Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

308

неподвижной системы координат). Так как волна сжатия пере-

мещается против течения газа, в волне сжатия также происходит

торможение потока газа. Уменьшение скорости газа в волне сжа-

тия

 

215

W 





и скорость потока за волной сжатия W

будет меньше, чем W

 

2125

WW 



 .

Волна сжатия и волна разрежения перемещаются навстречу

друг другу относительно газа между ними со скоростью рас-

пространения звука С

. После наложения волн сжатия и разреже-

ния образуется зона постоянного течения и т.д.

Для оценки изменения параметров потока газа у выпускных

клапанов (окон) в зависимости от скорости потока газа в момент

начала закрытия выпускных клапанов несколько упростим рас-

четную схему. Будем предполагать, что в момент начала тормо-

жения параметры газа по длине трубы постоянны (р

= 1,05·10

Па, Т

= 773 К, к = 1,34), продолжительность закрытия выпуск-

ных клапанов меньше, чем промежуток времени от начала тор-

можения потока до подхода волны сжатия к выпускным клапа-

нам. Тогда изменение скорости газа в волне разрежения, обра-

зующейся у выпускного клапана, равно скорости потока газа в

момент начала торможения:

 

зт11

WW 



 . (8.41)

Скорость звука С

3т

в газе при параметрах, соответствующих

параметрам заторможенного потока,

11зт

СС



 . (8.42)

Давление газа за выпускными клапанами, соответствующее

заторможенному потоку

 

1зт13т





ССрр . (8.43)

309

С увеличением скорости потока газа W

в момент начала

торможения давление газа заторможенного потока уменьшается

тем в большей мере, чем выше начальная скорость потока.

Уменьшается и скорость распространения звука С

3т

в затормо-

женном потоке (8.16). При значениях скорости газового потока в

начале торможения, которые могут иметь место в двигателях

внутреннего сгорания, разрежение за выпускными клапанами

может достигать значительных величин. Например, при скорости

потока в начале торможения W

= 150 м/с и противодавлении на

выпуске (давлении среды, в которую происходит выпуск отрабо-

тавших газов) р

то

= 1,05·10

Па, разрежение у клапана составляет

0,329·10

Па (рис. 8.16).

Использование газодинамических явлений в выпускных кана-

лах двигателей внутреннего сгорания может заметно умень-

шить работу выталкивания

продуктов сгорания из цилиндра.

Мы рассмотрели в основ-

ном физику процессов в каналах,

граничные условия течения газа.

Математическое моделирование

газодинамических процессов в

каналах двигателя требует сов-

местного решения уравнений,

определяющих изменение пара-

метров в надпоршневой полости

и в каналах. Математическая

модель в этом случае сложна,

громоздка и требует значитель-

ных затрат времени и средств на

выполнение расчетных исследо-

ваний [8, 9].

§5. Влияние газодинамических процессов во впускной и

выпускной системах на процессы газообмена в

надпоршневой полости

В современных четырехтактных двигателях коэффициент

наполнения в зависимости от режима работы и уровня оптимиза-

Рисунок 8.16 – Изменение степени

разрежения и отношения С

3т

/С

в зависимости от начальной

скорости торможения потока

в выпускном канале

зт

/р

зт

/р

зт

/С

зт

/С

W, м/с

160

120

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

310

ции параметров газовоздушных систем двигателя составляет

0,75–0,95, среднее давление насосных потерь – (0,25–1,0)·10

Па.

Существенное влияние на уровень показателей газообмена в че-

тырехтактных двигателях оказывают газодинамические процессы

во впускной и выпускной системах двигателя [8].

Давление газов в надпоршневой полости четырехтактного

двигателя в момент начала открытия выпускного клапана при по-

вышенных нагрузках значительно выше давления окружающей

среды (0,5–0,7 МПа). Поэтому в выпускном канале с открытием

выпускного клапана формируется волна сжатия, основание кото-

рой перемещается от клапана к глушителю со скоростью звука

(рис. 8.12). Скорость потока за волной сжатия может достигать

значительной величины (по осциллограмме, представленной на

рис. 8.12 – 245 м/с). За волной сжатия формируется волна разре-

жения, в которой происходит торможение потока до значений

скорости соответствующих расходу газа через выпускной клапан

(рис. 8.12).

