Вахламов В.К., Шатров М.Г., Юрчевский А.А. Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя

Подождите немного. Документ загружается.

Варьирование мощности двигателя

на каждом скоростном

режиме осуществляется изменением положения органа

управле-г

ния двигателем — педали управления дроссельной заслонкой или

подачей топлива (для дизеля).

Для оценки эффективности функционирования двигателя на

разных режимах и при различных значениях регулировочных

па-*

раметров

служат характеристики двигателя — зависимости основ-

ных показателей работы двигателя от режима работы или от пара-

метров, связанных с регулировкой его основных систем.

Скоростной характеристикой называется зависимость показа-

телей работы двигателя от частоты вращения коленчатого вала п

при неизменном положении органа управления двигателем (дрос-

сельной заслонки — для двигателя с искровым

зажиганием,

ры-

чага управления подачей топлива — для дизеля).

Скоростная характеристика, получаемая при полном откры-

тии дроссельной заслонки или предельном положении рычага уп-

равления, обеспечивающем достижение номинальной мощности

дизеля, называется внешней скоростной характеристикой. Она яв-

ляется паспортной для большинства двигателей транспортных ма-

шин и позволяет оценить предельные

мощностные

показатели и

определить экономичность двигателей при работе на полных на-

грузках. На графике внешней скоростной характеристики двига-

теля (рис. 1.6) рассмотрим области активных и пассивных режи-

мов его работы.

Выше оси абсцисс расположена область активных режимов ра-

боты двигателя, для которых характерна положительная работа

двигателя

(М

> 0).

Сверху область активных режимов двигателя ограничена мак-

симально возможными или максимально допустимыми значени-

ями крутящего момента

которые двигатель может развивать

"xmin

"mm

Рис. 1.6. Поле режимов работы автомобильного двигателя

на каждом скоростном режиме при

предельном

положении орга-

на управления

Максимальная

нагрузка,

которую двигатель может преодолеть

на каждом скоростном режиме, зависит от наполнения двигателя

воздухом, качества рабочего процесса и механических потерь.

В дизеле эта нагрузка ограничивается допустимой тепловой и ди-

намической напряженностью деталей, а также качеством рабоче-

го процесса, от которого зависит экономичность двигателя и

дым-

ность

отработавших газов.

Справа область активных режимов работы двигателя ограниче-

на ветвью снижения крутящего момента при частоте вращения

выше номинальной (двигатели с искровым зажиганием легковых

автомобилей)

или

регуляторной

ветвью (дизели и двигатели с

искровым зажиганием грузовых автомобилей). Значение максималь-

ной

частоты вращения

тах

соответствующее

- 0,

называется

максимальной частотой вращения холостого хода

хгпах

или часто-

той «раскрутки» регулятора (ограничителя). При этом номинальной

называется частота вращения

ном

при которой определяется

объявленное заводом-изготовителем значение номинальной мощ-

ности

emM

Слева область активных режимов ограничена минимально ус-

тойчивой

частотой вращения при данной нагрузке. Наименьшая

частота вращения коленчатого вала

определяемая при пол-

ностью открытой дроссельной заслонке или полной подаче топ-

лива, при которой двигатель работает устойчиво не менее 10 мин,

зависит от суммарного момента инерции вращающихся и возврат-

но-поступательно движущихся масс системы

«двигатель—потре-

битель»,

качества рабочего процесса, определяющего стабильность

и воспроизводимость последовательных рабочих циклов Значение

хтт

устанавливается техническими условиями на двигатель.

Снизу область активных режимов ограничивается режимами

холостого хода, которым соответствуют точки, расположенные на

оси абсцисс. На этих режимах

= 0 — двигатель не производит

эффективной работы. Режимы охватывают диапазон частот вра-

щения

от

минимальной

холостого

хода

хтт

до

частоты раскрутки

регулятора

xmax

Ниже оси абсцисс расположена область пассивных режимов ра-

боты двигателя, характерная для режимов принудительного холос-

того хода. Они возникают при торможении машины двигателем и

неумелых действиях водителя во время переключения передач. Дан-

ная область ограничена кривой крутящего момента

< 0, необ-

ходимого для проворачивания неработающего двигателя

Нагрузочной характеристикой называется зависимость показа-

телей двигателя от нагрузки на двигатель

(р

или

)

при

постоянной частоте вращения коленчатого вала. Она позволяет

определить предельную для данной частоты вращения мощность

двигателя, а также экономичность его работы при различных на-

грузках

На практике также используют регулировочные характеристики,

представляющие

собой зависимости показателей работы двигателя

от регулируемого параметра (коэффициента избытка воздуха, угла

опережения зажигания, угла опережения впрыскивания топлива).

Эти характеристики используют для определения оптимальных па-

раметров работы систем подачи топлива и зажигания.

Экспериментально характеристики ДВС определяют на специ-

альных стендах, позволяющих во всем диапазоне режимов созда-

вать внешнюю нагрузку (имитировать потребителя) и поглощать

(использовать) производимую им механическую работу. Устрой-

ства, выполняющие эту функцию, называют тормозами Стенды

оборудуют средствами измерений основных показателей двигате-

ля и параметров его рабочих процессов Методы стендовых испы-

таний регламентированы государственными и международными

стандартами (ГОСТ, ISO, DIN, SAE и др.).

1.6. Работа двигателя в составе транспортного средства

При равномерном движении транспортного средства без изме-

нения положения управляющего органа крутящий момент, раз-

виваемый двигателем

(рис. 1.7), соответствует моменту

сопро-

тивления дороги

(внешняя нагрузка).

