Процесс впуска

Процесс впуска сопровождается тепловыми и гидравлическими потерями (сопротивление всасывания, нагрев рабочего тела и др.). Поэтому поступает в цилиндр двигателя количественно меньший заряд, чем теоретический, т. е. чем заряд, в котором нет потерь из-за сопротивления и подогрева.

Итак, теоретическим зарядом называется то количество газов, которое поступило бы в цилиндр при давлении р₀ и температуре Т₀, отвечающих давлению и температуре окружающего воздуха.

Процесс впуска оценивается коэффициентом наполнения , который представляет собой отношение действительного весового количество заряда, поступившего в цилиндр, к теоретическому, т. е.

. (21.а)

Если разделить числитель и знаменатель правой части на плотность заряда ρ ₀ при нормальных атмосферных условиях, то получим

(21.б)

где V₁ – объем свежего заряда при р ₀ и Т ₀, засосанного двигателем за один цикл; V_h – рабочий объем цилиндра.

Следовательно, коэффициент наполнения представляет собой отношение объема, засосанного за один цикл свежего заряда V₁ при давлении р ₀ и Т ₀ окружающей среды, к рабочему объему цилиндра V_h.

Связь между давлением конца впуска (всасывания) р_а, коэффициентом наполнения η _v и другими параметрами процесса впуска определяется из уравнения теплового баланса, учитывающего тепло, содержащееся в смеси свежего заряда и в остаточных газах в цилиндре для конца процесса всасывания.

Количество тепла в остаточных газах равно

Q_r= M_rC_vrT_r, (22)

где M_r - число молей остаточных газов; C_vr - теплоемкость одной моли остаточных газов при постоянном объеме; T_r - абсолютная температура остаточных газов.

Количество тепла в свежем заряде определяется аналогично

Q₁= M₁C_v1T_o ^′, (23)

где M₁ - число молей свежего заряда; C_v1 - теплоемкость одной моли свежего заряда при постоянном объеме; T_o^’ – абсолютная температура свежего заряда в момент поступления в цилиндр, которая выше температуры окружающей среды на 10 – 35⁰ (для дизелей на 10 – 15⁰) за счет подогрева всасывающей трубы (в карбюраторных двигателях) и за счет тепла впускного клапана (у дизельных двигателях).

Суммарное количество тепла в смеси газов в конце всасывания будет

Q_a= M_аC_vаT_а, (24)

где M_а – число молей остаточных газов и свежего заряда в конце процесса впуска (M_a = M_r+M ₁); C_vа – теплоемкость смеси газов при постоянном объеме в конце всасывания; T_а – температура смеси газов в конце всасывания (при положении поршня в н. м. т.).

Баланс тепла газов в цилиндре имеет вид

M_rC_vrT_r + M ₁ C_{v 1} T_o^’ = M_аC_vаT_а. (25)

Теплоемкости молей, C_vr, C_vа и C_{v 1} незначительно отличается между собой (для двигателей высокого сжатия – дизелей на 4-5%) поэтому можно считать, что C_vr = C_{v 1} = C_vа = C_v и на этот множитель уравнение (16) можно сократить.

Учитывая характеристическое уравнение газов рV =8485 MT, можно написать

M_r = ; M ₁ = ^. η_v и М_а = .

где р_r – давление газов в цилиндре в конце процесса выпуска, МПа; V_r – объем остаточных газов, который равен объему сжатия (V_r=V_c) м³; p_a - давление смеси газов в конце процесса впуска, МПа; V_а – общий объем цилиндра, равный сумме объемов сжатия и рабочего (V_а=V_c+V_r) м³.

Влияние потерь и подогрева учитывается коэффициентом наполнения, поэтому т.е. число молей свежего заряда равнялось бы теоретическому умноженному на коэффицент наплнения

М ₁= = M _теор∙ η_v. (26)

После подстановки этих значений в последнее выражение для р_а, получим

, МПа. (27)

Потеря давления за счет сопротивлений впускной системы будет равна ∆p_а= p_о - p_а где p_о – атмосферное давление; p_а – давление в точке «а».

