Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
 Скачать 5.99 Mb.
|
|
Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта расширения за 40...70° поворота коленчатого вала (ПКВ) до прихода поршня в НМТ (точка b' 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 период свободного выпуска, в течение которого из цилиндра удаляется 50...70 % отработавших газов. При движении поршня от НМТ к ВМТ выпуск отработавших газов происходит вытеснением поршнем — принудительный выпуск. Характер изменения давления в цилиндре р и в канале головки цилиндров (за выпускным клапаном) рр в период выпуска показан на рис. 3.1, а.  Рис. 3.1. Изменение давления в цилиндре (р), во впускном (рк) и выпускном (рр) каналах при газообмене в четырехтактном двигателе: а — выпуск; б — впуск; В начале выпуска из-за резкого изменения давления образуется волна давления в системе выпуска, которая распространяется в сторону открытого конца трубопровода. Здесь она отражается, теряя часть энергии, и затем в виде волны разрежения перемещается в обратном направлении к выпускному клапану и снова отражается, и т.д. Момент начала выпуска (открытия выпускного клапана) выбирают исходя из компромисса между необходимостью обеспечения 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) клапанов в области ВМТ (линия а'rb" на рис. 1.2) имеет свои особенности. В двигателях без наддува для лучшей организации газообмена впускной клапан открывается за 10... 30° ПКВ до прихода поршня 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 рк > р > рр. 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 свежего заряда в процессе впуска. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя рк > рр. При газотурбинном наддуве давление на впуске рк может быть больше, равно или меньше давления на выпуске рр. В двигателях без наддува обычно рк < рр. Однако при настройке впускной и выпускной систем путем согласования волновых явлений можно при перекрытии клапанов обеспечить рк > рр. При р > рр часть свежего заряда может переместиться из цилиндра в выпускной трубопровод. К тому же при рр > рк отработавшие 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 рр / рк > 2. Процесс впуска свежего заряда начинается во время перекрытия клапанов (рис. 3.1, б). При отсутствии наддува свежий заряд поступает в цилиндр под действием разрежения при перемещении поршня к НМТ, а при наддуве он нагнетается в цилиндр компрессором. После начала открытия впускного клапана (точка А), когда рк > р, начинается наполнение цилиндра свежим зарядом. Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя, определяется разностью между давлением окружающей среды или давлением после компрессора и давлением в цилиндре р, которая изменяется в процессе впуска. После прохождения поршнем НМТ в ходе процесса сжатия при условии рк > р впуск свежего заряда будет продолжаться до момента рк = р (точка В). Эта фаза впуска называется дозарядкой. Она обусловлена действием сил инерции и волновыми явлениями в системе впуска. В итоге впускной клапан закрывают после прохождения поршнем НМТ через 35...85° ПКВ. При малой частоте вращения инерция свежего заряда небольшая, а время, отводимое на процесс впуска, велико. Поэтому при р > рк происходит запаздывание закрытия впускного клапана и поршень вытесняет часть заряда из цилиндра обратно во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс. В процессе впуска внутренние поверхности впускного трубопровода, канала в головке и камеры сгорания имеют температуру больше, чем свежий заряд и нагревают его. Поэтому масса свежего заряда уменьшается и наполнение цилиндра снижается. Параметры процессов газообмена. В цилиндр двигателя поступает свежий заряд, который после завершения газообмена, смешиваясь с отработавшими газами, оставшимися в цилиндре после закрытия впускных и выпускных клапанов, образует рабочую смесь. Условно будем считать, что свежий заряд поступает в цилиндр и заполняет рабочий объем Vh, а остаточные газы — объем камеры сгорания Vc. Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания характеризует коэффициент остаточных газов γ — отношение количества молей остаточных газов Мr к количеству молей свежего заряда М1ц, заполнившего цилиндр после завершения процесса впуска: γ = Мr / М1ц. Так как Vc = Vh /(ε - 1), то с увеличением ε уменьшается γ. Поэтому у дизелей γ значительно меньше, чем у двигателей с искровым зажиганием. В двухтактных двигателях γ выше из-за ухудшения процессов продувки и наполнения. Качество процесса наполнения цилиндра свежим зарядом характеризует коэффициент наполнения ηV — отношение действительного количества свежего заряда М1ц, заполнившего цилиндр после завершения газообмена, к тому количеству свежего заряда МТ, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем цилиндра Vh при атмосферных условиях р0, Т0 (в четырехтактных двигателях без наддува) или при рК, ТК (в четырехтактных двигателях с наддувом и двухтактных двигателях): ηV = М1ц /МТ Для бензинового двигателя при определении ηV учитывают только воздух. Влияние топлива, содержащегося в смеси, на ηV не существенно. В табл. 3.1 приведены статистические значения основных параметров процессов газообмена при работе четырехтактных двигателей на номинальном режиме. Таблица 3.1 Значения параметров процессов газообмена