Установка на выпуске каналов с индивидуальным отводом

газа из цилиндров определенной длины и диаметра вызывает за-

метное понижение давления и в надпоршневой полости на участ-

ке выпуска (рис. 8.17). При торможении потока газа в волне раз-

режения следующей за

волной сжатия в выпускном

канале возникает значи-

тельное понижение давле-

ния, определяющее и дав-

ление в надпоршневой по-

лости. Максимальное раз-

режение в выпускном кана-

ле у выпускного клапана, а

соответственно и в полости

двигателя, будет иметь ме-

сто в случае, если продол-

жительность закрытия вы-

пускного клапана будет

меньше, чем промежуток

времени от начала тормо-

жения потока в волне раз-

Рисунок 8.17 – Влияние выпускной системы

на изменение давления в надпоршневой

полости дизеля 4Ч12/14:

1 – система выпуска с длиной выпускных

каналов l  300 мм, n = 1700 мин

-1

;

2, 3 – выпускные каналы l = 1500 мм,

2 – n = 1700 мин

-1

, 3 – n = 1300 мин

-1

р,

МПа

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

620

720



ПКВ

311

режения до момента подхода к выпускному клапану волны сжа-

тия, образовавшейся на выходе из выпускного канала (у глуши-

теля шума). В рассматриваемом случае (рис. 8.17) длина выпуск-

ного канала (l = 1500 мм) соответствовала максимальному значе-

нию разрежения в надпоршневой полости при частоте вращения

коленчатого вала n = 1300 мин

-1

. С увеличением частоты враще-

ния коленчатого вала начало торможения потока в выпускном

канале смещается по углу поворота кривошипа к ВМТ. Так как

при этом площадь проходного сечения выпускного клапана

уменьшается, разрежение в надпоршневой полости также умень-

шается.

Использование газодинамических процессов в выпускных

каналах четырехтактного двигателя при соответствующем под-

боре длины и диаметра выпускных каналов позволяет несколько

уменьшить затраты работы на очистку надпоршневой полости от

продуктов сгорания. Влияние газодинамических процессов в вы-

пускном канале на коэффициент остаточных газов и коэффици-

ент наполнения незначительно.

В двухтактных двигателях газодинамические процессы в

выпускных каналах, особенно в быстроходных двигателях с не-

высоким уровнем давления наддува, оказывают определяющее

влияние на степень очистки надпоршневой полости от продуктов

сгорания и на ее заполнение свежим зарядом, а соответственно на

мощность и экономичность двигателя. Особое внимание выбору

параметров выпускных каналов уделяется в двухтактных двига-

телях с газотурбинным наддувом для повышения эффективности

использования энергии отработавших газов, уменьшения потерь

свежего заряда при продувке в возможно более широком диапа-

зоне нагрузок и изменения частоты вращения коленчатого вала.

Влияние газодинамических процессов во впускных каналах на

показатели процессов газообмена двухтактного двигателя значи-

тельно меньше, чем газодинамических процессов в выпускных

каналах. Определяющими параметрами впускного тракта по

влиянию на показатели процессов газообмена в двухтактном дви-

гателе являются в основном площадь проходных сечений проду-

вочных окон и моменты их открытия и закрытия по отношению к

моментам открытия и закрытия выпускных окон.

312

В четырехтактных же

двигателях значительное

влияние на показатели про-

цессов газообмена оказыва-

ет не выпускная система, а

впускная. Предложены де-

сятки схем подвода воздуха

(топливовоздушной смеси)

к цилиндрам двигателя 8, 9,

10. Рассмотрим для при-

мера влияние схемы подво-

да воздуха к цилиндрам

(рис. 8.18), длины каналов

подвода на изменение ко-

эффициента наполнения в

зависимости от частоты

вращения коленчатого вала

дизеля 4Ч12/14 (рис. 8.19).

Диаметр клапанов, каналов

подвода воздуха 7, профили

кулачков распределительно-

го вала, фазы газораспреде-

ления сохранялись неиз-

менными для каждого из

вариантов схем впускного

коллектора. Сопротивление

воздушного фильтра на вхо-

де в коллектор 1 имитировалось емкостью 5, объем которой был

равен объему воздушного фильтра 4, и дроссельной заслонкой 6

(рис. 8.18).

