ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ТЕМА 11. . ПРОЦЕССЫ
advertisement
В.В. ПЕРМЯКОВ ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ТЕМА 11. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА И СЖАТИЯ. Лекция №11 Процессы газообмена и сжатия Отличия действительного цикла от теоретического: 1. На процесс ввода в цилиндр свежего заряда, удаления отработавших газов затрачивается работа; 2. Процесс сжатия сопровождается теплообменом рабочего тела со стенками цилиндра и рС и tС другие из-за утечки газа через кольца. 3. В процессе сгорания и последующего расширения температура газа выше температуры стенок и происходит теплообмен. Кроме того, процесс сгорания не заканчивается к ВМТ, а продолжается в процессе расширения. Отмеченные явления приводят к снижению КПД действительного цикла, которое оценивается на основании опытных коэффициентов, полученных в результате исследований. 11.1 Процессы действительных циклов 11.1.1 Процессы выпуска и газообмен в период перекрытия клапанов Процесс выпуска. В конце такта расширения до прихода поршня в НМТ на 40 70 начинается выпуск отработавших газов (точка на рис. 11.1). В этот момент у двигателей без наддува давление в цилиндре р 0,4…0,6 МПа. На выходе из щели выпускного клапана из-за сопротивления, создаваемого глушителем шума, нейтрализатором и трубопроводами, давление р р 0,105...0,12 МПа, поэтому выпуск газа сначала происходит при сверхкритическом перепаде давлений р р / р < кр , т.е. с критической скоростью и называется периодом свободного выпуска, который заканчивается вблизи НМТ с удалением 50...70% отработавших газов. При р р / р > кр скорость истечения газов становится ниже критической и начинается период принудительного выпуска. На рис. 11.1 показано изменение давления р в цилиндре и в канале головки цилиндров (около выпускного клапана) р р в период выпуска. С началом выпуска понижение р становится резким, а давление р р нарастает, что приводит к образованию волны давления. Эта волна распространяется в сторону открытого конца трубопровода, где она отражается, отдавая часть энергии, и уже в виде волны разрежения перемещается в обратном направлении, т.е. к выпускному клапану, у которого происходит новое отражение, и т.д. Рис. 11.1 Изменение р и р р в процессе выпуска в четырехтактном двигателе; вып - фаза выпуска Газообмен в период перекрытия клапанов. Опыт показывает, что для лучшего газообмена впускной клапан необходимо начать открывать примерно за 10...30° до прихода поршня в ВМТ, а выпускной клапан закрывать спустя 10...50° после ВМТ. Период, когда одновременно открыты оба клапана, называют перекрытием клапанов ( φ на рис. 11.2). В р р < р и р < р (что возможно при наддуве) через оптимальном случае при к впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной удаляются отработавшие газы. Такой газообмен называют продувкой цилиндра. В действительности свежий заряд смешивается в цилиндре с ОГ, поэтому в период перекрытия клапанов, когда р р < р , часть свежего заряда может через выпускной клапан покинуть цилиндр. Рис. 11.2. Диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя 11.1.2 Процесс впуска После открытия впускного клапана давления р и рк сравниваются (точка А), с этого момента начинается впуск, так как при дальнейшем движении поршня р < рк , причем разность давлений ( рк - р ), определяющая скорость истечения свежего заряда через клапанную щель изменяется, отчего зависит количество заряда Рис. 11.3 Изменение р и фаза впуска. рк в процессе впуска в четырехтактном двигателе; вп - При увеличении частоты вращения коленчатого вала поток воздуха (или ТВС) движется с возрастающей скоростью и под действием сил инерции, а также в результате волновых явлении в системе впуска давление рк также возрастает. Поэтому если в начале хода сжатия р > рк , то впуск продолжается; этот процесс называют дозарядкой(точка В). При малой частоте вращения, когда инерция свежего заряда невелика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытесняет часть заряда из цилиндра обратно во впускную систему, т.