РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ПОРШНЕВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ

---

1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых ДВС. Индикаторные диаграммы.

2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.

3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.

4. Процесс сжатия.

1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых ДВС. Индикаторные диаграммы.

К основным понятиям и определениям двига­теля относятся:

• мертвые точки — крайние положения поршня в цилиндре двигателя, в которых поршень изменяет направление своего дви­жения. Различают верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мерт­вую точку (НМТ);

• ход поршня — путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой;

• рабочий цикл двигателя — совокупность процессов, при ко­торых тепловая энергия превращается в механическую работу;

• такт — часть рабочего цикла, который происходит за один ход поршня;

• объем камеры сгорания или объем сжатия — пространство над поршнем при нахождении поршня в верхней мертвой точке;

• рабочий объем цилиндра — пространство, освобождаемое поршнем при движении от верхней к нижней мертвой точке;

• полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра;

• рабочий объем двигателя — сумма рабочих объемов всех ци­линдров двигателя, выраженная в литрах;

• степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объ­ему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь в цилиндре двигателя;

• количество тактов, при которых происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Различают двигатели четырехтактные и двухтактные. Четырехтактным называется двигатель, у которого рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (или за два оборота коленчатого вала). Двухтактным на­зывается двигатель, у которого рабочий процесс совершается за два хода поршня (или за один оборот коленчатого вала).

Индикаторная диаграмма. Если термодинамические циклы изображают зависимость измене­ния абсолютного давления (р) от изменения удельного объема (υ), то действительные циклы изображаются как зависимости измене­ния давления (р) от изменения объема (V) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давле­ния от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развер­нутой индикаторной диаграммой.

Фазы газораспределения представляют собой периоды, выра­женные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, в течение которых клапаны открыты.

Правильный выбор фаз улучшает очистку цилиндров от отработавших газов и наполнение свежим зарядом, а также уменьшает потери энергии на газообмен. На верхней рисунке показана круговая диаграмма фаз газо­распределения.

ВМТ

Фазы газораспределения выбирают с учетом особенностей двига­теля, его основных режимов работы и геометрических размеров впуск­ного тракта. Неизменные фазы газораспределения выбирают для наи­более важного диапазона скоростных режимов работы двигателя. Так, двигатели с высокой частотой вращения имеют более широкие диа­пазоны фаз газораспределения, чем малооборотные двигатели.

Для улучшения наполнения цилиндров свежим зарядом под­бирают определенное сочетание фаз газораспределения и геомет­рических размеров впускного тракта (в основном его длину), обес­печивая этим динамический наддув двигателя.

2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.

Действительный цикл двигателя состоит из ряда последова­тельных процессов, которые взаимосвязаны и зачастую перекры­вают друг друга. В них происходит изменение количества и состава рабочего тела, а также теплообмен между рабочим телом и дета­лями, формирующими камеру сгорания.

Характеристика процессов газообмена. Газообменом называет­ся совокупность процессов выпуска и впуска, обеспечивающих смену рабочего тела.

Качество очистки цилиндра от отработавших газов и эффективность наполнения его свежим зарядом определя­ют показатели рабочего процесса двигателя. В действительном цикле начало и конец процессов газообмена (впуска и выпуска) не со­ответствуют началу и концу тактов впуска и выпуска.

Процессы газообмена взаимосвязаны друг с другом и оказыва­ют существенное влияние на другие процессы, происходящие в действительном цикле. Например, создание направленного дви­жения заряда в цилиндре путем профилирования и расположения впускных каналов в головке цилиндров способствуют улучшению смесеобразования и сгорания.

Для повышения эффективности газообмена необходимо обес­печить возможно большую пропускную способность проходных сечений клапанов f, см², называемую «время—сечение». Графи­чески она представляет площадь под кривой текущей площади проходного сечения клапана между мертвыми точками в зависи­мости от времени.