В случае исходной схемы впускной системы (рис. 8.18, а)

коэффициент наполнения с увеличением частоты вращения ко-

ленчатого вала возрастает до n = 2000 мин

-1

(рис. 8.19), что сви-

детельствует о завышенном значении для данной схемы подвода

воздуха к впускным клапанам фазы запаздывания закрытия

впускных клапанов (

= 56 ПКВ). При переходе к схеме кол-

лектора с подводом воздуха к каждому цилиндру отдельными

Рисунок 8.18 – Схемы впускных систем

дизеля 4Ч12/14 (СМД - 14):

1 – впускной коллектор; 2 – впуск

ные

клапаны; 3 – тензодатчики давления; 4 –

воздухоочиститель; 5, 6 – емкость и воз-

душная заслонка имитирующие сопро-

тивление воздушного фильтра; 7 – впуск-

ной канал; I, II, III, IV – номера цилинд-

ров; р

, T

– давление и температура воз-

духа на входе в коллектор; р

– давле-

ние и температура окружающей среды

,Т

III

313

каналами 7 длиной l  300 мм

(рис. 8.18, б), коэффициент на-

полнения с увеличением часто-

ты вращения уменьшается.

Увеличение длины каналов

подвода воздуха к впускным

клапанам до 700 мм (рис. 8.18,

схема в) изменяет не только

характер зависимости коэффи-

циента наполнения от частоты

вращения коленчатого вала (в

сравнении с вариантом, пред-

ставленным на рис. 8.18, б),

но и увеличивает значения

коэффициента наполнения в

диапазоне изменения частоты

вращения 1300–2000 мин

-1

на

6–7 % в сравнении с исходным

вариантом (схема а на рис.

8.18). Среднее давление насос-

ных потерь при переходе от

исходного варианта (схема а на рис. 8.18) впускной системы к

варианту схемы впускной системы в (рис. 8.18) увеличилось в

этом диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала

примерно на 0,1·10

Па. Эта энергия ушла на увеличение кинети-

ческой энергии потока во впускных каналах 7 на тактах впуска,

увеличение колебания давления и скорости потока в каналах

подвода воздуха к впускным клапанам (рис. 8.20).

Влияние схемы подвода воздуха к впускным клапанам на

изменение коэффициента наполнения в зависимости от частоты

вращения коленчатого вала обусловлено изменением газодина-

мических процессов в каналах подвода воздуха к впускным кла-

панам 7 и во впускном коллекторе 1 (рис. 8.20). При переходе от

исходной схемы a к схеме б с короткими индивидуальными кана-

лами 7 подвода воздуха к впускным клапанам возросло взаимное

влияние газодинамических процессов в каналах подвода воздуха.

Это предопределило заметное смещение от НМТ максимальных

Рисунок 8.19 – Влияние впускной системы

на коэффициент наполнения дизеля

4Ч12/14 (СМД-14)

n, мин

1400

1600

1800

2000

0,80

0,82

0,84

0,86

0,88

0,90

0,92

0,94



314

значений давления воздуха у впускных клапанов по отношению к

моментам их закрытия, динамику его изменения, уменьшение до-

зарядки цилиндра с увеличением частоты вращения коленчатого

вала. В случае схемы в впускной системы (длина впускных кана-

лов l = 700 мм) разгон газа в канале подвода воздуха на такте

впуска во втором цилиндре частично используется для увеличе-

ния скорости потока в этом же канале на такте впуска в первом

цилиндре (порядок чередования тактов впуска – 1–3–4–2–1), что

предопределяет увеличение давления у впускного клапана перво-

го цилиндра (кривая 4 на рис. 8.20). То же явление имеет место и

в канале подвода воздуха к впускным клапанам третьего и чет-

вертого цилиндров (кривая 5 на рис. 8.20). Сокращение длины

впускного коллектора 1 уменьшило также колебания давления на

входе во впускной канал, что также несколько увеличило коэф-

фициент наполнения.

Рисунок 8.20 – Осциллограммы изменения давления воздуха у

впускных клапанов и на входе во впускной коллектор

дизеля 4Ч12/14 (СМД-14, n = 1700 мин

-1

а – схема канала представлена на рис. 8.18, а;

б – схема канала представлена на рис. 8.18, б;

в – схема канала представлена на рис. 8.18, в;

1 – отметка ВМТ; 2 – атмосферная линия; 3 – отметка времени;