С изменением внешней нагрузки

и неизменном положении

органа управления двигателем частота вращения коленчатого вала

и скорость движения автомобиля

автоматически изменяются в

сторону сближения значений

Л/

Проанализируем работу двигателя при движении автомобиля

на одной передаче и постоянном положении органа управления

двигателем для различных дорожных условий

При движении по горизонтальному участку дороги значения

я =

«I,

а)

постоянны,

а значения крутящего момента двигателя

и момента сопротивления дороги равны

(М

к1

Л/

с1

)

в точке 1.

Когда автомобиль движется в гору, момент сопротивления до-

роги

Л/

становится

больше

крутящего момента двигателя

к1

Поэтому двигатель уменьшает частоту вращения с

до

пока

значения моментов вновь не станут равными

(М

к2

с2

в точке 2).

При восстановлении движения по горизонтальному участку

дороги

(Л/

Л/

к2

)

происходит возврат в исходное состояние —

частота вращения двигателя увеличивается до п =

Л/

с1

При движении под гору

уменьшается

(М£

к1

)

и* следо-

вательно, частота вращения коленчатого вала возрастает до дос-

тижения равенства моментов

к3

Л/

с3

(точка 3).

Во время эксплуатации транспортного средства двигатель зна-

чительное время работает в условиях неустановившихся

(переход-

Л/

AT.

«а2

"al

"аЗ

Рис. 1.7. Анализ работы двигателя в составе транспортного средства

ных)

режимов,

при которых его показатели и тепловое состояние

постоянно меняются во времени. Такие режимы возникают при

изменении мощности и частоты вращения, при разгоне и тормо-

жении транспортного средства двигателем и

т.д.

В этих условиях

показатели двигателя значительно отличаются от полученных на

установившихся режимах.

С учетом условий эксплуатации для каждой конкретной кате-

гории транспортных средств, можно определить совокупность наи-

более характерных режимов работы двигателей.

При движении автомобиля в городских условиях для двигателя

характерны относительно большие интервалы работы на режимах

разгона, торможения, частичных нагрузок и холостого хода.

При эксплуатации транспортного средства на междугородних

перевозках большую часть времени двигатель работает на устано-

вившихся режимах, близких к режиму номинальной мощности.

Контрольные вопросы

1. По каким параметрам классифицируют двигатели?

2. Опишите последовательность тактов и рабочих процессов четырех-

тактного бензинового двигателя.

3 Опишите последовательность тактов и рабочих процессов четырех-

тактного дизеля.

4. Что такое степень

сжатия

Какие значения степеней сжатия у со-

временных двигателей с искровым зажиганием и дизелей?

5. Что такое угол опережения впрыскивания и для чего он необхо-

дим?

6. Что такое угол опережения зажигания и для чего он необходим?

7. Что такое свежий заряд и рабочая смесь?

8. Для

чего

необходим параметр «коэффициент избытка воздуха»? Дайте

определение коэффициента избытка воздуха.

9. Что такое бедная и богатая смесь? Каким параметром описывается

состав смеси?

10. Перечислите основные виды механических потерь в двигателе.

Перечислите основные виды тепловых потерь в двигателе.

12.

Дайте определение КПД: индикаторного,

механического

и эф-

фективного. Как эти КПД связаны между собой?

13. Как взаимосвязаны экономические показатели двигателя?

14. Как взаимосвязаны

мощностные

показатели двигателя?

15. Сравните методы форсирования двигателей.

16. Сравните методы наддува двигателей.

17. Перечислите основные характеристики двигателя.

18. Расскажите о работе двигателя в составе транспортного средства

при изменении дорожных условий.

Глава 2

ТОПЛИВА И ИХ СВОЙСТВА

2.1. Состав и свойства топлив

В действительном цикле двигателя происходят физико-хими-

ческие

превращения рабочего тела. В цилиндр двигателя поступает

свежий

заряд — воздух или

топливовоздушная

смесь. Затем свежий

чаряд

смешивается с оставшимися в камере сгорания остаточны-

ми

газами,

образуя рабочую смесь. В процессе сгорания при выделе-

нии теплоты рабочая смесь превращается в отработавшие газы

(ОГ). Окислителем при горении топлива является кислород ат-

мосферного воздуха. В качестве жидкого топлива для двигателя ис-

пользуют продукты переработки нефти — бензин и дизельное топ-

пиво,

представляющие собой смеси различных углеводородов.

Могут применяться и другие виды топлива — сжатый и

сжижен-

ный

газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля,

сланцев, битуминозных песков; спирты;

эфиры

и др.

К топливам предъявляют следующие требования: максималь-

ное содержание химической энергии в единице объема и полнота

выделения теплоты; минимальное образование токсичных про-

дуктов; надежная подача топлива и высококачественное смесеоб-

разование в широком диапазоне изменения внешних условий, на

всех режимах работы двигателя, включая пуск; минимальная склон-

ность к образованию нагара и

коррозионно-агрессивных

продук-

тов

сгорания; высокая термическая стабильность и хорошие мою-

щие свойства; стабильность свойств при хранении и транспорти-

ровании; отсутствие механических примесей и воды; возможно

малая пожароопасность; приемлемая стоимость.

Свойства топлив делятся на физико-химические и эксплуата-

ционные.

Физико-химические свойства характеризуют состояние и состав

топлива:

плотность, поверхностное натяжение, вязкость, фрак-

ционный и химический состав.

Эксплуатационные свойства отражают необходимые энергети-

ческие, экономические и экологические показатели двигателей и

надежность их работы (воспламеняемость, испаряемость, антиде-

юнационные

свойства, пусковые и низкотемпературные качества).

