Процессы газообмена в поршневых двигателях. Пути улучшения процессов газообмена.

Процесс газообмена. Для осуществления рабочего цикла в реальных двигателях необходимо периодически удалять из цилиндров образующиеся продукты сгорания и вводить в них свежий заряд. Очистка цилиндров двигателя от продуктов сгорания и наполнение свежим зарядом называется процессом газообмена. Количество свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения процесса газообмена существенно влияет на мощность, развиваемую двигателем. В четырехтактных двигателях процессы газообмена осуществляются за два хода поршня.

Процесс газообмена начинается с момента открытия выпускного клапана (точка ), а заканчивается с закрытием впускного клапана (точка ). Процесс впуска осуществляется при движении поршня от ВМТ (точка ) к НМТ (точка ). Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течении процесса впуска, зависит от общего гидравлического сопротивления впускной системы, т.е. разности между давлением окружающей среды и давлением в цилиндре , которое изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ. Чем меньше потеря давления во впускной системе к моменту прихода поршня в НМТ. Тем больше количество свежего заряда заполнит цилиндр.

Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта расширения за поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ (точка ). При этом происходит свободный выпуск под действием остаточного давления газа в цилиндре (0.4 0.6 МПа). За время свободного выпуска удаляется до 50 70% отработавших газов. При движении поршня от НМТ к ВМТ происходит принудительный выпуск оставшихся газов.

Для дизеля без наддува, когда в процессе впуска воздух в цилиндры поступает из атмосферы, процессы газообмена протекают аналогично процессам карбюраторного. При этом гидравлические потери и, следовательно, значение в дизеле несколько меньше, чем в карбюраторном двигателе вследствие отсутствия карбюратора.

Параметры процесса газообмена можно разделить на две группы: 1-я группа - параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процесса; 2-я группа - параметры, характеризующие совершенство процессов наполнения и очистки цилиндров в целом. К первой группе относятся: подогрев заряда от нагретых деталей; давление конца наполнения; температура конца наполнения. Ко второй группе относятся коэффициент наполнения и коэффициент остаточных газов .

Давление в цилиндре в процессе впуска. Из-за наличия гидравлического сопротивления впускного тракта давление в цилиндре в процессе впуска ниже давления в патрубкеи изменяется вследствие изменения скорости поршня и проходного сечения впускного клапана. В конце впуска давление в цилиндре карбюраторного двигателя . Для дизелей .

Свежий заряд, перемещаясь по впускному тракту, соприкасается с горячими стенками; при этом его температура увеличивается на . Степень подогрева заряда зависит от скорости движения, продолжительности впуска, а также от разности температур стенок и заряда. При рационально сконструированной системе газообмена для дизелей без наддува , для карбюраторных двигателей .

В процессах газообмена все факторы, определяющие их протекание, действуют одновременно, что приводит к повышению температуры заряда, которая к концу впуска будет выше атмосферного воздуха, но ниже температуры остаточных газов. Таким образом, температура конца наполнения определяется подогревом заряда, температурой остаточных газов и коэффициентом остаточных газов.

Коэффициентом остаточных газов называется отношение числа молей остаточных газов в цилиндре двигателя к числу молей свежего заряда, поступившего в цилиндр после завершения процесса впуска: где число молей остаточных газов, находящихся в цилиндре двигателя; число молей свежего заряда.

Коэффициент остаточных газов используют для оценки степени очистки цилиндров двигателя от продуктов сгорания. Он определяет относительное содержание их в рабочем теле. Чем меньше , тем большее количество свежего заряда можно разместить в цилиндре, следовательно, получить двигатель большей мощности с тем же рабочим объемом. Поэтому всегда стремятся получить минимальные значения .

Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, по массе, действительно поступившего в цилиндр, к количеству свежего заряда, также по массе, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре в исходном состоянии на впуске в двигатель, т. е. где масса свежего заряда, поступившего в цилиндр; масса свежего заряда, теоретически способного заполнить рабочий объем цилиндра; объем цилиндра; плотность свежего заряда на впуске.

Коэффициент наполнения характеризует качество процесса впуска и учитывает отклонение условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель. Производители двигателей всегда стремятся к увеличению значений коэффициента наполнения. Таким образом, он является основной характеристикой качества процесса газообмена.

Процесс сжатия. Рабочее тело, представляющее к концу процесса наполнения смесь свежего заряда с остаточными газами, в процессе развития рабочего цикла подвергается сжатию. Назначение процесса сжатия в следующем: увеличение температурного перепада, при котором осуществляется действительный цикл; улучшение воспламенения и горения топлива; получение большей работы при расширении продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя. Чем выше степень сжатия, тем при прочих равных условиях выше степень расширения газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Соответственно этому расширяются пределы изменения состояния рабочего тела, что повышает степень преобразования теплоты в работу.

