Процессы в двигателе
ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ЧЕТЫРЁХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
 Газообмен в двигателях внутреннего сгорания отличается сложностью процессов массообмена и теплообмена в надпорш- невой полости, газодинамических процессов во впускной и вы- пускной системах. Строгое математическое описание этих про- цессов с учётом всех сложных взаимосвязей параметров конст- рукции, режима работы с параметрами рабочего тела в газовоз- душных системах и в цилиндре двигателя и сегодня представляет еще значительные трудности. Поэтому в практике создания дви- гателей предпочтение отдается экспериментальным методам оп- тимизации параметров газовоздушных систем. Экспериментальные методы оптимизации параметров кон- струкции и рабочих процессов двигателя не лишены и ряда не- достатков, к которым следует отнести, прежде всего, большую их трудоемкость, значительные затраты времени и материальных средств. Не исключается при этом возможность повторения оши- бок в выборе параметров конструкции и рабочих процессов, дру- гих недостатков прототипа, по которому принимались значения исходных параметров проектируемого двигателя. Оптимизация параметров конструкции и рабочих процессов исходной модели двигателя, не говоря уже об её модификациях, при этом продол- жается, как правило, на протяжении всего периода его произ- водства. Применение расчетно-экспериментальных методов на базе современной вычислительной техники позволяет большинство практических задач оптимизации параметров газовоздушных трактов двигателя решить на стадии проектирования, существен- но сократить сроки и затраты материальных средств на доводку исходной модели двигателя и её модификаций [1,2,3]. Экспери- ментальные данные, зависимости позволяют несколько упро- стить математические модели процессов газообмена, исключить из модели некоторые параметры конструкции, процессы, которые не оказывают существенного влияния на изменение параметров рабочего тела и конечные показатели газообмена. 172 Расчетно-экспериментальные методы также имеют недос- татки. Методы не универсальны, позволяют решать с достаточ- ной точностью задачи оптимизации параметров конструкции га- зовоздушных систем только определённого типа, требуют высо- коквалифицированного научного и математического обеспече- ния. Однако эти недостатки несопоставимы с их преимущества- ми. Трудоемкость разработки расчетно-экспериментальных ме- тодов, отработка алгоритмов и программ расчета рабочих про- цессов на ЭВМ намного меньше трудоёмкости опытно- конструкторских разработок. Они позволяют исследовать от- дельные процессы и их влияние на конечные показатели двигате- ля, рассмотреть десятки возможных вариантов сочетания пара- метров конструкции исходной модели двигателя и её модифика- ций. §1. Особенности организации процессов газообмена в четырёхтактных двигателях В четырёхтактных двигателях процессы газообмена осу- ществляются в основном в течение тактов выпуска и впуска. В течение такта выпуска продукты сгорания удаляются из рабочей полости, а в течение такта впуска рабочая полость заполняется свежим зарядом – воздухом или топливовоздушной смесью. Про- должительность процессов выпуска и впуска отличается от про- должительности тактов выпуска и впуска, и определяется фазами газораспределения. Фазы газораспределения – значения углов поворота коленчатого вала (в случае поршневого двигателя – рис. 1.7, 1.8) или эксцентрикового вала (в случае роторно-порш- невого двигателя – рис. 6.1) в градусах поворота коленчатого или эксцентрикового вала относительно ВМТ или НМТ, соответст- вующих моментам начала открытия или закрытия органов газо- распределения (клапанов, окон) (рис. 1.9). Значения фаз газорас- пределения зависят от конструктивных особенностей двигателя и его газовоздушных систем. Фаза опережения открытия выпуск- ного клапана .1 относительно НМТ составляет 40–60 .