Влияние формы камеры сгорания поршневого автомобильного двигателя на параметры процесса сжатия в отремонтированных двигателях автомобилей

При осуществлении процесса сжатия в поршневых автомобильных ДВС необходимо решать одновременно две задачи: обеспечить наилучшее заполнение свежим зарядом всего объема камеры сжатия и обеспечить необходимую степень турбулизации смеси. Для автомобильных топлив с высоким содержанием легких фракций, таких как топлива А-92, А-95 и т.д., степень турбулизации заряда может быть уменьшена по сравнению, например, с работой на топливе А-76. Даже если в современном двигателе используют процессы непосредственного впрыска топлива в цилиндр или во впускную трубу, от степени турбулизации смеси в камере сгорания в значительной степени зависит полнота перемешивания топлива и воздуха, а, следовательно, продолжительность и полнота сгорания смеси. Таким образом, экономические и мощностные характеристики автомобильного двигателя, а также его экологические показатели тесно связаны с характером движения заряда в камере сгорания.

Из уравнения Ван-дер-Ваальса

, (99)

где p – давление; a, b, R – константы для данной среды; v – удельный объем; Т – абсолютная температура.

Плотность среды в произвольной точке определяется соотношением

, (100)

где М – масса, заключенная в малом объеме w, включающем точку изотермы в координатах p-v; предел берется при «стягивании» объема w к этой точке.

Характер изотермической сжимаемости газов выразится уравнением:

, (101)

 – изотермический коэффициент сжимаемости среды.

Для процессов перемещения среды с внутренними пульсациями вводят понятие усредненной скорости потока :

. (102)

Разность векторов

, (103)

где – среднее значение скорости потока;– мгновенное значение скорости потока, которое называют пульсационной скоростью.

Для установившегося потока жидкости или газа усредненное значение пульсации равно нулю:

. (104)

Векторное уравнение движения Ньютона имеет вид

, (105)

где  – плотность вещества, – ускорение массы на единицу объема; –– силы, действующие на элементыx, y, z на единицу объема; – силы трения от вязкости, действующие на единицу объема;– силы гравитации, действующие на единицу объема.

Величина составляющей () для векторного уравнения движения является необратимой величиной и характеризует диссипативную функцию рассеивания_u, значения которой следует минимизировать, как это следует из выражения

, (106)

где  – определитель Набла;  – значения времени; – вектор скорости потока.

На основе теории подобия и метода обобщенных переменных, рассматривая произвольное конечное сечение S реального потока в «трубке тока» для жидкости или газа, определим величину Q:

, (107)

где – вектор скорости потока;– вектор конечного сечения элементарной «трубки тока».

Если обозначить символом «М_п» поток массы через сечение S, то выражения для массового расхода элементарной струйки для «трубки тока» будут соответствовать зависимостям:

, (108)

, (109)

где  – плотность вещества в потоке; u_n – скорость перемещения вещества в потоке; dS – элементарная площадь для сечения S.

Таким образом, величина М_п есть поток массы через сечение S для элементарной «трубки тока». На основании изложенного можем записать выражение

(110)

при условии, что плотность потока будет изменяться по времени,

;

где  – значение координаты времени.

На основании выражения (110) можно записать по теореме Гаусса-Остроградского:

(111)

и следующее выражение, так как в силу произвольности объема подынтегральная функция равна нулю:

, (112)

постольку поскольку в векторном анализе сумма частных производных от проекций вектора по одноименным координатам называется дивергенцией или «расхождением» вектора.

Обозначив боковую поверхность «трубки тока» S_б и полагая ее непроницаемой (для S_б величина u_n=0), получим уравнение для потока в трубе для S_б или «трубки тока»:

, (113)

где ₁ и ₂ – площади «живых сечений» потока вещества в «трубке тока».

Выражение (113) устанавливает равенство массовых расходов через «живые сечения» в «трубках тока». Аналогичные зависимости имеют место также для криволинейных ортогональных систем координат там, где длины дуг криволинейных координатных осей связаны с приращениями независимых переменных.