е. происходит обратный выброс. Таким образом, в общем случае количество свежего заряда, заполняющего цилиндр после окончания впуска, меньше общего количества заряда, поступившего в цилиндр в течение газообмена. Поверхности впускного трубопровода, канала в головке и внутрицилиндровые поверхности имеют температуру более высокую, чем свежий заряд, поэтому последний вследствие теплообмена в процессе впуска нагревается. Нагревание свежего заряда происходит и вследствие его смешения с горячими остаточными газами. Фазы газораспределения. Периоды, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, в течение которые клапаны открыты, называют фазами газораспределения. Круговая диаграмма фаз газораспределения дана на рис. 11.2. При правильном выборе фаз газораспределения не только улучшаются очистка цилиндров от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом, но может несколько сократиться затрата энергии на газообмен, которая пропорциональна разности давлении в цилиндре в течение процессов выпуска и впуска. Выбор фаз газораспределения и основных геометрических размеров впускного тракта согласовывают при экспериментальной доводке новой модели двигателя. В современных двигателях для изменения фаз газораспределения при различной частоте вращения и нагрузке применяются системы с переменным ходом клапанов (рис. 11.4) или клапана с индивидуальным приводом (рис. 11.5), что позволяет держать часть клапанов закрытыми на малых нагрузках двигателя. Рис. 11.4. Механизм газораспределения VarioCam Plus. Два положения механизма: - подъем клапана на величину 3 мм и более поздние фазы открытия впускного клапана; - подъем клапана на величину 10 мм и более ранние фазы открытия впускного клапана Фирма BMW – двигатель 316ti Рис. 11.5. Общий вид электромеханического привода клапана: 1 – исполнительное устройство 11.1.3 Параметры процесса впуска Количество свежего заряда, поступившего в процессе впуска, т.е. наполнение цилиндра, зависит от следующих факторов: 1. гидравлического сопротивления впускной системы, снижающего давление подаваемого заряда на величину р ; 2. наличия в цилиндре некоторого количества М Г продуктов сгорания (остаточные газы), занимающих часть его объема; 3. подогрева заряда от поверхности стенок системы впуска и внутрицилиндрового пространства на величину Т , вследствие чего уменьшается плотность подаваемого заряда. Все эти факторы приводят к снижению количества свежего заряда. 11.1.4 Давление в цилиндре в период зарядки pa Давление в цилиндре в период зарядки определяется по уравнению Бернулли, которое после соответствующего упрощения принимает вид: 2 V (11.1) р р р 2 вп а W к а вп 2 k ц где: 3 - коэффициент затухания; Wц- средняя скорость Vкл движения воздуха в цилиндре; в п - коэффициент сопротивления впускной системы. В четырехтактном двигателе без наддува pк p0 . Рассматривая наименьшее сечение во впускной системе и сечение цилиндра, напишем для них уравнение неразрывности: Vвп Sвп сn max S П , (11.2) где S в п - площадь проходного сечения клапана (или другого наиболее узкого сечения) в м 2 ; cП maxмаксимальная скорость поршня в м/с; S П площадь поршня в . м2 Максимальная скорость поршня с П max R 1 2 , где: R – радиус кривошипа; скорость n 30 (11.3) - угловая вращения коленчатого вала (n – мин 1 ); длина шатуна. R l , l– Из уравнений (11.2) и (11.3) имеем Vвп сП max 2 Sп Rn D 1 n 2 1 А1 Sвп 30 4 Sвп Sвп , м/с; (11.4) Vв п Подставляя р а 2 вп в (11.1) получим 2 n 1 2 k А1 2 2 S вп . (11.5) Из уравнения (11.5) видно, что р а пропорционально n2 квадрату частоты вращения обратно пропорционально 2 квадрату площади S вп . Увеличение S в п является средством уменьшения р а . В ДВС с заданной величиной Vh можно разместить клапаны с большим проходным сечением, уменьшая S отношение D ,установкой четырех клапанов, что также снижает силы инерции каждого клапана, применяя камеры сгорания, в которых клапаны размещаются наклонно. По опытным данным в современных ДВС при полном открытии клапана на номинальном режиме Vкл = 50-150 м/с. 2 вп 2,5 4 . В четырехтактных двигателях без наддува р а 0,8 0,9 р 0 ; с наддувом р а 0,9 0,96 р k . В двухтактных тихоходных двигателях с контурной продувкой рk p p , ра 2 где р р - давление в выпускной систем; В быстроходных с прямоточной продувкой ра 0,85 1,05 рk . 11.2 Количество остаточных газов Количество остаточных газов зависит от способа очистки цилиндра и определяется коэффициентом остаточных газов ост Мr , ост М1 где М r - число молей остаточных газов; М 1 - число молей свежего заряда. В четырехтактных двигателях, имеющих перекрытие клапанов (не более 30-40°), исключающее возможность продувки, можно считать, что к концу такта выпуска остаточные газы занимают объем камеры сгорания и, следовательно, их количества р r Vc Мr . R Т r где pr и Т r- давление и температура в цилиндре в конце выпуска. Величину р r определяет р 0 или р р (противодавление) при установке глушителя или сборника при газотурбинном наддуве. Температура Т r зависит от состава смеси, степени расширения и теплообмена в процессах расширения и выпуска. В бензиновых двигателях состав смеси изменяется незначительно, поэтому Т r с уменьшением нагрузки понижается также незначительно. В дизелях Т r заметно снижается с уменьшением нагрузки, и вследствие более высоких и соответствующего расширения и более низких температур в процессе расширения величина Т r в дизелях значительно ниже (на 200-300), чем в бензиновых двигателях Vс убывает с возрастанием степени сжатия , т.