ПКВ, фаза опережения открытия впускного клапана .2 относительно ВМТ – 10–30 .ПКВ, фаза запаздывания закрытия выпускного клапана .3 173 относительно ВМТ – 10–30 .ПКВ, фаза запаздывания за- крытия впускного клапана .4 относительно НМТ – 40–60 .ПКВ. Процессы газообмена сопровождаются изменением параметров состояния, соста- ва и количества рабочего те- ла в рабочей полости, пара- метрами состояния и скорос- ти потока в газовоздушных трактах. Протекание процес- сов газообмена зависит от особенностей конструкции двигателя, впускной и вы- пускной систем, режима ра- боты двигателя, атмосфер- ных условий. В карбюраторных поршневых или роторно- поршневых двигателях впу- скная система включает впу- скной канал 8, карбюратор 9 с дроссельной 10 и воздуш- ной 11 заслонками, воздуш- ный фильтр 12; выпускная система – выпускной канал 6 и глушитель 7 (рис. 6.1). В много- цилиндровых двигателях впускные каналы подсоединены к об- щему на все цилиндры впускному коллектору (ресиверу), вы- пускные каналы – к общему на все цилиндры выпускному кол- лектору. В четырёхтактных дизелях без наддува на впуске установ- лен только воздушный фильтр (рис. 1.1, б). Выпускная система четырёхтактного дизеля не отличается от выпускной системы карбюраторного двигателя. Рисунок 6.1 – Принципиальная схема четырёхтактного роторно- поршневого двигателя: 1 – статор; 2 – ротор; 3 – неподвижное зубчатое колесо; 4 – зубчатое колесо рото- ра; 5 – свеча зажигания; 6 – выпускной ка- нал; 7 – глушитель; 8 – впускной канал; 9 – карбюратор; 10 – дроссельная заслонка; 11 – воздушная заслонка; 12 – воздухоочи- ститель; р0, Т0, рs, Тs, рт0, Тт0 – давление и темпера- тура воздуха, смеси во впускном канале, отработавших газов на выпуске 174 В четырёхтактных дизе- лях с газотурбинным наддувом конструкция газовоздушных систем значительно сложнее (рис. 6.2). На впуске двигателя установлен компрессор 10, воз- духоохладитель 9, на выпуске – газовая турбина 11. Изменение давления ра- бочего тела во впускной и вы- пускной системах как в двига- теле без наддува, так и в двига- теле с газотурбинным надду- вом взаимосвязано с изменени- ем давления рабочего тела в рабочей полости (рис. 6.3, рис. 6.4). С увеличением длины и уменьшением диаметра впуск- ных и выпускных каналов до определённых значений изме- нение давления перед впуск- ными и за выпускными клапа- нами возрастает. Колебание давления рабочего тела во впускных и выпускных систе- мах обусловлено газодинами- ческими явлениями. С увели- чением диаметра впускных и выпускных каналов, уменьше- нием их длины, увеличением объёма впускного и выпускно- го ресиверов, к которым под- соединены впускные и выпуск- ные каналы, снижается влияние газодинамических явлений в системах, уменьшается ампли- туда колебаний давления рабочего тела перед впускными и за выпускными клапанами. Рисунок 6.2 – Принципиальная схема четырёхтактного дизеля с газотур- бинным наддувом и промежуточным охлаждением воздуха: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – выпуск- ной клапан; 4 – выпускной канал; 5 – форсунка; 6 – впускной клапан; 7 – впускной канал; 8 – воздухоохладитель; 9 – воздухоочиститель; 10 – компрес- сор; 11 – турбина; 12 – глушитель; р0, Т0 – давление и температура воздуха перед воздухоочистителем; рк, Тк – дав- ление и температура воздуха за ком- прессором; рs, Тs – давление и темпера- тура воздуха за воздухоохладителем; рт, Тт; рт0, Тт0 – давление и температура