Бензины для автомобильных двигателей представляют собой

смеси

углеводородов,

которые выкипают в диапазоне температур

40...200

°С.

В Российской Федерации производят бензины марок

А-76,

АИ-93,

АИ-95,

АИ-98,

а также бензины с улучшенными

экологическими свойствами. Цифры в марке бензина характери-

зуют

его антидетонационные свойства, которые оценивают окта-

новым числом (ОЧ). Оно численно равно процентному содержанию

в смеси

изооктана

с ОЧ = 100 и

Н-гептана

с ОЧ = 0, которая имеет

такую же детонационную стойкость, как и испытуемый бензин.

Октановое число оценивают по моторному методу в единицах ОЧМ

и по исследовательскому методу в единицах ОЧИ. ОЧИ > ОЧМ на

8... 12 единиц. Эту разницу называют

чувствительностью

бензина

к октановому числу.

Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины,

наибольшей — ароматические

углеводороды.

Октановое число бен-

зина повышают добавкой в него низкокипящих высокооктановых

углеродов

или

кислородосодержащих

веществ — метидового спир-

та,

метилтретбутилового

эфира и других антидетонационных при-

садок

(тетраэтилсвинца

и тетраметилсвинца, а также

металлокар-

бонатов,

алкилгалогенидов).

Применение присадок на основе свин-

ца ограничено в эксплуатации из-за их токсичности. При увеличе-

нии степени сжатия и диаметра цилиндра необходимо использо-

вать топливо с большим октановым числом.

Испаряемость бензинов определяется их фракционным соста-

вом и давлением насыщенных паров. Испаряемость влияет на пус-

ковые свойства двигателя при низких температурах, на склон-

ность к образованию паровых пробок в системе питания при вы-

соких температурах, а также на приемистость двигателя.

Прокачиваемость, склонность к образованию отложений, кор-

розионная активность являются важными эксплуатационными

свойствами бензинов.

Дизельные топлива для автомобильных и тракторных дизелей

производят из гидроочищенных фракций прямой перегонки не-

фти.

В Российской Федерации производят дизельное топливо, пред-

назначенное для использования при различных температурах

окружающего воздуха: Л — О

°С

и выше, 3 — минус 20

°С

и выше;

А — минус 50

°С

и выше.

Важными эксплуатационными качествами дизельного топлива

являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные

свойства.

Испаряемость дизельного топлива зависит от фракционного

состава, плотности и вязкости.

Воспламеняемость дизельных

топлив

оценивают

цетановым

чис-

лом (ЦЧ). Его определяют по объемному содержанию цетана

(ЦЧ

=100)

в смеси с

а-метилнафталином

(ЦЧ = 0), которая при

испытании на одноцилиндровой установке имеет одинаковую вос-

пламеняемость с исследуемым топливом. Для быстроходных дизелей

ЦЧ = 45. Пусковые свойства дизеля улучшаются при повышении ЦЧ.

Приближенная связь между ОЧ и ЦЧ выражается зависимос-

тью: ЦЧ = 60 - ОЧ/2. Таким образом, топливо, обладающее

высо-

ким

ЦЧ (хорошей воспламеняемостью), имеют малое ОЧ (низ-

кую детонационную стойкость).

При снижении температуры до определенных значений дизель-

ное

топливо мутнеет, из него начинают выпадать кристаллы угле-

водородов. При дальнейшем понижении температуры дизельное

топливо теряет способность проходить через фильтр с необходи-

мой скоростью. Далее оно застывает. Для улучшения низкотемпе-

ратурных

свойств дизельное топливо очищают от парафиновых

углеводородов и обогащают специальными присадками.

Газообразные топлива, применяемые в

автомобильных

двига-

телях,

по агрегатному состоянию при нормальных условиях под-

разделяют на сжатые и сжиженные.

В сжатом газе (обычно это природный газ) до 95 % метана

СН

Сжиженные газы являются в основном продуктами переработ-

ки попутных газов и газов

газоконденсатных

месторождений. Они

содержат

бутан-пропановые

бутилен-пропиленовые

смеси,

на-

ходящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии.

Объемная теплота сгорания газов существенно меньше, чем жид-

ких топлив.

Основные достоинства газовых топлив в сравнении с бензино-

выми:

вследствие высокой эффективности сжигания могут обес-

печить

больший КПД; позволяют значительно увеличить степень

сжатия; обеспечивают надежный пуск при низких температурах;

удовлетворительные экологические свойства, обусловленные от-

сутствием

свинца, оксидов металлов, ароматических углеводоро-

дов, низким содержанием серы.

Водород является перспективным топливом, которое обладает

наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образует

«чистые»

продукты при сгорании, не считая оксидов азота. Пре-

пятствиями для применения водорода являются высокая стоимость

его

получения, трудности с хранением и заправкой.

Кислородсодержащие соединения, применяемые в качестве топ-

лива для двигателей — спирты (метанол, этанол, пропанол), эфи-

ры

и растительные масла. Наибольшее применение нашел мета-

нол, который получают из угля, сланцев, древесины, биомассы.

Октановое число спиртов больше, чем у бензинов, поэтому их

целесообразно применять в двигателях с искровым зажиганием.

Однако они обладают существенными недостатками: низкой теп-

лотой сгорания,

коррозионностью,

высокой теплотой испарения,

гигроскопичностью. Производные спиртов

(метилтретбутиловый

)фир,

диметиловый

эфир) лишены этих недостатков.