е. увеличение сопровождается уменьшением М r . Число молей свежего заряда М 1определяется условиями наполнения и регулировки нагрузки. При уменьшении нагрузки в бензиновых двигателях путем дросселирования величина М 1 уменьшается, а в дизелях величина М 1 с уменьшением нагрузки возрастает. При наддуве вМобоих 1 случаях увеличивается. В бензиновых двигателях ост выше, чем в дизелях, вследствие меньших . При уменьшении нагрузки величина оств бензиновых двигателях возрастает, а в дизелях ост остается неизменной. С наддувом ост уменьшается. При полной нагрузке у бензиновых и газовых двигателей без наддува ост = 0,06-0,10, у дизелей без наддува ост = = 0,03-0,06. 11.3 Температура подогрева заряда Свежий заряд при движении во впускной системе и внутри цилиндра соприкасается с горячими стенками и подогревается на величину Т , которая зависит от скорости его движения, продолжительности впуска, от разности температур стенок и заряда. При повышении температуры заряда снижается плотность воздуха , поэтому специальный подогрев впускной системы карбюраторных двигателей целесообразен лишь в пределах, при которых подводимая теплота используется для испарения топлива Т Т под Т исп (для дизелей Т исп 0 ) При правильно сконструированной системе газообмена, когда свежий заряд, поступая в цилиндр дизеля без наддува, имеет наименьшее возможное соприкосновение с горячими поверхностями, Т 20 40 0 С . Для двигателя с внешним смесеобразованием, когда полученная зарядом теплота эффективно используется для испарения топлива Т 0 20 0 С . Четырехтактные дизели с наддувом без промежуточного охлаждения воздуха и двухтактные двигатели с хорошо организованной продувкой имеют более низкие значения Т , что объясняется более высокими температурами воздуха за компрессором и соответственно меньшей разностью между средней температурой стенок и свежего заряда. 11.4 Температура конца впуска Подогрев заряда от стенок и смешение его с остаточными газами, имеющими более высокую температуру, приводят к тому, что в конце впуска температура смеси свежего заряда и остаточных газов Т а выше Т k , но ниже Т r . Температуру Т а можно определить на основании баланса теплоты, составленного для свежего заряда и остаточных газов до и после их смешения. Окончательная формула для Т а имеет вид: Т k Т остТ Г . (11.6) 1 ост Для четырехтактных двигателей без наддува Т а = 310--350 К, для четырехтактных и двухтактных с наддувом Т а = 320-400 К и зависит от ост и Т . Та 11.5 Коэффициент наполнения Совершенство процесса наполнения оценивается коэффициентом наполнения V равным отношению количества свежего заряда, находящегося в цилиндре к началу действительного сжатия, то есть к моменту закрытия органов газообмена, к тому количеству свежего заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при условиях, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд. Gд.сж Vk V Vh k Vh . (11.7) Gд.сж массовое количество свежего заряда, находящееся в цилиндре к началу сжатия в кг; Vk объем, занимаемый свежим зарядом и приведенный к условиям на впуске ( р k и Т k ) в м3 . Коэффициент наполнения определяется по следующей формуле: рa Тк V 1 С 1 pк Т к Т остТ r , (11.8) р где 1 С р ,С р - теплоемкость остаточных газов, С р - теплоемкость свежего заряда, М 1 М r 1 M 1a M r М1а - количество коэффициент дозарядки; молей свежего заряда в цилиндре при положении поршня в НМТ. Для двухтактных двигателей должна быть отнесена к последней части хода поршня. Степень сжатия практически не влияет на V , который увеличивается с ростом p a , т.