отработавших газов до турбины и за турбиной 175 Процессы га- зообмена в зависи- мости от соотно- шения значений параметров рабоче- го тела в рабочей полости и смежных системах можно условно подразде- лить на несколько периодов: свобод- ный выпуск, вы- пуск (рис. 6.3, рис. 6.4), заброс про- дуктов сгорания во впускной канал (рис. 6.3), продув- ка (рис. 6.4), на- полнение (впуск), дозарядка (рис. 6.3) или выброс свеже- го заряда из ци- линдра (рис. 6.4). Свободный выпуск обусловлен значительным перепадом давлений в рабочей полос- ти и в выпускной системе. Начинается свободный выпуск в мо- мент открытия выпускных клапанов и продолжается до момента, когда продукты сгорания начинают уходить из цилиндра под воздействием поршня. На значительной части свободного выпус- ка истечение продуктов сгорания из цилиндра через выпускные клапаны происходит со скоростью равной местной скорости зву- ка. Этот период выпуска называется надкритическим, а период выпуска при скорости истечения меньшей скорости звука – под- критическим. В случае, представленном на рис. 6.3, продолжи- тельность свободного выпуска возрастает вследствие воздействия инерционного отсоса, обусловленного движением газа в выпуск- ном канале с высокими скоростями . При небольшой длине вы- пускного канала, большом объёме выпускного ресивера, к кото- Рисунок 6.3 – Изменение давления в цилиндре р, в выпускном канале рт, во впускном канале рs и отношения площади проходных сечений впускных и выпускных клапанов к площади поршня четырёхтактного двигателя без наддува 600 660 60 120 .,.ПКВ р.10–5, Па 176 рому подсоединяются выпускные каналы, влияние газодинами- ческих явлений на выпуске незначительно. На участке выпуска истечение продуктов сгорания обуслов- лено воздействием поршня, перемещающегося к ВМТ. В двига- телях без наддува процесс выпуска продолжается обычно за ВМТ до момента, когда давление в цилиндре уменьшится до давления за выпускным клапаном. На участке перекрытия клапанов может происходить и заброс продуктов сгорания во впускной канал, а затем из выпускного канала в цилиндр до закрытия выпускных клапанов (рис. 6.3). В двигателях с наддувом и рs ср. . рт ср. процесс выпуска обычно продолжается до момента открытия впускных клапанов (рис. 6.4). С открытием впускных клапанов начинается продувка камеры сгорания воздухом продолжающаяся до закрытия выпу- скных клапанов. Продувка камеры сгорания улучшает наполне- ние цилиндра, снижает температуру выпускных клапанов, порш- ня. Процесс наполнения как в двигателях без наддува, так и в двигателях с наддувом обусловлен увеличением объёма рабочей полости и уменьшением давления при перемещении поршня к НМТ. Рисунок 6.4 – Изменение давления в цилиндре р, в выпускном рт и во впускном рs каналах четырёхтактного дизеля с газотурбинным наддувом Выпуск Продувка Впуск Дозарядка р.10–5, Па НМТ ВМТ НМТ .,.ПКВ V ср .ср Свободный выпуск 177 Дозарядка надпоршневой полости за НМТ до закрытия впускных клапанов имеет место, если давление воздуха или топ- ливовоздушной смеси перед впускными клапанами выше, чем давление в цилиндре (рис. 6.3). В противном случае происходит выброс из цилиндра части свежего заряда. Повышение давления воздуха перед впускными клапанами в конце такта впуска может быть достигнуто соответствующим выбором диаметра и длины впускного канала. В роторно-поршневых двигателях процессы газообмена (рис. 6.1) несколько отличаются от процессов газообмена в четы- рёхтактных поршневых двигателях. Эти отличия обусловлены особенностями конструкции органов газораспределения, кинема- тикой механизма привода ротора. Выпускные и впускные окна открываются вершиной вращающегося ротора и продолжитель- ность