Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

268

тивоположной выпускным окнам, начнет формироваться зона

свежего заряда (на рис. 7.5 эта зона условно ограничена пунктир-

ной кривой).

В двигателях с петлевыми схемами продувки формирование

зоны свежего заряда может продолжаться в течение 30–50 % от

продолжительности продувки (примерно 40–60 ПКВ). На этом

участке расчета газообмена в надпоршневой полости следует ис-

ходить из двухзонной модели в предположении равенства только

давлений в каждой из зон. Затем перейти к однозонной модели в

предположении равновесного состояния газов в начале каждого

расчетного участка.

Изменение давления на расчетном участке в надпоршневой

полости и в кривошипной камере при р

кi

 р

после начала

поступления в надпоршневую полость топливовоздушной смеси

и образования у продувочных окон зоны свежего заряда

 

























isii

pк

цв

111

; (7.54)

 



















pк

кнs

кк

кs

, (7.55)

где

 

sii

isi

ср

пп

кн

















 – масса топливо-

воздушной смеси, поступившей в надпоршневую полость в

течение расчетного промежутка времени;

sis

ТR

 – плот-

ность топливовоздушной смеси в зоне свежего заряда;































кн

– скорость смеси в продувоч-

ном окне;

– среднее значение температуры смеси в зоне

свежего заряда (



Давление, температура, масса продуктов сгорания и свежего

заряда, объем зоны свежего заряда в конце расчетного промежут-

269

ка времени в надпоршневом объеме:

(i+1)

= p

  p

; (7.56)

(i+1)

= М

– М

цвi

; (7.57)

нs (i+1)

= М

нsi

+ М

нsi

; (7.58)





)1(т

)1(н)1()1(

)1(











isii

VVp

T ; (7.59)

)1(н







. (7.60)

Давление, температура, масса смеси в кривошипной камере

в конце этого же расчетного промежутка времени:

к(i+1)

= p

кi

  p

кi

; (7.61)

к(i+1)

= М

кi

–М

нsi

; (7.62)

)1(кs

)1(к)1(к

)1(к









. (7.63)

Принятая схема протекания процессов в надпоршневой по-

лости в начальный период ее продувки свежим зарядом в значи-

тельной степени условна, так как будет иметь место с первого же

момента поступления свежего заряда в надпоршневую полость и

его частичное перемешивание с продуктами сгорания. Зона сме-

шивания будет интенсивно увеличиваться, охватывая все боль-

ший объем надпоршневой полости. Поэтому через 40–60 ПКВ от

момента начала поступления свежего заряда в надпоршневую по-

лость целесообразно перейти к однозонной модели, приняв тем-

пературу смеси свежего заряда и продуктов сгорания равной

среднему значению:

 

sii

sisiii

siipm

sispmsiipmi

tMtM

MMC

нн

нсм

кнпр.сг

































; (7.64)

273









tT , (7.65)

где С

рm пр.сг

; С

рm s

; С

рm см

– средние молярные теплоемкости

при постоянном давлении продуктов сгорания, топливовоздуш-

270

ной смеси и смеси свежего заряда и продуктов сгорания;



– количество молей продуктов сгорания и свежего заряда в

надпоршневой полости.

Масса продуктов сгорания, вышедших из надпоршневой по-

лости к этому моменту времени

)1(e

цв)1(в 









MMMM . (7.66)

С переходом к однозонной модели изменение давления в

надпоршневой полости и в кривошипной камере в течение рас-

четного промежутка времени

 

























pк

цв

; (7.67)

 



















pк

кнs

кк

кs

. (7.68)

При этом на каждом расчетном шаге необходимо рассчитывать

массовые доли свежего заряда q

и продуктов сгорания q

вi

, коли-

чество продуктов сгорания и свежего заряда, уходящих из над-

поршневой полости через выпускные окна. На первом расчетном

шаге после перехода от двухзоной к однозонной модели массо-

вые доли в смеси свежего заряда и продуктов сгорания:

sii



 ; (7.69)

вi

= 1 – q

; (7.70)

Масса свежего заряда и продуктов сгорания, вышедших из

цилиндра через выпускные окна в течение первого расчетного

промежутка времени:

М

вsi

= q

М

вi

; (7.71)

М

вi

= (1 – q

) М

вi

. (7.72)

Масса газов в надпоршневой полости М

(i+1)

; масса свежего

заряда М

нs(i+1)

, поступившего из кривошипной камеры в над-

поршневую полость; масса свежего заряда М

вs(i+1)

, ушедшего из

надпоршневой полости; масса продуктов сгорания М

в(i+1)

, вы-

271

шедших из надпоршневой полости; масса смеси в кривошипной

камере М

к(i+1)

к концу расчетного промежутка времени:

(i+1)

= М

– М

вi

+ М

нsi

; (7.73)

нs(i+1)

= М

нsi

+ М

нsi

; (7.74)

вs(i+1)

= М

вsi

+ q

М

вi

; (7.75)

в(i+1)

= М

вi

+ (1– q

)

М

вi

; (7.76)

к(i+1)

= М

кi

– М

нsi

. (7.77)