е. со снижением сопротивления впускной системы (расположение клапанов, наличие поворотов, местные сопротивления, качество обработки внутренней поверхности стенок впускной системы, положения дроссельной заслонки) и уменьшается с увеличением скорости движения воздуха через впускной клапан. Для увеличения V на необходимых режимах и расширения диапазона скоростных режимов, на которых двигатель работает с динамическим наддувом, используются впускные системы с управляемой настройкой, показанные на рис. 11.6. При малой частоте вращения коленчатого вала двигателя заслонка 4 находится в горизонтальном положении и воздух движется по длинному пути, что обеспечивает дозарядку на этих режимах. При большой частоте вращения заслонка автоматически перемещается в вертикальное положение и воздух движется по короткому каналу. Рис. 11.6. Управление динамическим наддувом: а – схема системы (1 – воздухоочиститель; 2 – ресивер; 3 V – впускной клапан; 4 - заслонка); б – изменение при различном положении заслонки 4 (1 – вертикальное; 2 – горизонтальное; 3 – управляемое заслонкой) На рис. 11.7 показана зависимость V от нагрузки Рис. 11.7. Зависимость V от нагрузки: 1 – дизель; 2 – карбюраторный двигатель Общий характер зависимости V = f(n) для обоих типов двигателей при полной нагрузке принципиально одинаков (рис. 11.8) и определяется воздействием следующих факторов. Во-первых, при увеличении частоты вращения возрастает скорость заряда во впускной системе, а следовательно, потеря давления р а . По этой причине с ростом частоты вращения от величины, при которой достигается наибольшее значение , коэффициент наполнения снижается, несмотря на увеличение дозарядки и снижение подогрева воздуха (смеси) во впускном тракте. Во-вторых, в области малой частоты вращения в период запаздывания закрытия впускного клапана имеет место обратный выброс заряда из цилиндра во впускную систему. Этот выброс тем больше, чем меньше частота вращения вала, что вместе с ростом Т и обусловливает снижение V в этой области. Рис. 11.8. Влияние частоты вращения на изменениеV (полная нагрузка): 1 – дизель; 2 – карбюраторный двигатель В зависимости от атмосферных условий Gв изменяется пропорционально изменению плотности воздуха. Особенно значительное уменьшение 0 и Gв может иметь место при движении автомобиля по дороге со значительным подъемом. 11.6 Процесс сжатия Представление процесса сжатия как политропного со средним постоянным для всего процесса показателем политропы позволяет применить термодинамические зависимости для количественных оценок давления и температуры n конца сжатия: Va р с р а р а n1 ; Т Т n1 1 . с а Vc Таким образом, Т С и рС растут с повышением ра и Т а , а также с увеличением степени сжатия и показателя n1. Утечки газов при сжатии через неплотности приводят к уменьшению рС и Т С , и формально это можно учесть соответствующим понижением n . 1 К концу сжатия заряда в дизеле необходимо во всех случаях, включая и пуск холодного двигателя, достичь температуры, при которой впрыснутое топливо хорошо воспламеняется. Этим определяется минимальное значение степени сжатия. С увеличением степени сжатия улучшается теплоиспользование, но повышаются нагрузки от газовых сил на КШМ и тепловые нагрузки на такие детали, как головка цилиндров, поршень и др. Поэтому значение степени сжатия в дизеле определяется его конструктивными особенностями и условиями эксплуатации. Дизели с разделенными камерами сгорания, малыми размерами цилиндра без наддува, а также дизели, эксплуатирующиеся при низких температурах, имеют, как правило, более высокие степени сжатия (табл. 11.1). Таблица 11.1 Параметр Дизель без надува Дизель с надувом* Бензиновый двигатель** Степень сжатия Средний показатель политропы сжатия n1 Давление в конце сжатия pC , МПа Температура в конце сжатия Т C ,К 16…23 14…19 8,3…11 1,35…1,38 1,33…1,37 1,35…1,38 2,9…6,0 До 8,0 1,2…2,2 700…900 1000 600…900 * При давлении рк < 0,2 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха после компрессора. ** При полностью открытом дросселе. В карбюраторных двигателях допустимое значение зависит от октанового числа бензина; при недостаточно высоком октановом числе может нарушиться сгорание, так как наступает детонация. Процесс сжатия используют также для интенсификации движения воздушного заряда. Контрольные вопросы 1. Что такое коэффициенты наполнения и остаточных газов? 2. Чем отличаются действительные циклы ДВС от термодинамических? 3. Что называется периодом свободного выпуска и когда он заканчивается? 4. Как изменится температура остаточных газов с увеличением нагрузки? 5. Когда начинается впуск в двигателе? 6. Как влияют фазы газораспределения на процесс газообмена? 7. С какой целью применяют механизмы, изменяющие ход клапана? 8. При каком режиме наблюдается наихудшая отчистка цилиндров от отработанных газов? 9. Как зависит коэффициент наполнения от нагрузки?