их открытия значительно больше продолжительности от- крытия клапанов. Площадь проходных сечений впускных и вы- пускных окон больше, чем площадь проходных сечений впуск- ных и выпускных клапанов и не лимитирована как в поршневых двигателях диаметром цилиндра. Значительно больше и продол- жительность процессов газообмена, так как продолжительность тактов в роторно-поршневом двигателе составляет 270 градусов поворота эксцентрикового вала против 180 градусов ПКВ у поршневого двигателя. §2. Показатели процессов газообмена Технико-экономические показатели двигателя (среднее эф- фективное давление, литровая мощность, удельная масса, КПД) в значительной мере зависят от качества процессов очистки рабо- чей полости от продуктов сгорания и от её заполнения свежим зарядом. Степень совершенства процессов газообмена в двигателях внутреннего сгорания характеризуется показателями очистки ра- бочей полости от продуктов сгорания и ее заполнения свежим за- рядом, затратами энергии на осуществление процессов газооб- мена. Степень очистки рабочей полости от отработавших газов характеризуется коэффициентом остаточных газов, представ-178 ляющим собой отношение массы остаточных газов М. к массе свежего заряда Мs: Мсв.зар М. . . . (6.1) Степень заполнения цилиндра свежим зарядом в двигателях с наддувом характеризуется коэффициентом наполнения при ус- ловиях на впуске, представляющим собой отношение массы све- жего заряда в цилиндре к потенциальному заряду рабочей по- лости при условиях на впуске: . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 ср ср св.зар а s s a hs а hs s Т Т pp М М М М V , (6.2) где Мhs – потенциальный заряд надпоршневой полости при усло- виях на впуске, кг; Ма = Мсв.зар + М. – масса рабочего тела в над- поршневой полости в НМТ, кг; рsср, Тsср – среднее за цикл значе- ние давления и температуры воздуха или топливовоздушной сме- си перед впускными клапанами (рис.6.4). Потенциальный заряд рабочей полости – масса воздуха или топливовоздушной смеси, которая могла бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре перед впускными органами: ср ср s s s h hs s h R Tp V М . . V . , (6.3) где Rs – газовая постоянная для 1 кг воздуха или 1 кг топливовоз- душной смеси. В двигателях без наддува коэффициент наполнения опреде- ляют обычно по отношению к атмосферным условиям, т.е. по- тенциальный заряд рабочей полости 0 0 0 R TМ V p Vh h . . h . , (6.4) где р0, Т0 – давление и температура атмосферного воздуха. Коэффициент наполнения в данном случае зависит и от сте- пени совершенства впускных каналов и воздухоочистителя. В карбюраторных двигателях коэффициенты наполнения и остаточных газов зависят от нагрузки (количественное регулиро-179 вание мощности) и изменяются в пределах: .Vs = 0,1–0,9; . = = 0,10–0,80. В дизелях .Vs = 0,8–0,9; . < 0,04 и слабо зависит от нагрузки. В двигателях с наддувом и продувкой камеры сгорания сте- пень совершенства процессов газообмена характеризуется также коэффициентами избытка продувочного воздуха и утечки проду- вочного воздуха: hs s M . . M ; (6.5) . . . . . . . . s s s s V MM М M M ут св.зар 1 , (6.6) где Мs – масса воздуха, поступившего в рабочую полость за пе- риод впуска и продувки, кг; Мут – утечка воздуха из рабочей по- лости при продувке камеры сгорания, кг. В четырёхтактных двигателях без наддува . = .Vs; . = 0. В двигателях с наддувом и значительным перекрытием клапанов . < 1,1; . < 0,2. Затраты энергии на осуществление процессов газообмена в четырёхтактном двигателе оцениваются удельной работой на- сосных потерь или средним давлением насосных потерь. Затраты энергии на осуществление процесса выпуска могут быть оценены удельной работой выпуска, представляющей со- бой отношение работы Lв, затраченной на очистку рабочей по- лости от продуктов сгорания, к рабочему объему Vh, Дж/см3 (рис. 6.5, а): . . .. . . .. . . . . . . .. ... . h h h pdV p V V V l L 0 720 540 6 6 в в 10 1 10 . (6.7) Здесь и ниже Vh в м3. Удельная работа выпуска численно равна среднему давле- нию гидравлических потерь на выпуске в МПа: lв . .