Давление и температура газов в надпоршневой полости и в

кривошипной камере определяются как и на предыдущих расчет-

ных участках:

(i+1)

= p

  p

; (7.78)

 

)1(т

)1()1(

)1(

5,0









MRR

; (7.79)

к(i+1)

= p

кi

  p

кi

; (7.80)

)1(кs

)1(к)1(к

)1(к









. (7.81)

На последующих расчетных промежутках времени массовая

доля свежего заряда в смеси газов в надпоршневой полости опре-

деляется с учетом потерь свежего заряда через выпускные окна,

)1(

)1(в)1(н

)1(











isis

; (7.82)

Расчет процесса продувки заканчивается в момент перекры-

тия поршнем продувочных окон (точка V на рис. 7.6). Так как вы-

пускные окна перекрываются поршнем на 15–20 ПКВ позже,

чем продувочные (точка е на рис. 7.6) на участке IV имеет место

потеря свежего заряда через выпускные окна. Кривошипная ка-

мера на этом участке (от точки V до точки е) не соединена с над-

поршневой полостью и процессы газообмена продолжаются

только в надпоршневой полости. Состав смеси газов в надпорш-

невой полости на участке IV (от точки V до точки е) не изменяет-

ся (q

= const).

272

Изменение давления в надпоршневой полости на расчетном

участке

 





















 i

pк

)1(

. (7.83)

К концу каждого расчетного участка масса смеси газов в

надпоршневой полости

(i+1)

= М

– М

вi

; (7.84)

масса продуктов сгорания, ушедших из надпоршневой полости,

в(i+1)

= М

вi

– (1– q

)

М

вi

; (7.85)

масса свежего заряда, ушедшего из надпоршневой полости,

вs(i+1)

= М

вsi

+ q

М

вi

; (7.86)

масса свежего заряда, оставшаяся в надпоршневой полости,

)1(вн)1(н 







issis

МММ

, (7.87)

где М

нs

– масса свежего заряда, поступившего в надпоршневую

полость до точки V.

Заканчивается расчет процессов газообмена в надпоршневой

полости в момент перекрытия поршнем выпускных окон (точка е

на рис. 7.6). Проверка расчетов выполняется по балансу масс ра-

бочего тела в надпоршневой полости в точке е и точке е, т.е.

ее

ММ





. (7.88)

Затем определяются показатели газообмена для кривошип-

ной камеры и надпоршневой полости:

 коэффициент наполнения кривошипной камеры

кк





 , (7.89)

где М

кr

– масса смеси в кривошипной камере в точке

r (рис. 7.6);

ММ

кк

 – масса смеси в кривошипной камере в точ-

ке р (рис. 7.6);

 коэффициент наполнения надпоршневой полости

273

ess

вн













, (7.90)

где

eses



вн

, – масса свежего заряда в надпоршневой полости

в точке е и масса свежего заряда, вышедшего из надпоршневой

полости через выпускные окна до точки е;

 коэффициент избытка продувочного воздуха



 ; (7.91)

 коэффициент утечки продувочного воздуха













V s

ess

нн

; (7.92)

 коэффициент остаточных газов







, (7.93)

где



– масса продуктов сгорания, вышедших из надпоршне-

вой полости к точке е.

При разработке блок-схемы алгоритма расчета и программы

расчета процессов газообмена в кривошипной камере и надпорш-

невой полости целесообразно использовать те же символы, что и

в случае расчета процессов газообмена в четырехтактном двига-

теле, придерживаясь их смыслового значения (табл. 6.2).

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните основные отличия в организации процессов

газообмена двухтактных ДВС от газообмена четырехтактных

ДВС.

2. Какие происходят процессы в надпоршневой полости на

участке газообмена двухтактного ДВС?

3. Как определяют показатели процессов газообмена в двух-

тактных ДВС?

4. Представьте основные схемы продувки двухтактных

ДВС.

274

5. Какие используются органы газораспределения в двух-

тактных ДВС?

6. Представьте диаграмму фаз газораспределения двухтакт-

ного ДВС.

7. Как осуществляется выбор фаз газораспределения в двух-

тактном ДВС?

8. Представьте последовательность расчета процессов газо-

обмена в надпоршневой полости двухтактного ДВС.

9. Объясните особенности процессов газообмена в двух-

тактном ДВС с кривошипно-камерной продувкой.

10. Объясните особенности расчета процессов газообмена

в двухтактном ДВС с кривошипно-камерной продувкой.

275

Глава 8

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В

ГАЗОВОЗДУШНЫХ КАНАЛАХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Методы моделирования газодинамических

процессов в газовоздушных каналах двигателей

Процессы газообмена в надпоршневой полости двигателя

сопровождаются сложными газодинамическими явлениями в вы-

пускных и впускных каналах. Характер их протекания зависит от

соотношения диаметров цилиндра и каналов, длины каналов, фаз

газораспределения, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки

и других факторов. Накопление и систематизация эксперимен-

тальных данных по влиянию этих факторов на газодинамические

явления в газовоздушных каналах, газообмен в надпоршневой

полости двигателя позволяют в какой-то мере учитывать их при

выборе параметров газовоздушных систем. Применение методов

физического и математического моделирования процессов в над-

поршневой полости и газовоздушных каналах двигателя заметно

сокращает затраты времени на оптимизацию параметров газовоз-

душных трактов.