Водотопливные

эмульсии существенно снижают содержание

сажи и оксидов азота в отработавших газах, повышают эффектив-

ность дизельных топлив. Обычно используют эмульсии типа «вода

в топливе», в которых объемное содержание воды составляет

...40

Эмульсии снижают температуру пламени и повышают

полноту сгорания благодаря улучшению смесеобразования топ-

лива с воздухом из-за «микровзрывов» капель воды. К недостат-

кам эмульсий можно отнести склонность к расслоению с топ-

ливом и невозможность их использования при низких темпера-

турах.

Синтетические топлива применяют как в чистом виде, так и в

качестве добавок к углеводородным

топливам.

Они могут быть

получены из каменного угля в виде синтетических бензинов и

дизельных

тогагав,

метанола. Недостатки таких

топлив

— меньшая

теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота,

повышенная температура застывания.

2.2. Элементный состав рабочего тела

и продуктов сгорания

Окисление (сгорание) топлива. Элементный состав топлива пред-

ставляет массовые доли отдельных его составляющих. В одном ки-

лограмме топлива содержится:

углерода,

водорода,

кисло-

рода. Связь между количеством исходных продуктов (топлива и

воздуха) и продуктов сгорания может быть найдена из уравнений

химической реакции.

Полное окисление углеводородного топлива предполагает полу-

чение конечных продуктов: диоксида углерода

СО

и водяного

пара

О.

Минимальное количество кислорода, необходимое для

полного сгорания топлива, называют

стехиометрическим.

Коэф-

фициент избытка воздуха такой смеси а =

При неполном окислении топлива часть углерода окисляется лишь

до СО (оксида углерода), а часть водорода не сгорает.

Стехиометрическое

количество воздуха, необходимое для пол-

ного сгорания 1 кг топлива при 23 %-м по массе содержании кис-

лорода в воздухе, получим через элементный состав топлива:

/0,23.

Двигатели с искровым зажиганием работают при а

0,7...

1,3,

дизели — при среднем а > 1,5. Следует отметить, что при смесеоб-

разовании в дизелях есть зоны с а <

поэтому в процессе сгора-

ния может образовываться несгоревший углерод.

Состав продуктов сгорания. При а = 1 топливо должно сгорать

полностью, отработавшие газы содержать азот

и продукты пол-

ного сгорания

СО

О,

а при а > 1 — еще и избыточный кис-

лород

При а < 1 отработавшие газы включают азот

продукты пол-

ного

(СО

О)

и неполного сгорания СО и

В продуктах сгорания также имеются и другие

компонента!:

оксиды азота и серы, несгоревшие углеводороды, оксиды свинца

др.,

количество которых в отработавших газах относительно мало,

и они не оказывают воздействия на энергетические показатели

двигателя,

однако существенно влияют на его экологические ха-

рактеристики.

Экологические свойства топлив улучшаются при уменьшении

в них ароматических углеводородов и серы.

В дизелях при уменьшении а возрастают количество выделяю-

щейся теплоты и температура сгорания, что ведет к увеличению

образования

Рост содержания СО при приближении а к 1,

обусловлен ухудшением смесеобразования и неполнотой сгора-

ния. При больших значениях а рост СО связан с существенным

уменьшением скорости реакции и температуры сгорания, что

приводит к неполному окислению, несмотря на избыток

В двигателях с искровым зажиганием при уменьшении а < 1,

увеличивается содержание СО и

а также несгоревших углево-

дородов

Максимум

достигается при некотором избытке

кислорода (а

1,05...

1,1) и достаточно высокой температуре сго-

рания.

Теплофизические свойства топлив и их продуктов сгорания. Го-

рение топлива представляет собой экзотермическую реакцию,

которая идет с выделением теплоты. Высшая теплота сгорания

топлива

определяет полный тепловой эффект реакций с уче-

том

конденсации водяных паров, образующихся при сгорании.

В поршневых ДВС продукты сгорания не охлаждаются до темпера-

туры, при которой происходит конденсация водяного пара.

По-

зтому

в расчетах двигателя используют низшую теплоту сгорания

//„.

Для двигателя с искровым зажиганием

44 МДж/кг, для

дизеля

= 42,5 МДж/кг.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит топливо, используемое в двигателях?

2. Какие компоненты содержат продукты сгорания топлива при бога-

той и бедной смеси?

3. Что характеризует октановое число топлива? Какие ОЧ у бензинов,

используемых в двигателях с искровым зажиганием?

4. Что характеризует цетановое число топлива? Какое ЦЧ у дизельно-

го топлива

5. Какие значения а реализуют в дизелях?

6. Какие значения имеет а в двигателях с искровым зажиганием?

7 Какие значения низшей теплоты сгорания имеют бензин и

дизель-

ное топливо?

Глава 3

ПРОЦЕССЫ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ

3.1. Процессы газообмена

Действительный цикл двигателя состоит из ряда последова-

тельных процессов, которые взаимосвязаны и зачастую перекры-

вают друг друга. В них происходит изменение количества и состава

рабочего тела, а также теплообмен между рабочим телом и дета-

лями, формирующими камеру сгорания.

Характеристика процессов газообмена. Газообменом называет-

ся совокупность процессов выпуска и впуска, обеспечивающих

смену рабочего тела. Качество очистки цилиндра от отработавших

газов и эффективность наполнения его свежим зарядом определя-

ют показатели рабочего процесса двигателя. В действительном цикле

начало и конец процессов газообмена (впуска и выпуска) не со-

ответствуют началу и концу тактов впуска и выпуска.

Процессы газообмена взаимосвязаны друг с другом и оказыва-

ют существенное влияние на другие процессы, происходящие в

действительном цикле. Например, создание направленного дви-

жения заряда в цилиндре путем профилирования и расположения

впускных каналов в головке цилиндров способствуют улучшению

смесеобразования и сгорания.