4, 5, 6 – изменение давления воздуха у впускных клапанов I-II,

III-IV цилиндров и на входе во впускной коллектор





, Па

0,2

+0,2

-0,2

+0,1

315

Возможно также улучшение наполнения надпоршневой по-

лости в четырехтактном двигателе и при использовании индиви-

дуальных каналов подвода воздуха к впускным клапанам, если

исключить взаимное влияние газодинамических процессов в ка-

налах. Это достигается увеличением диаметра (объема коллекто-

ра 1 на рис. 8.18) или путем подсоединения индивидуальных

впускных каналов к общей емкости (воздушному фильтру увели-

ченного объема), подбором длины каналов l

. Причем каждому

значению частоты вращения коленчатого вала будет соответство-

вать определенная длина впускного канала, при которой период

свободных колебаний столба воздуха в каналах после закрытия

впускных клапанов будет примерно равен полупериоду вынуж-

денных (продолжительности такта впуска),

nСl 61804



, (8.44)

где С  340 м/с – скорость распространения звука при условиях

во впускном канале.

Значения коэффициента наполнения при настройке впуск-

ной системы зависят также и от фазы закрытия впускных кана-

лов. Ряд фирм разработали и поставили на производство двигате-

ли с искровым зажиганием, в которых и длина индивидуальных

впускных каналов и фазы газораспределения изменяются в зави-

симости от частоты вращения коленчатого вала, что значительно

усложнило его конструкцию. Практически тот же результат по

характеру изменения коэффициента наполнения и его значению в

зависимости от частоты вращения коленчатого вала, достигается

и при неизменном значении длин впускного канала и неизменной

фазе запаздывания закрытия впускного канала, если длина впуск-

ного канала соответствует оптимальной по коэффициенту напол-

нения для режима максимального крутящего момента, а фаза за-

паздывания закрытия впускного клапана – оптимальной при этой

длине на режиме максимальной мощности (кривая г на рис. 8.19).

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните особенности методов моделирования газоди-

намических процессов в газовоздушных трактах двигателей.

316

2. Объясните условие резонанса свободных колебаний газа

в газовоздушных каналах.

3. Как происходит преобразование волн сжатия и разреже-

ния у открытого конца трубы постоянного сечения?

4. Как происходит преобразование волн сжатия и разреже-

ния у закрытого конца трубы постоянного сечения?

5. Объясните взаимодействие волн сжатия и разрежения в

трубе постоянного сечения.

6. Каков механизм разгона газа от состояния покоя до зна-

чений скорости установившегося течения при заданных значени-

ях перепада давления в трубе постоянного сечения?

7. Как происходит торможение газа в трубе постоянного се-

чения?

8. Оцените возможность образования ударной волны в вы-

пускном канале двигателя.

9. Объясните особенности течения газа:

 на входе во впускной канал двигателя;

 через впускной клапан;

 через выпускной клапан.

10. Как влияют параметры впускной системы на процессы

газообмена в надпоршневой полости четырехтактного двигателя?

11. Как влияют параметры выпускной системы на процессы

газообмена в надпоршневой полости четырехтактного двигателя?

12. Как влияют параметры выпускной системы на процессы

газообмена в надпоршневой полости двухтактного двигателя?

13. Обоснуйте возможные пути повышения коэффициента

наполнения быстроходного четырехтактного двигателя.

14. Обоснуйте возможные пути снижения насосных потерь в

четырехтактном двигателе.

Список литературы к главе 8

1. Симсон А.Э. Газотурбинный наддув дизелей. – М.: Маш-

гиз, 1964. – 248 с.

2. Симсон А.Э. Исследования газотурбинного наддува теп-

ловозных дизелей: Автореф. докт. дисс. – Харьков: ХИИТ, 1970.

– 33 с.

317

3. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего

сгорания – М.–К.:Машгиз, 1950. – 481 с.

4. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газо-

динамику. – М.–Л.: Изд-во АН СССР, 1946. – 185 с.

5. Ландау Л.Л., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. –

М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1954. – 788 с.

6. Риман Б. Сочинения – М.–Л.: Гостехиздат, 1948. – 543 с.

7. Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилиней-

ных уравнений и их приложения к газовой динамике. – М.: Нау-

ка, 1968. – 591 с.

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

рания: Учебное пособие. – Киев: УМК ВО, 1989. – 204 с.

9. Назаренко Д.А. Исследование процесса наполнения че-

тырехтактного двигателя внутреннего сгорания с газодинами-

ческим наддувом: Автореф. канд. дисс. – Харьков: ХИИТ, 1977.

– 24 с.

10. Вихерт М.М., Грудский Ю.Т. Конструирование впускных

систем быстроходных дизелей. – М.: Машиностроение, 1982. –

150 с.