3.2.1.3. Процессы газообмена Изучаемые вопросы:

Назначение процессов газообмена и их протекание. Показатели, оценивающие их качество

Для осуществления рабочего цикла в поршневом двигателе необходимо удалить из цилиндра образовавшиеся продукты сгорания и ввести свежий заряд топливовоздушной смеси. Процессы впуска и выпуска взаимосвязаны. Количество поступившего заряда зависит от качества очистки цилиндра двигателя.

На рис.6 представлен процесс выпуска-наполнения цилиндра двигателя. После открытия впускного клапана, когда давление в цилиндре станет ниже давления окружающей среды на Ра, начинается впуск свежего заряда.

Процесс выпуска начинается за 40…60^○п.к.в. до НМТ (точка 1), с этого момента и до НМТ происходит свободный выпуск отработавших газов вследствие разности давлений в цилиндре Рr и на выпуске Ро.

Рис. 6. График выпуска-наполнения цилиндра

Последующая очистка производится выталкиванием газов, двигающихся к ВМТ, поршнем. Выпускной клапан закрывается через 15…30^○п.к.в. после ВМТ (точка 2), впускной клапан открывается за 10…20^○п.к.в. до ВМТ (точка 3).

При движении отработавших газов через выпускной клапан за счет их эжектирующего действия под выпускным клапаном образуется разрежение. При перекрытии клапанов, т. е. одновременном открытии впускных и выпускных клапанов, в цилиндр поступает свежий заряд при одновременном удалении остаточных газов.

При наддуве топливовоздушную смесь в двигателе с внешним смесеобразованием вводят в цилиндр после предварительного сжатия в компрессоре.

Процесс наполнения цилиндра рабочим телом находится в зависимости от целого ряда факторов, которые связаны с гидродинамической и тепловой его сущностью, а также с конструктивными особенностями. В результате влияния этих факторов действительное количество горючей смеси, поступившее в цилиндр за период наполнения, не равно тому количеству, которое могло бы заполнить объем цилиндра V_s при условиях окружающей среды (Р_о и Т_о).

Первым и основным фактором, отражающимся на количестве рабочего тела, поступающего в цилиндр четырехтактного двигателя, работающего без наддува, является перепад давлений Р_а.

Давление Р_а в цилиндре четырехтактного двигателя в период наполнения всегда меньше, чем давление окружающей среды Р_о, ибо для создания скорости протекания засасываемого газа через впускные клапаны, а также преодоления сопротивления в клапанах и во впускном трубопроводе нужна некоторая разность давления Р_а=Р_о-Р_а. Разрежение Р_а создается в четырехтактном двигателе благодаря ходу поршня от ВМТ в период всасывания. В двухтактном двигателе давление продувочного воздуха р_int также понижается на величину р_int за счет сопротивления продувочных органов.

В результате плотность поступившего заряда в конце впуска меньше, чем та, которая соответствовала бы давлению Р_о.

Горючая смесь, поступающая в рабочий цилиндр, соприкасается с внутренними поверхностями цилиндра (днище поршня, крышка, клапаны, стенки цилиндра), температура которых выше температуры окружающей среды. Поэтому заряд подогревается от этих поверхностей, что уменьшает его плотность. Подогрев оценивается разностью температур Т и является вторым фактором, уменьшающим количество действительного заряда, поступившего в цилиндр.

Третьим фактором является невозможность полного удаления из цилиндра продуктов сгорания предыдущего цикла. В двигателях некоторое количество остаточных газов остается после выпуска в объеме сжатия V_c.

В двухтактных двигателях количество остаточных газов зависит от качества продувки и может варьироваться в широких пределах. Остаточные газы имеют температуру T_r и давление Р_r , которые превышают одноименные параметры окружающей среды.

Остаточные газы, занимая часть объема, уменьшают количество свежего заряда. Повышенное давление остаточных газов сокращает продолжительность впуска, так как начальная часть хода поршня от ВМТ теряется на расширение до давления Р_о . При смешении происходит подогрев свежего заряда и охлаждение остаточных газов. Подогрев уменьшает плотность заряда, а охлаждение остаточных газов уменьшает их объем. Температура смеси к концу периода наполнения возрастает, но это не оказывает влияния на количество рабочего тела, поступающего в цилиндр.

Итак, количество свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения, зависит от следующих факторов:

– гидравлического сопротивления впускной системы, снижающего давление подаваемого заряда;

– наличия в цилиндре некоторого количества остаточных газов;

– подогрева заряда от поверхности стенок системы впуска и внутренней поверхности цилиндра, вследствие чего уменьшается плотность заряда.