Для повышения эффективности газообмена необходимо обес-

печить возможно

бо'лыную

пропускную способность проходных

сечений

клапанов/,

с-м

называемую

«время—сечение».

Графи-

чески она представляет площадь под кривой текущей площади

проходного сечения клапана между мертвыми точками в зависи-

мости от времени.

Работа газообмена (насосные потери) в двигателях без наддува

и при газотурбинном наддуве отрицательна. При применении при-

водного компрессора работа газообмена положительна, однако воз-

растают затраты его на привод.

Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта

расширения за

40...70°

поворота коленчатого вала (ПКВ) до при-

хода поршня в НМТ (точка

Ь'

на рис.

1.2).

При этом давление в

цилиндре двигателя без наддува составляет 0,4

...0,6

МПа. Выпуск

отработавших газов вначале происходит со скоростью истечения

газов через клапанную щель

500...700

м/с. В НМТ завершается пе-

риод свободного выпуска, в течение которого из цилиндра удаляет-

ся

50...

70 % отработавших газов.

При движении поршня от НМТ к ВМТ выпуск отработавших

газов происходит вытеснением поршнем — принудительный выпуск,

Фвып

НМТ

ВМТ

<да

680 0 40 80 120 160

Ч^

ВМТ

Рис.

3.1.

Изменение давления в цилиндре (р),

Во впускном

(р

)

и выпускном

(р

)

каналах

при газообмене в четырехтактном двигателе:

а — выпуск; б — впуск; в — диаграмма фаз газо-

распределения

(ф

вып

— фаза выпуска;

вп

— фаза

впуска;

— перекрытие клапанов)

Характер изменения давления в цилиндре р и в канале голов-

ки цилиндров (за выпускным клапаном)

в период выпуска

показан на рис. 3.1, а.

В начале выпуска из-за резкого изменения давления образуется

волна давления в системе выпуска, которая распространяется в

сторону открытого конца трубопровода. Здесь она отражается, те-

ряя часть энергии, и затем в виде волны разрежения перемещает-

ся в обратном направлении к выпускному клапану и снова отра-

жается, и т.д.

Момент начала выпуска (открытия выпускного клапана) вы-

бирают исходя из компромисса между необходимостью обеспече-

ния хорошей очистки цилиндра при минимальной затрате работы

на принудительный выпуск (желательно открывать раньше) и

уменьшения потерь полезной работы газов в период предварения

выпуска (желательно открывать позже).

Газообмен в период перекрытия (одновременного открытия) кла-

панов в области ВМТ (линия

а'гЪ"

на рис. 1.2) имеет свои особен-

ности. В двигателях без наддува для лучшей организации газообме-

на впускной клапан открывается за

10...30°

ПКВ до прихода пор-

шня в

ВМТ,

а выпускной клапан закрывается после прохождения

поршнем ВМТ через

10.

..50°

ПКВ.

В двигателе с наддувом эти

углы увеличивают. Желательно, чтобы в этот период

> р >

Тогда через впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд,

а через выпускной удаляются отработавшие газы,

т.е.

происходит

продувка

цилиндра,

позволяющая обеспечить хорошую очистку

цилиндра от отработавших газов и увеличить поступление свеже-

го заряда в процессе впуска.

В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя

При

газотурбинном наддуве давление на впуске

может быть больше,

равно или меньше давления на выпуске

В двигателях без наддува обычно

Однако при настройке

впускной и выпускной систем путем согласования волновых яв-

лений можно при перекрытии клапанов обеспечить

При р >

Рр

часть свежего заряда может переместиться из ци-

линдра в выпускной трубопровод. К тому же при

отра-

ботавшие газы могут возвращаться в цилиндр, а смесь свежего

заряда и отработавших газов — во впускной трубопровод,

т.е.

будет происходить обратное течение газов. Оно может возникать

в двигателе с искровым зажиганием на режимах холостого

хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта и при этом

> 2.

Процесс впуска свежего заряда начинается во время пере-

крытия клапанов (рис. 3.1, б). При отсутствии наддува свежий

заряд поступает в цилиндр под действием разрежения при пе-

ремещении поршня к НМТ, а при наддуве он нагнетается в

цилиндр компрессором.

После начала открытия впускного клапана (точка

А),

когда

/?,

начинается наполнение цилиндра свежим зарядом. Коли-

чество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя, опре-

деляется разностью между давлением окружающей среды или дав-

лением после компрессора и давлением в цилиндре р, которая

изменяется в процессе впуска.

После прохождения поршнем НМТ в ходе процесса сжатия

при условии

> р впуск свежего заряда будет продолжаться до

момента

= р (точка В). Эта фаза впуска называется

дозарядкой.

Она обусловлена действием сил инерции и волновыми явления-

ми в системе впуска. В итоге впускной клапан закрывают после

прохождения поршнем НМТ через

35.

..85°

ПКВ.

При малой частоте вращения инерция свежего заряда неболь-

шая, а время, отводимое на процесс впуска, велико. Поэтому при

р >

происходит запаздывание закрытия впускного клапана и

поршень вытесняет часть заряда из цилиндра обратно во впуск-

ную систему, т. е. происходит обратный выброс.

В процессе впуска внутренние поверхности впускного трубо-

провода, канала в головке и камеры сгорания имеют температуру

больше, чем свежий заряд и нагревают его. Поэтому масса свеже-

го заряда уменьшается и наполнение цилиндра снижается.