На основании теоремы Коши–Гельмгольца в общем случае движение жидкой частицы в «трубке тока» можно разложить на переносное движение вместе с некоторым полюсом, вращательное движение с угловой скоростью вокруг «мгновенной» оси, проходящей через этот полюс, а также на деформационное движение, которое заключается в линейных деформациях со скоростями_xx; _yy; _zz и угловых деформациях со скоростями _xy = _yx; _xy = _yz; _xz = _zx. В случае если в «трубках тока» вследствие этого образуются так называемые «вихревые линии», «трубки тока» носят название «вихревых трубок». К разновидностям «вихревых трубок» относят, в частности, «вихревые кольца» и «вихревые шнуры». «Вихревые кольца» в форме тора характерны для перемещения среды, например, при движении поршня в цилиндре в ту или иную сторону. «Вихревые шнуры» с концами на границах объемов «трубок тока» характерны для перемещения вещества (воздуха, газа) в полостях, например, камер сгорания ДВС.

Сочетание обоих типов перемещений потоков и взаимодействие «вихревых трубок» тока в итоге вызывает турбулизацию смеси или воздуха в камерах сгорания. Увеличение затрат энергии на внутреннее трение в газе повышает долю невосполнимых потерь энергии сжатия воздуха или рабочей смеси, что приводит к возрастанию коэффициента  для диссипативной функции рассеивания Ф_u в выражении (106).

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что при удовлетворительной величине турбулизации заряда в камерах сжатия двигателей при одинаковой степени сжатия потери потока на внутреннее трение в среде могут быть существенно снижены при правильном выборе величины Re. При искривлении оси «трубки тока» частицы потока, дополнительно к поступательному движению, приобретают и вращательное, вихревое движение. Это дополнительное движение, как уже было отмечено ранее, характеризуется выражением

, (114)

где Re – критерий Рейнольдса; u_o – условная скорость жидкости в сечении; d – диаметр канала или трубки тока; _с – кинематическая вязкость среды в потоке.

При движении потока, ограниченного с одной стороны или нескольких сторон твердыми стенками, получим выражения:

u_ст 0 , (115)

где u_ст – скорость «пристенного» слоя жидкости или газа;

u_xтт  u_max, (116)

где u_xтт – максимальная скорость потока по оси канала с твердыми стенками, т.е. для центральных «трубок тока».

Вследствие указанной разности скоростей течение потока в канале, ограниченном твердыми стенками, сопровождается возникновением тороидальных вихрей. При этом вращательное движение относительно кольцевой тороидальной «трубки тока» будет происходить в направлении, обратном перемещению потока в канале.

Таким образом, можно отметить, что применение «симметричных» вытеснителей в камерах сгорания ДВС, устранение выступающих острых кромок на вытеснителях, снижающих потери на внутреннее трение в потоках сжимаемого воздуха или рабочей смеси, углубление свечного отверстия от плоскости камеры сгорания, размещение впускных и выпускных клапанов с противоположных сторон камер сгорания уменьшали искривление «трубок тока» и «вихревых трубок» для движения сжимаемого воздуха. Это, в свою очередь, привело к снижению потерь на внутреннее трение в газе [14].

Величину критерия Рейнольдса Re для потоков в камерах сгорания необходимо выбирать в пределах «пороговых» значений при переходе турбулентного течения в ламинарное для того, чтобы обеспечить достаточную турбулизацию потоков без увеличения аэродинамических и газодинамических потерь в воздушно-газовых трактах ДВС. Так, например, применение усовершенствованных камер сгорания для двигателей автомобилей ГАЗ позволило при увеличении геометрической степени сжатия от 7,65 до 8,2 для диаметра цилиндров 90 мм увеличить показатель политропы сжатия на 0,01 при незначительном повышении предельной температуры в зоне верхнего поршневого кольца на 3…5С. Одновременно было отмечено снижение минимального удельного расхода топлива на 5…7% при режимах номинальных нагрузок и номинальной мощности, при оборотах коленчатого вала в минуту, составивших 80…85% от максимальной величины. Конструкции поршней и блоков цилиндров двигателей при этом оставались неизменными и не испытывали повышенных термических нагрузок.

Использование указанного резерва увеличения технико-экономических показателей автомобильных поршневых двигателей не потребовало изменения основных технологических процессов производства и не привело к повышению стоимости оснастки технологического оборудования.

Вследствие изложенного, перед началом сборки отремонтированных ДВС типа КамАЗ необходим подбор поршней по объёмам камер сжатия.