рв . (6.8) Затраты энергии на осуществление процесса впуска могут быть оценены удельной работой впуска, представляющей собой 180 отношение работы, затраченной на заполнение цилиндра све- жим зарядом, к рабочему объему, Дж/см3 (рис. 6.5, а), . . .. . . .. . . . . . . .. . .. . 180 0 6 6 0 вп вп 10 1 10 p V pdV V V l L h h h (6.9) или средним давлением гидравлических потерь на впуске, в МПа .рвп . lвп . (6.10) Суммарные удельные затраты энергии на осуществление процессов газообмена lн.п = lв + lвп (6.11) или среднее давление насосных потерь рн.п = .рв + .рвп. (6.12) Важными характеристиками органов газораспределения яв- ляется среднее давление гидравлических потерь на выпускных и впускных клапанах, зависящее от гидравлических сопротивлений клапанов, Па: т ср в. ср т ср 720 540 в.кл 1 pdV p V р р V р h h . . . . .. . . .. . . . . .. ... . ; (6.13) ср вп. ср 180 0 вп.кл s ср 1 p V pdV р р V р h s h . . . . .. . . .. . . . . .. . .. . . (6.14) Среднее давление насосных потерь может быть определено и через среднее давление гидравлических потерь на впускных и выпускных клапанах, рн.п = рв.ср – рвп.ср = рт ср – рs ср + (.рв.кл + .рвп.кл). (6.15) В двигателях с газотурбинным наддувом или с механичес- ким приводом нагнетателя и значениями рs ср . рт ср , среднее дав- ление насосных потерь может быть и со знаком "–", то есть за пе- риод газообмена будет выполнена газами положительная работа, снижающая механические потери. В этом случае энергия сжатого в компрессоре воздуха не только компенсирует потери энергии на осуществление газообмена, но и обеспечивает некоторый вы-181 игрыш энергии, который бу- дет тем выше, чем больше будет отличие рsср от рт ср. Среднее давление гид- равлических потерь во впу- скных и выпускных клапа- нах при отношении площади проходного сечения выпуск- ных клапанов к площади проходного сечения впуск- ных клапанов fв . fs = 0,7–0,8 примерно одинаковы и зави- сят, главным образом, от от- ношения площади проход- ных сечений клапанов (fв, fs) к площади поршня Fп и средней скорости поршня (табл. 6.1). Температура воз- духа или топливовоздушной смеси на впуске, температу- ра газов в цилиндре на уча- стке выпуска оказывают значительно меньшее влия- ние. Таблица 6.1 – Зависимость среднего давления потерь во впускных клапанах от средней скорости поршня и отношения fs . Fп Средняя скорость поршня fs . Fп (fв . fs = 0,7–0,8) 0,13–0,16 0,16–0,22 7–11 м/с (0,15–0,30)·105 Па (0,10–0,20)·105 Па 11–15 м/с (0,30–0,50)·105 Па (0,20–0,40)·105 Па Рисунок 6.5 – Индикаторные диаграммы процессов газообмена четырёхтактного двигателя без наддува (а) и с газотур- бинным наддувом (б) 182 При значениях среднего эффективного давления ре . 0,5.рен. среднее давление потерь в выпускных клапанах начинает зави- сеть и от ре вследствие значительного понижения температуры газов в цилиндре на участке выпуска. §3. Приближенная оценка показателей газообмена четырёхтактного двигателя Необходимость в приближенной оценке показателей газо- обмена (среднего давления насосных потерь, коэффициентов ос- таточных газов и наполнения, параметров рабочего тела в конце такта впуска) обычно возникает на начальной стадии проектных разработок нового двигателя, модернизации выпускаемых двига- телей, различных расчетных исследованиях и т.