При протекании свежего заряда в случае полного открытия дросселя через впускные органы его давления и температуры претерпевают незначительные изменения, что дает право принять приближенно постоянную плотность газа на его пути  = const. Если при этом допущении рассматривать поступление заряда как установившееся движение, то можно применить уравнение Бернулли.

,

где  - скорость потока в узком проходном сечении впускной системы;

Р_а¹ – мгновенное значение давления в цилиндре;

 - коэффициент сопротивления впускной системы.

Тогда Р¹_а = Р_о – Р¹_а = (1+),

т. е. каждый момент потеря давления Р¹а пропорциональна квадрату скорости газа во впускной системе и сильно зависит от .

Уравнение неразрывности потока дает ·f =c·F,

где f – узкое проходное сечение впускной системы;

F – площадь поршня;

с – скорость поршня в рассматриваемый момент.

 =с F / f ,

а так как скорость поршня пропорциональна частоте вращения коленчатого вала, то  = k n/f , где к – коэффициент пропорциональности, зависящий от размера цилиндра и КШМ, а также от угла п.к.в., тогда перепад давлений Р¹а = кn²/f².

Таким образом, при определенных размерах цилиндра и  разрежение в цилиндре в конце впуска пропорционально n² и обратно пропорционально f².

Для двигателей с количественным регулированием топливной смеси (карбюраторных и газовых) изменение положения дроссельной заслонки изменяет величину . При работе на малых нагрузках прикрытый дроссель увеличивает сопротивление впуска и, следовательно, величину Р_а. Увеличение _r вызывает увеличение Р_r и уменьшение  (см. рис. 7).

Подогрев поступающего заряда от нагретых поверхностей (Т) зависит от оборотов, нагрузки, от преодоления крутящего момента и от условий охлаждения двигателя. Усиленный подогрев при повышении нагрузки двигателя вызван увеличением расхода топлива.

Рис. 7. Влияние сопротивления на наполнение цилиндра

Что касается числа оборотов, то, с одной стороны, частое чередование циклов повышает температуры нагретых поверхностей и, следовательно, сказывается на подогреве воздуха. С другой стороны, продолжительность соприкосновения с нагретыми стенками обратно пропорциональна частоте вращения. Это сказывается более резко, чем повышение температуры стенок, т. е. с увеличением частоты Т падает.

На степень подогрева влияет размерность цилиндра. При увеличении его диаметра уменьшается относительная величина его поверхности.

Если у карбюраторного двигателя нет специального подогрева впускного коллектора, можно считать, что подогрев рабочей смеси компенсирует потерю тепла на испарение топлива в карбюраторе.

Количество остаточных газов определяется коэффициентом _r=M_r/М₁,

где M_r – количество остаточных газов, кмоль;

М₁ – количество свежего заряда, кмоль.

Температуру газов в конце наполнения Т_а можно определить из уравнения баланса теплоты до и после смешения

с_vM₁(То + Т) + сМ_rT_r=c(М₁ + М_r)Та .

Так как количество остаточных газов невелико и их теплоемкость не очень отличается от теплоемкости свежего заряда, то разницей в теплоемкостях можно пренебречь.

М₁(То + Т) + M_rT_r = (M₁ + M_r)Та .

Разделив на М₁ и зная, что _r = M_r/М₁ , можно написать

Т_о+Т+_rT_r =(1+_r)Т_а, отсюда Т_а = .

Результатом совокупности всех явлений является то, что количество рабочего тела, заполняющее объем V_h при Р_а и Т_а при нормальном процессе наполнения, меньше, чем то количество, которое могло бы находиться в этом объеме при Р_о и Т_о.

Отношение действительного количества заряда, поступившего в цилиндр, к тому, которое могло бы заполнить его при Р_о и Т_о, называется коэффициентом наполнения.

Расчеты показывают, что для двигателей с внешним смесеобразованием разница в коэффициенте наполнения, подсчитанная из условий, что свежим зарядом является воздух или топливовоздушная смесь, незначительна. Поэтому в дальнейшем будем определять коэффициент наполнения _н по количеству поступающего воздуха.

Свежий заряд, поступивший в цилиндр при Р_о и Т_о , занимает объем, равный _нV_h. Если привести этот объем к давлению и температуре начала сжатия (Р_а и Т_а), то действительный объем будет равен

М= _нV_hм³ .

Кроме заряда Мв общем объеме цилиндраV_a = V_(h)s + V_c находятся остаточные газы М при Р_а и Т_а. V_a=M.

Иначе ;.

Тогда ;V_h = V_s .

Так что М; , отсюда независимо от тактности двигателя и способа смесеобразования .

Это выражение коэффициента наполнения показывает, что увеличение степени сжатия вызывает уменьшение коэффициента наполнения. Однако нельзя к этому подходить обобщенно, так как нельзя рассматривать влияние  от _r, в четырехтактном двигателе увеличение степени сжатия влечет за собой увеличение коэффициента наполнения.