Фазы газораспределения представляют собой периоды, выра-

женные в градусах утла поворота коленчатого вала относительно

ВМТ и НМТ, в течение которых клапаны открыты. Правильный

иыбор

фаз улучшает очистку цилиндров от отработавших газов и

наполнение свежим зарядом, а также уменьшает потери энергии

па газообмен. На рис.

3.1,

в показана круговая диаграмма фаз газо-

распределения.

Фазы газораспределения выбирают с учетом особенностей двига-

теля,

его основных режимов работы и геометрических размеров впуск-

ного тракта. Неизменные фазы газораспределения выбирают для наи-

более важного диапазона скоростных режимов работы двигателя. Так,

двигатели с высокой частотой вращения имеют более широкие диа-

пазоны

фаз газораспределения, чем малооборотные двигатели.

Для улучшения наполнения цилиндров свежим зарядом под-

бирают определенное сочетание фаз газораспределения и геомет-

рических размеров впускного тракта (в основном его длину), обес-

печивая этим динамический наддув двигателя.

Параметры процессов газообмена. В цилиндр двигателя поступа-

ет свежий заряд, который после завершения газообмена, смешива-

ясь с отработавшими газами, оставшимися в цилиндре после за-

крытия впускных и выпускных клапанов, образует рабочую смесь.

Условно будем считать, что свежий заряд поступает в цилиндр

и заполняет рабочий объем

а остаточные газы — объем каме-

ры сгорания

Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания характери-

зует

коэффициент остаточных газов

— отношение количества

молей остаточных газов

к количеству молей свежего заряда

Л/!

заполнившего цилиндр после завершения процесса впуска:

Так как

/(e

- 1), то с увеличением е уменьшается

у.

Поэтому у дизелей

значительно меньше, чем у двигателей с

искровым

зажиганием. В двухтактных двигателях у выше из-за ухуд-

шения

процессов продувки и наполнения.

Качество процесса наполнения цилиндра свежим зарядом ха-

рактеризует коэффициент наполнения

— отношение действи-

тельного

количества свежего заряда

Л/

1ц

заполнившего цилиндр

после

завершения газообмена, к тому количеству свежего заряда

Л/

которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем ци-

линдра

при атмосферных условиях

(в четырехтактных

двигателях без наддува) или при

(в четырехтактных двига-

телях

с наддувом и двухтактных двигателях):

г|

1ц

/М

Для бензинового двигателя при определении

учитывают

толь-

ко воздух. Влияние топлива, содержащегося в смеси, на

г\у

не

существенно.

Вахлаков

Таблица 3.1

Значения параметров процессов газообмена

Параметр

Коэффициент остаточных газов у

Давление конца выпуска

МПа

Температура конца выпуска

Коэффициент

наполнения

ц^

Давление впуска

МПа

Подогрев заряда А Г, К

Температура впуска

Двигатели с

искровым

зажиганием

0,06.. 0,08

0,11..

0,12

900.

..1000

0,75. 0,80

0,08.. 0,09

0...25

320..

380

Дизели

0,03... 0,06

0,11.

..0,12

600.

..900

0,8.

..0,9

0,08... 0,09

20...

310.

..350

В табл.

3.1

приведены статистические значения основных пара-

метров процессов газообмена при работе четырехтактных двига-

телей на номинальном режиме.

Влияние

различных факторов на процессы

газообмена.

При

рас-

смотрении

^лияния

на показатели процессов газообмена различ-

ных факторов

следу&т

учитывать их взаимозависимрсть.

Сопротивление

н^

впуске. С увеличением потерь давления на

впуске

А/?

снижаются давление

плотность

свежего

заряда в ци-

линдре и

коэффициент

наполнения, а потери на

газообмен

воз-

растают.

Потери

давления

Др

прямо пропорционально зависят от со-

противления впускной системы и квадратично от скорости све-

жего заряда. В свою очередь, сопротивление впускной системы оп-

ределяется совокупностью сопротивлений впускного клапана, по-

воротов, местных сужений и шеррховатости поверхности трубо-

провода и каналов в головке,

карбюратора

и воздухоочистителя,

а также охладителя воздуха при наддуве. Сопротивление системы

впуска карбюраторных двигателей выше, чем у двигателей с впрыс-

киванием бензина ц дизелей.

В связи с тем, чго давление

влияет на

к сильнее, чем

суммарное проходное сечение впускных клапанов делают боль-

ше, чем выпускных В

двухклапа^ных

двигателях диаметр впуск-

ного клапана обычно несколько больше выпускного. В настоящее

время

традиционно^

соотношение количества впускных и выпус-

кных клапанов на один цилиндр

1:1

изменяется в сторону увели-

чения числа клапанов. С учетом условий компоновки применяют

соотношения 2:2;

2:1

и реже

3:1.

Это позволяет увеличить суммар-

ное проходное сечение клапанов.

Для

организации

направленного интенсивного вихревого дви-

жения заряда в

цилиндре

впускным каналам в

щловке

придают

специальную

винтрвую

или тангенциальную форму, в них уста-

навливают дополнительные направляющие пластины или заслон-

ки, При этом

сопротивление

каналов несколько возрастает.

Дроссельная заслонка изменяет гидравлическое сопротивле-

ние впускной системы и обеспечивает количественное регулиро-

вание

(увеличение) нагрузки путем снижения

л.v

от

0,75...0,8

до

0,15...0,25.

При этом значительно растут насосные потери.

В процессе эксплуатации двигателя необходимо контролиро-

вать

степень загрязнения воздухоочистителя, зазоры в приводе

впускных

клапанов и износ кулачков распределительного вали-

ка. Нарушение условий эксплуатации приводит к увеличению со-

противления на впуске и уменьшению параметра «время — сече-

ние»

впускных клапанов, что вызывает снижение мощности дви-

ателя.