п. Наиболее проста приближенная оценка показателей газообмена на отдель- ных режимах работы двигателя по данным исследований подоб- ных двигателей. Менее достоверна оценка показателей газообме- на по значению параметров свежего заряда на впуске и отрабо- тавших газов на выпуске, средней скорости поршня, отношению площади проходных сечений клапанов к площади поршня. При- мерная последовательность оценки показателей четырехтактного двигателя может быть следующей. 1. Среднее значение давлений в цилиндре на участке выпус- ка и впуска, среднее давление насосных потерь (рис. 6.5.): рв.cр = рт.ср + .рв.кл; (6.16) рвп.cр = рs.cр – .рвп.кл; (6.17) рн .п = рв.ср – рвп.ср. (6.18) В двигателях без наддува среднее значение давлений возду- ха (топливовоздушной смеси) во впускном коллекторе и отрабо- тавших газов на выпуске рs ср = р0 – .рв.ф; (6.19) рт ср = р0 + .рг.ш, (6.20) где .рв.ф, .рг.ш – среднее давление гидравлических сопротивле- . рен – среднее эффективное давление на режиме номинальной мощности. 183 ний воздушного фильтра и глушителя шума на выпуске (.рв.ф . . 1000–3000 Па ; .рг.ш . 2000–5000 Па). Значения среднего давления потерь на клапанах принимает- ся по экспериментальным данным (табл. 6.1.) В двигателях с газотурбинным наддувом среднее значение давления воздуха (топливовоздушной смеси) на впуске рs ср опре- деляется из уравнения баланса расхода воздуха, V n z R T p М N g h s s e e s s V 60 2 cp cp . 0 . . , (6.21) где . – коэффициент избытка воздуха; М0 – теоретически необ- ходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива; Nе – мощность двигателя; gе – удельный эффективный расход топли- ва; n – частота вращения коленчатого вала; z – число цилиндров; Rs – газовая постоянная для воздуха; Ts ср – температура воздуха на впуске: охл кк 1 Ts cp . T0 .к . .Т . . (6.22) Здесь .к – степень повышения давления воздуха в компрессоре; .Тохл – снижение температуры воздуха в воздухоохладителе (при .к . 2 .Тохл = 50–70 К). Степень повышения давления в компрессоре 0 в.ф cp охл к р pps p . .. . . . , (6.23) где .pохл – гидравлическое сопротивление воздухоохладителя (.pохл = 2000–3000 Па). Коэффициент наполнения принимается по данным для по- добных двигателей (.Vs = 0,8–0,9). Среднее давление газов в выпускном коллекторе перед тур- биной определяется из уравнения баланса мощности турбины и компрессора (Nт = Nк): к ад.к в ад.т т в ч 1 3600 3600 . . . . . G В l G l или 184 . . . . . .. . . . .. . . .. . . .. . . . . ... ... . . т 1 т ср 0 г.ш т т ср т в ч т т т 1 3600 1 к к р R Т р р к G В к н 1 0 к в 1 1 1 3600 . . . . .. . . . .. . . . . . .s sкк s s s R T к G к . После преобразований, приняв Gв = . М0 Вч и Rs = Rт, полу- чим: . . . . . . 1 1 к т с т т н 0 0 т т ср 0 г.ш т т 1 1 1 1 1 1 . . . . . . . .. . . . . .. . . .. . . .. . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . кк к к р s s Т к к М T к к р р р , (6.24) где Gв, Вч – часовой расход воздуха и топлива через двигатель; lад.т, lад.к – удельная работа расширения газа в турбине и сжатия воздуха в компрессоре, кДж/кг; Rs, Rт – газовая постоянная для воздуха и продуктов сгорания; кт, кs – показатели адиабаты для продуктов сгорания и воздуха; Тт ср – среднее значение темпера- туры продуктов сгорания перед турбиной; .т, .н – КПД турбины и нагнетателя (.т . .н . 0,7–0,8); . – коэффициент, учитываю- щий расход воздуха на охлаждение турбины (. = 1,01–1,03). Значения показателей адиабаты при сжатии воздуха в комп- рессоре примерно равно 1,4; при расширении газов в турбине – 1,32–1,34 (для дизеля) и 1,28–1,30 (для бензинового двигателя). Среднее значение температуры газов перед турбиной Тт ср = 900– 950 К (для дизеля), Тт ср = 950–1100 К (для бензинового двигате- ля). 