Увеличение числа оборотов двигателя при постоянном положении регулирующих органов приводит к уменьшению коэффициента наполнения, так как уменьшается отношение p_a/p_o при том же давлении р₀ (за счет увеличенной затраты энергии на протекание заряда через впускную систему).

Влияние нагрузки (т. е. крутящего момента) на _н различно, в зависимости от способа регулирования. При количественном регулировании необходимое изменение количества горючей смеси, поступающей в цилиндр, достигается изменением положения дроссельной заслонки. Тем самым, по мере уменьшения нагрузки (при n = const) возрастает сопротивление впускной системы, и, следовательно, за счет увеличения Р_а снижается _н .

Увеличение гидравлического сопротивления выпускной системы приводит к тому, что:

– уменьшается полезная площадь индикаторной диаграммы,

– уменьшается коэффициент наполнения _н,

– увеличивается коэффициент остаточных газов _r.

Все это приводит к снижению мощности и КПД двигателя.

Как известно, процесс газообмена в четырехтактных дизелях осуществляется главным образом за счет насосных ходов поршня, а в двухтактных – за счет выпуска газов и затем продувки-наполнения цилиндров воздухом с избыточным давлением при положении поршня около НМТ.

Причины, по которым объем цилиндра дизеля, заполненный воздухом, к концу наполнения меньше объема V_s, такие же, как и для карбюраторных двигателей:

– неизбежные потери во впускном тракте Р_к;

– подогрев заряда за счет теплообмена с горячими поверхностями, смешением воздуха с остаточными газами и некоторого повышения температуры в результате торможения воздуха в цилиндре.

Критериями количественной оценки совершенства процессов очистки и наполнения цилиндра служат коэффициент остаточных газов _r и коэффициент наполнения _н .

Коэффициентом остаточных газов _r так же, как и в карбюраторных двигателях, называется отношение количества молей, оставшихся в цилиндре остаточных газов М_r к количеству молей свежего заряда L, поступившего в цилиндр

_r = М_r /L .

В четырехтактных дизелях без наддува _r = 0,04…0,06, с наддувом - _r = 0,02…0,05.

В двухтактных дизелях _r = 0,08…0,12 (прямоточная продувка), _r = =0,15…0,25 (контурная продувка).

Коэффициент наполнения _н – отношение действительного объема, поступившего в цилиндры и оставшегося к началу сжатия заряда V_к при давлении и температуре перед впускными органами Р_к и Т_к , к рабочему объему цилиндра V_s.

_н = V_к / V_s..

(В литературе по карбюраторным двигателям принято обозначать рабочий объем цилиндра V_h, а в дизелестроении – V_s, по сути дела это одно и то же).

Следует обратить внимание на то, что за эталонное принято количество заряда, которое могло бы поместиться только в рабочем объеме V_s(V_h), а не в полном объеме V_a.

Уравнение материального баланса смеси воздуха и остаточных газов в точке а (рис.4)

М_а = L + M_r = L(1+_r) ,

где L - количество молей воздуха в объеме Vs;

M_r –количество молей продуктов горения от предыдущего цикла;

М_а - количество молей заряда в объеме V_a.

Выразив М_а и L через параметры Р_а , Т_а , V_a , Р_к , Т_к , V_k , из характеристического уравнения получим

М_а = Р_а V_a /R Т_а ; L = R_k V_k /R Т_к.

Получим коэффициент наполнения для четырехтактного дизеля

_н = .

Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня V_s , для двухтактных дизелей будет равен

_н = ,

где _п – относительная доля потерянного хода поршня, _п = h_n/s ;

h_п – высота продувочных окон;

s – ход поршня.

Для четырехтактных дизелей без наддува параметры Р_к и Т_к необходимо заменить параметрами окружающей среды Р_о и Т_о .

Температура рабочей смеси Т_а , состоящей из L молей воздуха, подогретого о горячие стенки цилиндра до температуры Т = Т_к + Т_а и остаточных газов в количестве M_r молей с температурой T_r , может быть определена из уравнения баланса теплоты за период процесса наполнения

L, (29)

, (30)

где - средние мольные изобарные теплоемкости воздуха, остаточных газов и газовоздушной смеси. Пренебрегая разницей в теплоемкостях, получим

L,, (31)

. (32)

Подогрев заряда от стенок цилиндра Т_а не превышает 5…20 К; Т_r в первом приближении может быть принята: Т_r = 750…950 К, где большие значения справедливы для четырехтактных дизелей.

Если в уравнении баланса тепла (29) принять , а, где_с – поправочный коэффициент, равный 1,06…1,11 для  = 2,0…1,6, то уравнение (32) примет вид

.