Работа газообмена (насосные потери) в двигателях без наддува и при газотурбинном наддуве отрицательна. При применении при­водного компрессора работа газообмена положительна, однако воз­растают затраты его на привод.

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) р_р в период выпуска показан на рис. 3.1, а.

Рис. 3.1. Изменение давления в цилиндре (р), во впускном (р_к) и выпускном (р_р) 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 р_к > р > р_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 свеже­го заряда в процессе впуска.

В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя р_к > р_р. При газотурбинном наддуве давление на впуске р_к может быть больше, равно или меньше давления на выпуске р_р.

В двигателях без наддува обычно р_к < р_р. Однако при настройке впускной и выпускной систем путем согласования волновых яв­лений можно при перекрытии клапанов обеспечить р_к > р_р.

При р > р_р часть свежего заряда может переместиться из ци­линдра в выпускной трубопровод. К тому же при р_р > р_к 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 р_р / р_к > 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 р_к > 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 р_к > р впуск свежего заряда будет продолжаться до момента р_к = 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 > р_к 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 V_h, а остаточные газы — объем каме­ры сгорания V_c.

Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания характери­зует коэффициент остаточных газов γ — отношение количества молей остаточных газов М_r к количеству молей свежего заряда М_1ц, заполнившего цилиндр после завершения процесса впуска: γ = М_r / М_1ц.

Так как V_c = V_h /(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 η_V — отношение действи­тельного количества свежего заряда М_1ц, заполнившего цилиндр после завершения газообмена, к тому количеству свежего заряда М_Т, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем ци­линдра V_h при атмосферных условиях р₀, Т₀ (в четырехтактных двигателях без наддува) или при р_К, Т_К (в четырехтактных двига­телях с наддувом и двухтактных двигателях): η_V = М_1ц /М_Т

Для бензинового двигателя при определении η_V учитывают толь­ко воздух. Влияние топлива, содержащегося в смеси, на η_V 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

Параметр	Двигатели с
искровым	Дизели
зажиганием
Коэффициент остаточных газов г	0,06… 0,08	0,03…0,06
Давление конца выпуска рr ,МПа	0,11 …0,12	0,1 1 …0,12
Температура конца выпуска Тr, К	900… 1000	600… 900
Коэффициент наполнения ηV	0,75…0,80	0,8…0,9
Давление впуска ра, МПа	0,08…0,09	0,08… 0,09
Подогрев заряда ΔТ, К	0…25	20…40
Температура впуска Та, К	320…380	310…350

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 Δр_а снижаются давление р_а, плотность свежего заряда в ци­линдре и коэффициент наполнения, а потери на газообмен воз­растают.

Потери давления Δр_а 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 р_а влияет на сильнее η_V, чем р_r, 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 η_V 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 Т_r влияет на η_V незначительно.

Режимы работы. Изменение η_V 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 η_V 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 η_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 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 η_V . После достижения максимума η_V снижается в силу того, что с ростом частоты вращения увеличивается скорость заряда во впуск­ной системе и, следовательно, потери давления на впуске Δр_а .

Атмосферные условия. Повышение атмосферного давления р₀ практически не влияет на значение η_V. Увеличение температуры Т₀ вызывает рост η_V, однако при этом существенно снижается плотность воздуха ρ_B. 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 η_V 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 η_V.

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 (р_c и Т_c) пропорциональны параметрам начала сжатия (р_a и Т_a) 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 р_c и Т_c. По мере роста степени сжатия и уменьшения частоты враще­ния их доля возрастает.

Параметры процесса сжатия для безнаддувного дизеля, дизеля с давлением наддува р_k < 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

Значения параметров процесса сжатия

Параметр	Бензиновый двигатель	Дизель без наддува	Дизель с наддувом
Степень сжатия ε Давление в конце сжатия рc , МПа Температура в конце сжатия Тc ,К	7,5… 10 1,2…2,2 600… 900	15…23 2,9…6,0 700… 900	12… 15 до 8,0 1000