3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена. Влияние различных факторов на процессы газообмена. При рассмотрении влияния на показатели процессов газообмена различных факторов следует учитывать их взаимозависимость. Сопротивление на впуске. С увеличением потерь давления на впуске Δра снижаются давление ра, плотность свежего заряда в цилиндре и коэффициент наполнения, а потери на газообмен возрастают. Потери давления Δра прямо пропорционально зависят от сопротивления впускной системы и квадратично от скорости свежего заряда. В свою очередь, сопротивление впускной системы определяется совокупностью сопротивлений впускного клапана, поворотов, местных сужений и шероховатости поверхности трубопровода и каналов в головке, карбюратора и воздухоочистителя, а также охладителя воздуха при наддуве. Сопротивление системы впуска карбюраторных двигателей выше, чем у двигателей с впрыскиванием бензина и дизелей. В связи с тем, что давление ра влияет на сильнее ηV, чем рr, суммарное проходное сечение впускных клапанов делают больше, чем выпускных. В двухклапанных двигателях диаметр впускного клапана обычно несколько больше выпускного. В настоящее время традиционное соотношение количества впускных и выпускных клапанов на один цилиндр 1:1 изменяется в сторону увеличения числа клапанов. С учетом условий компоновки применяют соотношения 2:2; 2:1 и реже 3:1. Это позволяет увеличить суммарное проходное сечение клапанов. Для организации направленного интенсивного вихревого движения заряда в цилиндре впускным каналам в головке придают специальную винтовую или тангенциальную форму, в них устанавливают дополнительные направляющие пластины или заслонки. При этом сопротивление каналов несколько возрастает. Дроссельная заслонка изменяет гидравлическое сопротивление впускной системы и обеспечивает количественное регулирование (увеличение) нагрузки путем снижения ηV от 0,75...0,8 до 0,15...0,25. При этом значительно растут насосные потери. В процессе эксплуатации двигателя необходимо контролировать степень загрязнения воздухоочистителя, зазоры в приводе впускных клапанов и износ кулачков распределительного валика. Нарушение условий эксплуатации приводит к увеличению сопротивления на впуске и уменьшению параметра «время — сечение» впускных клапанов, что вызывает снижение мощности двигателя. Сопротивление на выпуске складывается из сопротивлений в клапанной щели, выпускного тракта, глушителя, нейтрализатора, турбины турбокомпрессора и трубопроводов. Рост сопротивления на выпуске приводит к увеличению работы газообмена. Поэтому в эксплуатации следует проверять и регулировать зазоры, степень загрязнения глушителя и нейтрализатора отработавших газов. Температура на выпуске Тr влияет на ηV незначительно. Режимы работы. Изменение ηV двигателя с искровым зажиганием и дизеля при работе по нагрузочной характеристике (при постоянной частоте вращения) имеет неодинаковый характер (рис. 3.2, а). Это обусловлено принятыми у этих двигателей принципиально различными способами регулирования мощности. В дизеле мощность увеличивается путем впрыскивания в цилиндры большего количества топлива. В связи с этим растет температура деталей двигателя, что приводит к увеличению подогрева свежего заряда ΔТ и небольшому снижению коэффициента наполнения.  Рис. 3.2. Зависимость коэффициента наполнения ηV от нагрузки (а) и частоты вращения коленчатого вала при полной нагрузке (б): 1 — дизель; 2 — двигатель с искровым зажиганием При работе двигателей по скоростной характеристике (при полной нагрузке) характер изменения ηV 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 цилиндра во впускную систему. По мере роста частоты вращения обратный выброс снижается, а затем растет дозарядка. Также уменьшается подогрев заряда ΔТ. Все это способствует увеличению ηV . После достижения максимума ηV снижается в силу того, что с ростом частоты вращения увеличивается скорость заряда во впускной системе и, следовательно, потери давления на впуске Δра . Атмосферные условия. Повышение атмосферного давления р0 практически не влияет на значение ηV. Увеличение температуры Т0 вызывает рост ηV, однако при этом существенно снижается плотность воздуха ρB. Поэтому массовое наполнение цилиндра и мощность может и не увеличиваться. Наддув. При наддуве в четырехтактном ДВС воздух или топливовоздушная смесь нагнетается в цилиндр компрессором, а не под воздействием разрежения, как в двигателе без наддува. При установке во впускной системе охладителя наддувочного воздуха после компрессора ее сопротивление возрастает, но при этом растет массовое наполнение цилиндра. Основные тенденции развития систем газообмена. Системы газообмена автомобильных двигателей совершенствуются в следующих направлениях: ▪ переход от традиционных двухклапанных конструкций к многоклапанным (трех-, четырех- и пятиклапанным); ▪ широкое применение наддува в дизелях и постепенное внедрение его в двигателях с искровым зажиганием; ▪ установка нейтрализаторов в целях соответствия отработавших газов требованиям по токсичности; это приводит к некоторому росту гидравлического сопротивления выпускной системы (также ее сопротивление увеличивается при использовании турбокомпрессора); ▪ использование в механизмах газораспределения устройств для управления фазами газораспределения изменения высоты и закона подъема клапанов. В настоящее время появились механизмы газораспределения, позволяющие управлять процессом газообмена, изменяя фазы газораспределения и закон подъема клапана в зависимости от режима работы двигателя. Данные технические решения позволяют улучшить энергетические, экономические и экологические показатели двигателей. При высокой частоте вращения позднее закрытие впускного клапана используют при динамическом наддуве для увеличения крутящего момента двигателя. На малой частоте вращения раннее закрытие впускного клапана уменьшает обратный выброс и увеличивает наполнение цилиндра и, следовательно, крутящий момент. Применяя переменные фазы газораспределения для разных частот вращения коленчатого вала, можно увеличить крутящий момент на низких частотах до 10 %, а на высоких — до 5 %. Изменяя начало впуска, можно уменьшить образование в цилиндре оксидов азота до 40 % и углеводородов до 10 %. В ряде случаев увеличение опережения открытия впускного клапана приводит к росту поступления отработавших газов во впускную систему, что обеспечит уменьшение образования оксидов азота. Количественное регулирование нагрузки путем изменения параметра «время — сечение» впускного клапана позволяет отказаться от дроссельной 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 действительной степени сжатия путем позднего закрытия впускного клапана позволяет избежать детонации при наддуве в двигателях с искровым зажиганием. Возможны варианты, когда на большой нагрузке при высокой частоте вращения работают все впускные клапаны, а на малых отключается один из них. Управление процессами газообмена возможно с помощью электромеханической системы, которая позволяет отключать отдельные цилиндры при работе двигателя на малых и средних нагрузках, что обеспечивает существенную экономию топлива. С ростом частоты вращения коленчатого вала, кроме расширения фаз газораспределения, целесообразно для интенсификации динамического наддува настраивать впускную систему путем уменьшения длины впускного тракта. При определенном сочетании фаз газораспределения и длины впускного тракта можно повысить значения ηV до 1,05... 1,08. На рис. 3.3, а приведена схема системы впуска, позволяющая изменять длину впускного тракта с помощью заслонки 4 в зависимости 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 показано, как при этом изменяется ηV.  Рис. 3.3. Система управления наполнением при динамическом наддуве: а — принципиальная схема управления; б — изменение коэффициента наполнения для различных состояний системы; 1 — воздухоочиститель; 2 — резонатор; 3 — впускной клапан; 4 — заслонка 4. Процесс сжатия Сжатие свежего заряда в цилиндрах двигателя необходимо для увеличения температурного перепада, при котором осуществляется действительный цикл, и улучшения условий воспламенения и горения топлива. В результате повышается работа газов при расширении продуктов сгорания и улучшается экономичность рабочего процесса. Сжатие осуществляется при движении поршня от НМТ к ВМТ после закрытия впускного клапана и сопровождается теплообменом. В начале теплота передается рабочему заряду от более нагретых стенок цилиндра и камеры сгорания, а затем по мере движения поршня к ВМТ, начинает передаваться от заряда к окружающим его деталям. Процесс сжатия можно представить политропным процессом со средним постоянным для него показателем политропы n1. Тогда значения давления и температуры в конце сжатия можно определить по формулам:   Из уравнений следует, что давление и температура в конце сжатия (рc и Тc) пропорциональны параметрам начала сжатия (рa и Тa) и степени сжатия. С увеличением степени сжатия повышается теплоиспользование, т.е. растет индикаторный КПД. В двигателе с искровым зажиганием при повышении степени сжатия необходимо увеличивать октановое число бензина. Если оно мало, то могут возникнуть нарушения в процессе сгорания из-за детонации. Следует иметь в виду, что с повышением ε увеличивается 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. Однако с ростом е повышаются нагрузки от газовых сил на КШМ и тепловые нагрузки на детали, формирующие камеру сгорания. Необходимо отметить, что при сжатии имеют место утечки газов через кольца в картер двигателя. Это вызывает снижение рc и Тc. По мере роста степени сжатия и уменьшения частоты вращения их доля возрастает. Параметры процесса сжатия для безнаддувного дизеля, дизеля с давлением наддува рk < 0,2 МПа без промежуточного охлаждения воздуха после компрессора и бензинового двигателя при полностью отрытой дроссельной заслонке представлены в табл. 3.2. Таблица 3.2 |