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