Сопротивление на выпуске складывается из сопротивлений в

клапанной щели, выпускного тракта, глушителя, нейтрализато-

ра, турбины турбокомпрессора и трубопроводов.

Рост сопротивления на выпуске приводит к увеличению рабо-

газообмена. Поэтому в эксплуатации следует проверять и регу-

лировать зазоры, степень загрязнения глушителя и нейтрализато-

ра

ртработавших

газрв.

Темцература

на выпуске

влияет на

г\

незначительно.

Режимы работы.

Изменение

двигателя

с искровым зажига-

нием и дизеля при

работе

по нагрузочной характеристике (при по-

стоянной частоте вращения) имеет неодинаковый характер

(рис. 3.2, а). Это обусловлено принятыми у этих двигателей прин-

ципиально различными способами регулирования мощности.

двигателе с искровым зажиганием мощность изменяется по-

воротом дроссельной заслонки, когорая уменьшает или увеличи-

вает гидравлическое сопротивление на впуске. Увеличение нагрузки

сопровождается ростом давления во впускной системе и в цилин-

дре,

а также уменьшением подогрева свежего заряда

Г. При этом

доля остаточных

газрв

по отношению к свежему заряду

уменьша-

ется, коэффициент остаточных газов снижается, а коэффициент

наполнения увеличивается.

дизеле мощность увеличивается путем впрыскивания в ци-

линдры большего количества топлива. В связи с этим растет тем-

пература деталей двигателя, что приводит к увеличению подогре-

ва свежего заряда

7 и небольшому снижению коэффициента на-

полнения.

При работе

двигащелей

по скоростной характеристике (при пол-

ной нагрузке) характер изменения ц v Для обоих типов двигателей

одинаков (рис. 3.2, б).

В области малых частот вращения из-за запаздывания закрытия

впускного клапана

происходит

обратный выброс заряда из ци-

линдра во впускную систему. По мере роста частоты вращения

обратный выброс снижается,

а,

затем

растет

дозарядка

Также умень-

щаегся

подогрев заряда

Все это способствует увеличению

После достижения максимума

снижается в силу того, что с

Цу

0,8

0,6

0,4

~i*

х*~

х""

х-""

чк

0,90

0,85

0,80

0,75

<••

,»-"•

™i

•*-..

•^

—

•-*

•—..

1000 1500 2000 2500 п,

мин~

20 30 40 50 60 70 80

Рис.

32.

Зависимость коэффициента наполнения

от нагрузки (а)

и частоты вращения коленчатого вала при полной нагрузке (б):

1 —

дизель,

2 — двигатель с искровым зажиганием

ростом

частрты

вращения

увеличивается скорость заряда во впуск-

ной системе и, следовательно, потери давления на впуске

A/v

Атмосферные

условия.

Повышение атмосферногр давления

практически не

влияет

на значение

Увеличение температуры

вызывает

рост

г)

однако при этом

существенно

снижается

плотность

воздуха

Поэтому массовое наполнение цилиндра и

мощность мржет и не увеличиваться.

Наддув. При наддуве в

четырехтактном

ДВС

воздух или топли-

вовоздушная

смесь нагнетается в цилиндр

компрессором,

а не

под воздействием разрежения, как в двигателе без наддува. При

установке во впускнрй системе охладителя

наддувочного

воздуха

после компрессора ее сопротивление возрастает, Hq при этом ра-

стет массовое

наполнение

цилиндра.

Основные тенденции развития систем

газообмена^

Системы га-

зообмена автомобильных двигателей совершенствуются в следую-

щщ

направлениях:

переход

рт

традиционных

двухкдапанных

конструкций к много-

клапанным

(трех-,

четырех- и

пятиклапанным);

широкое

применение

наддува в дизелях и постепенное внедре-

ние его в двигателях с искровым зажиганием;

установка нейтрализаторов в целях соответствия отработавших

газрв требованиям по токсичности; это приводит к некоторому

рос

гу

гидравлического сопротивления выпускной системы (также

ее

сопротивление

увеличивается при использовании

турбоком-

прерсора);

использрвание

в механизмах газораспределения устройств для

управления фазами

faзopacпpeдeлeния

и изменения высоты и за-

кона подъема

клапанов.

В настоящее время появились механизмы газораспределения,

позволяющие

управлять

процессом

газообмена,

изменяя фазы

га-

зораспреде1|ения

и закон подъема клапана в зависимости от ре-

жима работы двигателя. Данные технические решения позволяют

улучшить энергетические, экономические и

экологическиелока-

зптели

двигателей.

При высокой частоте вращения позднее закрытие впускного кла-

пана

используют

при динамическом наддуве для увеличения кру-

тящего

момента двигателя. На малой частоте вращения раннее

за-

крыти?

впускного клапана уменьшает обратный выброс и увели-

чивает наполнение цилиндра и, следовательно, крутящий

момент.

Применяя переменные фазы газораспределения для разных час-

тот

вращения коленчатого вала, можно увеличить

кругящий

мо-

мент на низких частотах до 10

а на высоких — до 5

Изменяя начало впуска,

моэ^но

уменьшить образование в ци-

линдре

оксидов азота до 40 % и углеводородов до

ряде

cjry-

чаев увеличение опережения открытия впускного клапана приво-

дит к росту поступления отрабртавших газов во впускную систе-

му, что обеспечит уменьшение

образования

оксидов азота.

Количественное

регулирование нагрузки путем

изменения

па-

раметра

«времц

—

сечение»

впускного клапана позволяет отказаться

дрорсельной

заслонки.