Величина ∆р_а может быть определена при некотором приближении из уравнения Бернулли по формуле

МПа,

где ξ – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ω – скорость поступающего свежего заряда в проходном клапане в м/сек; ρ_к, ρ_о – плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при p_к=p_о и ρ_к= ρ_о).

Значение для (β² + ξ_вп) = 2,5…4,0 и ω_вп = 50…130 м/с.

Величина ∆р_а у четырехтактных двигателей без наддува равна

∆р_а = (0,10÷0,25) р_а,

давление в конце впуска (точка «а») будет колебаться

р _а= р_о – ∆р_а,

р_а = р_к – ∆р_а.

Для автотракторных двигателей при нормальных режимах работы p_а находится в пределах 0,075÷0,09 МПа. Низкие значения относятся к газогенераторным двигателям, средние – к карбюраторным и более высокие – к дизельным двигателям.

Из уравнения (27) можно получить формулу для определения коэффициента наполнения

. (28)

Коэффициент наполнения зависит от оборотов, от давления в конце впус-ка р_а, от давления остаточных газов р_r, от выбора фаз газораспределения, т. е. от моментов открытия и закрытия впускного клапана, а также от профиля кулачка.

Чем выше величина , тем более совершенный процесс наполнения цилиндра свежим зарядом, следовательно, тем большая мощность, получаемая с единицы рабочего объема цилиндра. Величина для карбюраторных двигателей при полном открытии дросселя равна 0,70-0,9, а для дизелей 0,8-0,97.

На изменение коэффициента наполнения влияют частота вращения двигателя, при малых частотах вращения уменьшается из-за того, что для этих оборотов фазы распределения велики, т. е. уменьшается скорость поступления газа в цилиндр и скоростной напор.

При увеличении частоты вращения увеличивается аэродинамическое сопротивление движению газового потока в цилиндр, ухудшается наполнение свежим зарядом. Так как падение давления изменяется примерно по квадратичной зависимости от частоты вращения, а скорость потока – по линейной зависимости, то кривая имеет выпуклую форму.

Давление остаточных газов p_r зависит от аэродинамического сопротивления, которое возрастает с увеличением частоты вращения двигателя.

Профессор В.А.Петров на основании экспериментальных данных получил эмпирическую формулу для определения давления остаточных газов p_r от числа оборотов двигателя, которая имеет вид

p_r = p_о +А∙10^-4n∙10^-1, [МПа],

где р_о – атмосферное давление, МПа; А – коэффициент, учитывающий частоту вращения двигателя и размерность (А = 0,055 МПа мин/об.).

Качество очистки цилиндра от отработавших газов для лучшего заполнения его свежим зарядом оценивается коэффициентом остаточных газов, который равен отношению количества остаточных газов M_r к количеству свежего заряда M₁, т. е.

. (29а)

Принимая во внимание, что M_r = и M ₁= ^. η_v коэффициент остаточных газов приобретает следующий вид

. (29б)

Из уравнения (20) видно, что чем больше степень сжатия ε, тем меньше коэффициент остаточных газов (это зависит от объема ). Кроме того, коэффициент γ_r уменьшается с уменьшением давления остаточных газов p_r, а следовательно, тем больший коэффициент наполнения .

Коэффициент остаточных газов составляет: для карбюраторных двигателей γ_r = 0,08÷0,12 и для дизелей γ_r = 0,03÷0,05.

Температура конца процесса впуска Т_а определяется из равенства количества остаточных газов и нового заряда количеству смеси газа в конце впуска , т. е.

.

Учитывая вышеуказанные зависимости, получим

. (30)

Из этой формулы видно, что температура смеси газов в конце впуска Т_а зависит от температуры окружающей атмосферы, степени сжатия, коэффициента остаточных газов γ_r и коэффициента наполнения , а также от отношения p_a/p_o.

Температура остаточных газов колеблется в пределах: для карбюраторных двигателей от 800 до 1000, для дизелей – от 700 до 900⁰.

Температура конца процесса впуска Т_а изменяется: для карбюраторных двигателей – от 350⁰ до 425⁰, для дизельных двигателей – от 310⁰ до 350⁰.