Двигатели внутреннего сгорания

волновые процессы во впускной и выпускной системах. На рис.6 показано изменение отдельных факторов, влияющих на ηu, в зависимости от частоты n вращения коленчатого вала. С повышением n сопротивление впускной системы возрастает пропорционально квадрату частоты вращения вала, в результате давление Ра (кривая 3) снижается. Температура подогрева заряда ΔТ (кривая 4) уменьшается вследствие сокращения времени теплообмена. Коэффициент остаточ-ных газов несколько увеличивается. В результате слияния всех этих факторов на скоростном режиме, для которого фазы газораспределения являются оптимальными, ηu имеет максимальное значение. С повышением частоты вращения ηu (кривая 1) растёт, а затем, после максимального значения снижается. Аналогично изменяется и количество воздушного заряда G3 (кривая 2), поступающего в цилиндры двигателя. Уменьшение ηu от максимального значения при снижении частоты вращения объяс-няется несоответствием выбранных фаз скоростному режиму и выталкиванием за-ряда в конце впуска обратно во впускную систему, а при повышении частоты вра-щения – увеличением сопротивления на впуске и влияние других факторов.

Коэффициент остаточных газов r (кривая 5) при повышении частоты вращения линейно растёт. На рис.7 показана зависимость для дизеля и карбюратор-ного двигателя. Кривая 3 характеризует изменение ηu для карбюраторного двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке. При уменьшении нагрузки, когда дроссельная заслонка приоткрыта, а сопротивление впускной системы увеличивает-ся, с повышением частоты вращения коэффициент ηu уменьшается более интенсив-но (кривые 4 и 5).

Для дизеля при полной нагрузке коэффициент наполнения больше (кривая 2), чем для карбюраторного двигателя, а характер изменения ηu более плавный на ре-жиме холостого хода из-за меньшего подогрева заряда ηu дизеля больше (кривая 1), чем при работе под нагрузкой.

В определённом диапазоне частот вращения коленчатого вала коэффициент на-полнения ηu можно повысить при использовании колебательного движения воздуха и газа во впускном и выпускном трубопроводах, приводящее к изменению давления. При настройке выпускной системы таким образом, чтобы к концу выпуска в ней образовалось разряжение, количество отработавших газов, удаляемых из цилиндра, увеличивается, а r уменьшается. При этом в цилиндры поступит больше свежего заряда. Аналогичный эффект можно получить, если к концу впуска в трубопроводе у впускного клапана давление будет выше атмосферного. Такой метод увеличения массы заряда получил название инерционного наддува.

Влияние степени сжатия.

Повышение степени сжатия Е при сохранении других показателей без измене-ния приводит к возрастанию коэффициента наполнения. Заметим, что при увеличе-нии Е и другие параметры (коэффициент и температура остаточных газов, темпера-тура заряда и т.п.). В зависимости от того, какой из факторов оказывает большее влияние, ηu с изменением Е может увеличиться или уменьшиться. Эксперименталь-ные исследования показывают, что степень сжатия на ηu влияет незначительно.

Влияние диаметра цилиндра и расположение клапанов.

Цилиндр большого диаметра позволяет осуществить размещение клапанов с небольшими проходимыми сечениями, что способствует снижению гидравлических потерь и повышению коэффициента наполнения. Получившее в настоящее время широкое распространение короткоходные двигатели (двигатели, в которых отноше-ние хода поршня к диаметру цилиндра меньше единицы) имеют сравнительно большой диаметр цилиндра. Это позволяет размещать в головках цилиндров клапа-ны большого диаметра при их верхнем расположении. Верхнее расположение кла-панов и аэродинамическая форма впускных клапанов дают возможность снизить гидравлическое сопротивление, а следовательно, и увеличить коэффициент напол-нения.

Влияние фаз газораспределения.

Рассмотрим влияние фаз газораспределения на характер зависимости . Оно проявляется главным образом через угол запаздывания закрытия впускного клапана.

Известно, что на повышенных скоростных режимах при определённом угле за-крытия впускного клапана происходит дозаряд цилиндра, увеличивающий ηu. При низких частотах вращения коленчатого вала при том же угле возможно выталкива-ние части свежего заряда из цилиндра, что снижает коэффициент наполнения. Сле-довательно, изменение угла запаздывания закрытия впускного клапана, изменяя ин-тенсивность дозарядки и выталкивания, оказывает влияние на характер протекания кривой .

На рис.8 приведены зависимости ηu от частоты вращения коленчатого вала при раннем (кривая 1) и позднем (кривая 2) закрытии впускного клапана. В послед-нем случае максимум ηu смещается в сторону высоких n.

Выбор фаз экспериментным путём обеспечивает оптимальные условия напол-нения цилиндра свежим зарядом только для определённого интервала изменения скоростного режима двигателя.

В таблице 1 приведены фазы газораспределения отдельных автомобильных двигателей.

Процесс сжатия.

Рабочее тело, представляющее к концу процесса наполнения смесь подвергает-ся сжатию. Сжатие рабочего тела предшествует процессу сгорания топлива.

Одним из основных параметров, определяющих развитие процессов сжатия и всего цикла в целом, является степень сжатия Е. Чем выше степень сжатия, тем при прочих равных условиях выше степень расширения газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Соответственно этому расширяются пределы изменения состоя-ния рабочего тела, что повышает степень преобразования теплоты в работу.

Для повышения термодинамических показателей цикла степень сжатия стре-мятся увеличить. Однако в реальных условиях Е ограничена в зависимости от типа двигателя, его конструкций и условий применения. Для карбюраторных двигателей степень сжатия ограничивается детонацией, вероятность возникновения которой повышается с ростом температуры и давления конца сжатия и в процессе сгорания топлива. Для карбюраторных двигателей Е=6-10; для дизелей Е=13-23,5. Мини-мальное значение степени сжатия дизеля определяется условиями надёжного вос-пламенения топлива. Поэтому необходимо, чтобы температура самовоспламенения топлива не менее чем на 200-300К. Максимальное значение Е для дизелей определя-ется выполнением условий обеспечения заданной надёжности двигателя.

При рассмотрении теоретических циклов предполагали, что процесс сжатия ра-бочего тела развивается без теплообмена (адиабатически). В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер и сопровождается переменным теплообме-ном между рабочим телом и стенками цилиндра. Кроме того, в процессе сжатия происходит утечка рабочего тела через неплотности поршневых колец и клапанов, а в карбюраторном двигателе – испарение части топлива, поступившего в цилиндр в капельно-жидком состоянии. В этих условиях процесс сжатия является политроп-ным с переменным показателем политропы n'.

Изменение n' во время процесса сжатия приведена на рис.9 (здесь показано также изменение температуры рабочего тела и показателя адиабаты R). В начальный период сжатия температура рабочего тела ниже температуры стенок цилиндра. На рассматриваемом участке процесса повышения температуры и внутренней энергии рабочего тела происходит не только в результате повода теплоты от стенок, но и за счёт работы сжатия, причём показатель политропы n' больше показателя адиабаты R. По мере повышения температуры рабочего тела интенсивность подвода теплоты снижается, а показатель политропы сжатия уменьшается, причём его значение при-ближается к значению показателя адиабаты R. В момент, когда температура рабоче-го тела сравнивается с температурой стенок, теплообмен на мгновение прекратится.

При дальнейшем сжатии температура рабочего тела превышает температуру стенок. Тепловой поток изменяет направление – рабочее тело отдаёт теплоту стен-кам, показатель политропы становится меньше показателя адиабаты (n'