную камеру 3. Завершается заполнение кривошипной

камеры 3 в момент перекрытия нижней кромкой поршня 2 впуск-

ного окна 7 (точка r на рис. 7.6). Степень заполнения кривошип-

ной камеры свежим зарядом зависит от отношения площади про-

ходного сечения впускного окна к площади поршня, моментов

открытия и закрытия впускного окна поршнем, частоты враще-

ния коленчатого вала, сопротивления воздушного фильтра на

впуске (р

в.ф

), положения

дроссельной заслонки кар-

бюратора 8 на частичных ре-

жимах, определяющей раз-

ряжение (р

др

) за дроссель-

ной заслонкой.

В надпоршневой полос-

ти процессы газообмена на-

чинаются за 60–80 ПКВ до

НМТ поршня (с момента на-

чала открытия поршнем вы-

пускных окон 5 – точка е на

рис. 7.6) и продолжаются до

момента их закрытия (точка

е на рис. 7.6). Продувочные

окна 6 открываются (точка d)

кромкой поршня 2 на 15–20

ПКВ позже начала открытия

выпускных окон (точка е) и

закрываются, соответственно,

на 15–20 ПКВ раньше (точка

V) момента закрытия выпуск-

ных окон 7 (точка е). Проте-

кание процессов выпуска,

продувки в надпоршневой

полости двухтактного двига-

теля с кривошипно-камерной

p,V



p,V

нs

–

Рисунок 7.5 – Расчетная схема процес

сов

газообмена двухтактного ДВС с

кривошипно-камерной продувкой:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – криво-

шипная камера; 4 – головка цилинд

ров;

5 – выпускные окна; 6 – проду

вочные

окна; 7 – впускное окно; 8 – карбюра

тор;

9 – воздушный фильтр; 10 – глушитель

257

продувкой подобно протеканию процессов газообмена в двигате-

лях с непрямоточной схемой продувки и приводным нагнетате-

лем за исключением характера изменения давления рабочего тела

в продувочном канале перед продувочными окнами 6 (рис. 7.6).

Давление смеси в продувочном канале определяется давлением

смеси в кривошипной камере 3 (рис. 7.5).

Процессы газообмена в кривошипной камере целесообразно

рассматривать с момента завершения процессов продувки над-

поршневой полости (точка V на рис. 7.6), когда давление в над-

поршневой полости и в кривошипной камере 3 будут практи-

чески одинаковы и примерно равны давлению газов р

в выпуск-

ном канале. Поскольку впускное окно 7 (рис. 7.5) перекрывается

поршнем 2 значительно раньше (точка r на рис. 7.6), изменение

давления р

в кривошипной камере 3 будет зависеть от изменения

ее объема V

по углу поворота кривошипа, испарения топлива,

р,

МПа



f/F

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,2

0,4









III

120

180

240

300

360





ПКВ

Рисунок 7.6 –

Изменение давления в надпоршневой полости

р, в кривошипной камере р

, отношения эффективной

площади проходных сечений впускных 

, выпуск-

ных 

и продувочных 

окон к площади порш

ня в

зависимости от угла поворота кривошипа