2. Коэффициент остаточных газов можно определить за- давшись в первом приближении коэффициентом наполнения .Vs и температурой остаточных газов в цилиндре Tr: 185 . . ср . ср . т ср т св.зар s h s s s c r s s h c V p R T V p R T V V ММ V V . . . .. . . . . . , (6.25) где Vc – объем камеры, сжатия; .., .s – плотность продуктов сго- рания в конце такта выпуска и воздуха на впуске; Tr – Темпера- тура газов в цилиндре в конце такта выпуска (Tr = 900–1000 К – для дизеля и Tr = 1100–1300 К – для двигателя с искровым зажи- ганием). 3. Давление смеси газов в цилиндре в конце такта впуска (НМТ, точка а): ра = рs ср – (0,1–0,5).рвп.кл . (6.26) 4. Температура смеси газов в цилиндре в конце такта впус- ка определяется из уравнения теплового баланса для такта впуска Qa = Qs + Qr + Qт + Lвп. – Qu (6.27) или . . . . . . Маcpma Ta.273 . Мсв.зарcpms Ts.273 .М.cpm. Tr.273 .Qт.Lвп.Qu . Если пренебречь отличием средних удельных теплоемкостей при постоянном давлении свежего заряда и продуктов сгорания, то . . . . 273 1ср 273 273 т г.п . . . . . . . . . . . . . . s r u a T T Т Т Т T . (6.28) Здесь: Qa – теплота смеси газов в цилиндре в конце такта впуска (НМТ); Qs – теплота свежего заряда, поступившего в цилиндр; Qr – теплота остаточных газов в цилиндре; Qт – теплота подогре- ва свежего заряда от стенок цилиндра вследствие теплообмена; Lвп – затраты энергии на осуществление процесса впуска; Qu – теплота испарения топлива (в случае карбюраторного двигателя); c pma , cpms , cpm. – средние удельные массовые теплоемкости при постоянном давлении смеси газов в цилиндре, свежего заряда и остаточных газов; . . .Тт . Qт Мсв.зар cpms – повышение темпера- туры свежего заряда вследствие подогрева от стенок цилиндра; . . .Тг.п . Lвп Мсв.зар c pms – повышение температуры свежего за- ряда, обусловленное затратами энергии на процесс впуска; . . .Тu . 320 . М0 cpms – понижение температуры свежего заряда, 186 обусловленное испарением топлива (320 кДж/кг – скрытая тепло- та испарения бензина). Повышение температуры свежего заряда вследствие подог- рева от стенок цилиндра .Тт зависит от рабочего объема цилинд- ра, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и составляет 5 – 30 К. Повышение температуры свежего заряда вследствие за- трат энергии на впуск .Тг.п может достигать 20–40 К, в зависи- мости от конструктивных особенностей двигателя и режима ра- боты. 5. Масса свежего заряда и коэффициент наполнения: . . . . . . . . св.зар 1 1 М Ма pa Va R Ta ; (6.29) hs s M М V . . св.зар . (6.30) Если значение .Vs отличается от принятого ранее более чем на 5 %, расчет следует повторить, приняв за начальное получен- ное значение .Vs. Более точно показатели газообмена определяются при рас- чете процессов газообмена в надпоршневой полости от момента начала открытия выпускных клапанов до момента закрытия впускных клапанов. §4. Расчет процесса выпуска Математическая модель процессов в надпоршневой полости на участке выпуска от точки е до точки d (рис. 6.3.; рис. 6.4) в общем случае включает в себя систему дифференциальных урав- нений нестационарных процессов массообмена и теплообмена в надпоршневой полости, систему дифференциальных уравнений неустановившихся процессов в выпускном канале, систему урав- нений граничных условий (течение газа через клапаны и на вы- ходе из выпускного канала). На практике данные системы урав- нений обычно решаются при ряде допущений, позволяющих су- щественно упростить решение при приемлемой для конкретных целей исследований точностью. В зависимости от целей исследо-187 ваний, начальных условий уточняются допущения, а соответст- венно и исходная система уравнений. Конечной