Уменьшение

нагрузки

обеспечивается

ранним

закрытием

впускного клапана на такте впуска При этом

уменьшаются

насосные потери

на

газообмен, а экономичность на

малых нагрузках улучшается до 20

Уменьшение

действительно^

степени сжатия путем позднего

закрытия

впускного клапана позволяет избежать детонации при

наддуве

в двигателях с искровым зажиганием.

Возможны варианты, когда на большой нагрузке

пци

высокрй

частоте вращения работают все впускные клапаны,

а^

на малых

отключается

один из них.

1——

открыт длинный канал

— — открыт

короткий

канал

работа с

управлением

Рис. 3

Система управления наполнением при динамическом наддуве:

а — принципиальная схема управления; б — изменение коэффициента

наполне-

ния для различных состояний

системц;

1 — воздухоочиститель; 2 — резонатрр;

3 — впускной клапан; 4 — заслонка

Управление процессами газообмена возможно с

помощью

элек-

тромеханической системы, которая позволяет

отключать

отдель-

ные цилиндры при работе двигателя на малых и средних нагрузках,

что обеспечивает существенную экономию топлива.

С ростом частоты вращения коленчатого вала, кроме

расщире-

ния фаз газораспределения, целесообразно для интенсификации

динамического наддува настраивать впускную систему путем умень-

шения длины

впускного

тракта. При определенном сочетании фаз

газораспределения и длины впускного тракта можно

повысить

значения

до

1,05...1,08.

На рис. 3.3, а приведена схема системы впуска, позволяющая

изменять длину впускного тракта с помощью заслонки 4

ъ,

зави-

симости от скоростного режима работы. При работе на малых и

средних частотах вращения коленчатого вала заслонка открывает

длинный канал, а на высоких — короткий. На

рис

3.3, б показа-

но, как при этом изменяется

г\

3.2. Процесс сжатия

Сжатие свежего заряда в цилиндрах двигателя необходимо для

увеличения температурного перепада, при котором осуществля-

ется действительный цикл, и улучшения условий воспламенения

и горения топлива. В результате повышается работа газов при рас-

ширении продуктов сгорания и улучшается

экономичность,

рабо-

чего процесса.

Сжатие осуществляется при движении поршня от НМТ к ВМТ

после закрытия впускного клапана и сопровождается теплообме-

ном.

начале теплота передается рабочему заряду от более нагре-

тых

сгенок

цилиндра и камеры сгорания, а затем по мере движе-

ния поршня к ВМТ, начинает передаваться от заряда к окружаю-

щим его деталям.

Процесс сжатия можно представить

политропным

процессом

со средним постоянным для него показателем политропы

ц\.

Тог-

да значения давления и температуры в конце сжатия можно опре-

делить

по формулам:

Таблица 3.2

Значения параметров процесса

сжатия

Из уравнений следует, что

дарение

и температура в конце

сжатия

(РС

)

пропорциональны

параметрам начала

сжатия

(р

)

и степени сжатия. С увеличением степени сжатия повы-

шается

теплоиспользование,

т.е. растет индикаторный КПД.

В двигателе с искровым зажиганием при повышении степени

сжатия необходимо увеличивать октановое число

бензина.

Если

Параметр

Степень

сжатия

Давление

в конце сжатия

МПа

емпература

в конце сжатия

Бензиновый

двигатель

7,5.

..10

1,2.

..2,2

600.

..900

Дизель без

наддува

15.

..23

2,9 ...6,0

700.

..900

Дизель с

наддувом

12...15

до 8,0

1000

оно мало, то могут возникнуть нарушения в процессе сгорания

из-за

детонации. Следует иметь в

виду,

что с повышением е уве-

личивается

количество оксидов

азота.

В дизеле степень сжатия заряда выбирается из необходимости

обеспечения

хорошего

воспламенения впрыснутого топлива во всех

случаях его эксплуатации, включая пуск холодного двигателя. Одна-

ко с ростом г, повышаются

нагрузку

от газовых сил на КШМ и

тепловые

нагрузки на детали, формирующие камеру сгорания.

Необходимо отметить, что при ржатии имеют место утечки

мзов

через кольца в картер двигателя. Это вызывает снижение

По мере роста степени сжатия и уменьшения частоты враще-

ния их доля возрастает.

Параметры

процесса сжатия для

^резнаддувного

дизеля, дизеля

с дав пением наддува

< 0,2 МПа

без

промежуточного охлажде-

ния

воздуха после компрессора и

бензинового

двигателя при пол-

ностью

отрытой

дроссельной заслонке представлены в табл. 3.2.

3.3. Процессы

смесеобразования

и сгорания

в двигателях с искровым зажиганием

Процессы смесеобразования и сгорания в двигателе с искро-

ным

зажиганием

определяются физико-химическими свойствами

топлива,

способом его подачи

(дл^

бензина впрыскивание или

карбюрация) или смесителем газоврго двигателя, а также режи-

мом

pro

работы.

Смесеобразование.

Комплекс взаимосвязанных процессов дози-

рования

тощива

и воздуха,

распиливания

и испарения топлива,

также перемешивания топлива с воздухом называется смесеоб-

разованием.

От состава и качества

тодливовоздушной

смеси, полу-

ченной при смесеобразовании,

зависит

эффективность процесса

порания.

В четырехтактных двигателях

обычно

организуют внешнее сме-

сеобразование,

которое начинается

дозированием

топлива и воз-

духа в

форсунке,

карбюраторе или в смесителе (газовый двига-

тель),

продолжается во впускном тракте и завершается в цилиндре

лиигателя.