Для повышения термодинамических показателей цикла степень сжатия стремятся увеличивать. Однако в реальных условиях степень сжатия ограничена в зависимости от типа двигателя, его конструкции и условий применения. Для карбюраторных двигателей ; для дизелей . Минимальное значение степени сжатия дизеля определяется условиями надежного воспламенения топлива. Поэтому необходимо, чтобы температура рабочего тела в конце сжатия (определяемая ) превышала температуру самовоспламенения топлива не менее чем на 200—300 К.

К параметрам процесса сжатия относят давление и температуру рабочего тела в конце сжатия. Представление сжатия как политропного процесса со средним постоянным по величине показателем политропы позволяет использовать термодинамические зависимости для определения параметров сжатия.

Таким образом, давление и температура конца сжатия растут с увеличением давления и температуры конца наполнения, а также с увеличением степени сжатия и показателя политропы.

Процесс сгорания.В действительных циклах работы двигателя рабочее тело нагревается в результате сгорания, которое начинается в конце сжатия и происходит в основном в начальный период расширения. При этом химическая энергия топлива превращается в тепловую, которая в свою очередь частично преобразуется в механическую работу. От полноты сгорания топлива и своевременного подвода теплоты к рабочему телу в значительной мере зависят энергетические и экономические показатели двигателя. В качестве топлива для поршневых ДВС широко используются продукты переработки нефти, которые представляют собой различные углеводородные соединения и отличаются элементарным составом, который выражается в единицах массы (кг), или в объемных единицах ( ). Для жидких топлив

где массовые доли углерода, водорода, кислорода в 1-м кг топлива.

Для газообразных топлив

где объемные доли каждого газа в 1-м газообразного топлива; объемная доля азота.

Качество топлива определяется теплотой сгорания, т. е. количеством выделившейся теплоты при полном сгорании массовой или объемной единицы топлива. Каждый вид топлива обладает определенной теплотой сгорания. Для оценки топлива используется низшая теплота сгорания.

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле. Необходимым условием для совершенного протекания реакций горения в дизеле является тщательное предварительное смешение топлива с воздухом. Наилучшее смешение обеспечивается, когда топливо находится в газообразном или парообразном состоянии. Для получения качественной смеси из жидкого топлива необходимо осуществить его предварительное распыливание и испарение. Начальное воспламенение топлива в дизеле (самовоспламенение) — сложный процесс. Согласно одной из современных теорий, самовоспламенение происходит вследствие быстрого распада активных продуктов, образующихся в топливовоздушной смеси в результате предварительного окисления углеводорода и последующего развития цепных реакций. Воспламенение топлива в дизеле является многоочаговым. Возникновение первичных очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общее повышение температуры в цилиндре, что ускоряет испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных реакций в образующейся горючей смеси. Процесс сгорания разделяют на периоды (фазы), которые целесообразно анализировать по индикаторным диаграммам в координатах

Жесткость работы двигателя. Под жесткой работой двигателя понимают работу, при которой давление сгорания в цилиндре нарастает чрезвычайно быстро. Такой характер изменения давления сгорания, сопровождающийся значительным увеличением максимального давления цикла , позволяет увеличить мощность и улучшить топливную экономичность двигателя. Однако при этом элементы кривошипно-шатунного механизма подвергаются значительным ударным воздействиям, возрастает механическая нагруженность двигателя, снижается его надежность, при работе появляются стуки.

Процесс расширения. При расширении часть тепловой энергии, подведенной к рабочему телу при сгорании топлива, преобразуется в механическую и расходуется на совершение работы. В реальных условиях расширение начинается в ВМТ и в начальной стадии протекает одновременно с процессом сгорания. К числу факторов, определяющих развитие процесса расширения, относятся продолжающееся после точки z цикла тепловыделение, обусловленное догоранием топлива, и теплоотдача в стенки цилиндра, а также утечка газа, вызванная неплотностями.

Таким образом, расширение рабочего тела следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы . В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние показатели политропы расширения . На процесс расширения оказывают влияние следующие факторы: Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала сокращается время контакта рабочего тела со стенками цилиндра и утечки газа через зазоры между поршнем и цилиндром, что приводит к уменьшению значения ; Нагрузка, размеры цилиндров, конструкция камеры сгорания, техническое состояние двигателя.

К параметрам процесса расширения относятся давление и температура рабочего тела в конце расширения. Параметры начала расширения соответствуют максимальным значениям, достигнутым в ходе процесса сгорания. Начальные и конечные параметры рабочего тела в процессе расширения расчетного цикла связаны известными термодинамическими соотношениями:

Процесс выпуска. В процессе выпуска отработавших газов внутрнцилиндровую полость необходимо сообщать с атмосферой. Для этой цели используются выпускные устройства (клапаны). В четырехтактных двигателях выпускные клапаны открываются в такте расширения за 30—70° до НМТ. В первый период выпуска, начинающийся в точке и заканчивающийся после НМТ, происходит свободное истечение газов под действием больших перепадов давления ( ). Вследствие высоких скоростей истечения и больших проходных сечений в результате опережения открытия выпускного клапана в этот период из цилиндра удаляется значительная часть (до 60—70 %) отработавших газов.