целью расчета процесса выпуска обычно являют- ся определение потери энергии на удаление продуктов сгорания из цилиндра с учетом потери индикаторной работы расширения газов вследствие опережения открытия выпускных клапанов, степени очистки надпоршневой полости от продуктов сгорания к моменту начала открытия впускных клапанов. По этим показате- лям оценивается выбор геометрических размеров выпускных клапанов и каналов отвода отработавших газов за выпускными клапанами, моменты открытия и закрытия выпускных клапанов. Увеличение, например, угла опережения открытия выпускных клапанов снижает потери энергии на выталкивание поршнем продуктов сгорания из надпоршневой полости, но при этом воз- растают потери индикаторной работы расширения газов. Опти- мальному углу опережения открытия выпускных клапанов соот- ветствует минимальное значение суммы этих потерь. Запаздыва- ние закрытия выпускных клапанов влияет при прочих равных ус- ловиях (одинаковых значениях проходных сечений клапанов, частоты вращения коленчатого вала и т.д.) в основном на степень очистки надпоршневой полости от продуктов сгорания. Газодинамические явления в каналах отвода продуктов сго- рания за выпускными клапанами в четырёхтактных двигателях оказывают относительно небольшое влияние на потери энергии на участке выпуска, степень очистки надпоршневой полости от продуктов сгорания. Только при соответствующем подборе дли- ны и диаметра каналов отвода продуктов сгорания, угла опере- жения открытия выпускных клапанов в небольшом диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала воз- можно несколько уменьшить давление газов и количество газов в надпоршневой полости к концу участка выпуска. Поэтому в че- тырёхтактных двигателях при определении изменения парамет- ров и количества газов в надпоршневой полости на участке вы- пуска в зависимости от угла поворота коленчатого вала давление газов за выпускными клапанами можно принять постоянным и равным среднему значению (рт). Тогда для участка выпуска в предположении, что реакции окисления топлива завершились до момента начала открытия выпускных клапанов (dx = 0; dQx = 0) 188 дифференциальное уравнение (4.28) примет вид: . . .. . .. . . . . . . . п т т т 1 т 1 dV р dQ к dM к Vdp к р в . (6.31) Здесь кт – показатель адиабаты для продуктов сгорания. Уравнение (6.31) является дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, которое можно решить только численными методами, например, методом Эйлера. Для конечно- го промежутка времени .. соответствующего углу поворота кри- вошипа ..i , изменение давления газов в цилиндре . . .. . .. . . . . . . . . . . . i i i i i вi i i i i V рQ к M к Vp к р п т т т ц т 1 1 . (6.32) Здесь индекс «i» соответствует значениям параметров и коэффи- циентов, входящих в уравнение в начале расчетного шага. Количество продуктов сгорания, вышедших из цилиндра через выпускной клапан в течение расчетного промежутка вре- мени, соответствующего углу поворота кривошипа ..i , .Мцвi . ..i ..вi fвi .срWцвi ..i 6n , (6.33) где i i к i i pp т 1 т . .. . . .. . .. . . – плотность газов в расчетном сечении выпу- скного клапана; i i i R T pт . . – плотность продуктов сгорания в над- поршневой полости; . ..вi fвi ср – среднее значение эффективной площади проходного сечения выпускного клапана на расчетном участке; Wцвi – скорость газов в расчетном сечении выпускного клапана; i pi Vi кт . с с – показатель адиабаты для продуктов сго- рания. Если расчетный шаг составляет 1–3 .ПКВ, вместо средних значений эффективной площади проходных сечений клапанов на расчетном шаге допустимо принимать значение эффективной площади проходных сечений клапанов в начале расчетного шага.