Библиография по моделированию газодинамических про-

цессов в газовоздушных каналах двигателей к концу 50-х годов

прошлого столетия включала несколько десятков работ, к на-

стоящему времени – сотни. Анализ этих работ представляет ин-

терес скорее с точки зрения истории техники. Рассмотрим наибо-

лее, характерные этапы исследований по моделированию газоди-

намических процессов в газовоздушных каналах, выбору пара-

метров газовоздушных систем.

Характерной особенностью работ до конца шестидесятых

годов прошлого столетия является стремление исследователей

получить возможно более простое решение. Это вполне объясни-

мо, так как один из основных критериев оценки предлагаемых за-

висимостей, решений – возможность их использования в инже-

нерной практике, т.е. возможность решать уравнения доступны-

ми для того времени средствами вычислений. Решение задач не-

276

стационарной газовой динамики в достаточно полном объеме

применительно к газовоздушным каналам двигателей требует

значительного объема оперативной памяти ЭВМ, не говоря уже о

необходимости разработки сложнейших алгоритмов и программ

расчета. Именно с этих позиций, т.е. исходя из конкретных усло-

вий работы исследователей, необходимо, на наш взгляд, подхо-

дить к оценке работ тех лет.

Из многочисленных работ последующих лет моделирова-

нию процессов в газовоздушных каналах дизелей с газотур-

бинным наддувом следует выделить работы профессора Сим-

сона А.Э. [1, 2], сыгравших заметную роль в теории и практике

отечественного дизелестроения. В основу модели положены

уравнения объемного баланса профессора Глаголева Н.М. [3].

Изменение давления газов в цилиндре и в газовоздушных каналах

определяется совместным решением дифференциальных уравне-

ний объемного баланса для надпоршневой полости и газовоз-

душных каналов. Предполагается, что давление в объемах газо-

воздушных каналов одинаково и изменяется только в зависи-

мости от времени, поток газа через границы каналов (клапан,

сопловую решетку турбины и т.п.) в течение расчетного проме-

жутка времени – установившийся. Правомерность этих допуще-

ний подтверждается достаточно хорошим совпадением расчет-

ных и экспериментальных кривых изменения давлений газа в ка-

налах, значений мощности турбины и нагнетателя в двигателях с

относительно короткими каналами, соединяющими цилиндр с

коллекторами, когда продолжительность такта выпуска или

впуска в 6–8 раз больше времени прохождения возмущением ка-

нала от клапана до входного отверстия.

Широкое внедрение в инженерную практику ЭВМ позволи-

ло решать задачи моделирования газодинамических процессов в

каналах без грубой схематизации явлений. В сравнительно ко-

роткий промежуток времени было выполнено ряд разработок за

рубежом и в СНГ, которые явились заметным шагом вперед.

Продолжаются интенсивные разработки в этой области и сего-

дня. Одними из основных при этом являются задачи моделирова-

ния течения газа на границах каналов, в узлах разветвлений, со-

вершенствование алгоритмов и программ расчетов.

277

§2. Основные посылки моделирования неустановившегося

течения газа в газовоздушных каналах двигателей

Трудности математического моделирования газодинамичес-

ких процессов в газовоздушных каналах двигателей связаны в

основном с моделированием граничных условий течения газа,

прохождения волн сжатия и разрежения через участки канала пе-

ременного сечения, участки с разветвлением каналов.

Рассмотрим физику явлений

характерного случая неустано-

вившегося течения газа в трубе

(рис. 8.1). Цилиндрическая труба

разделена диафрагмой а-а. По

одну сторону диафрагмы давле-

ние и температура газа р

, Т

, по

другую – р

, Т

. При мгновенном

раскрытии диафрагмы (t  0) вле-

во от диафрагмы образуется вол-

на разрежения, вправо – ударная

волна. При медленном раскры-

тии диафрагмы вправо от диа-

фрагмы образуется волна сжатия.

В волне разрежения проис-

ходит адиабатное расширение га-

за от давления р

до давления р

Изменение скорости газа в волне

разрежения равно скорости газа за волной W (волна разрежения

распространяется в покоящемся газе). Скорость фронта волны

разрежения равна скорости звука в покоящемся газе перед вол-

ной – С

, скорость основания волны – (С

– W). Поэтому волна

разрежения с течением времени расширяется.

В ударной волне, перемещающейся по неподвижному газу

со скоростью D, происходит сжатие газа от давления р

до давле-

ния р

и увеличение скорости газа. За ударной волной газ дви-

жется в направлении распространения ударной волны с той же

скоростью, что и за волной разрежения. Температура газа за

ударной волной Т

 отлична от температуры газа Т

за волной

Рисунок 8.1 – Изменение парамет

ров

газа в цилиндрической трубе

при разрыве диафрагмы

, Т



-W