Процес впуску

 

Процесом впуску звичайно називають процес наповнення циліндра двигуна свіжим

зарядом. Цей процес трохи відрізняється для двигунів без наддуву і з наддувом.

 

 

На рис. 3.3,а представлено у p,V-координатах процес зміни тиску при впуску в

чотиритактному (1.8) ДВЗ без наддуву (1.17). Крива 1-r-4-a-2 показує дійсну зміну тиску в

процесі впуску. Точка 1 відповідає моменту відкриття впускного клапана, що звичайно

відбувається за 10ч35є за кутом повороту колінчастого вала до приходу поршня у ВМТ (1.19), а

точка 2 – закриття цього клапана. Момент закриття відповідає положенню кривошипа через

40ч85є після проходження НМТ (1.20). Випускний клапан закривається через 10ч30є після ВМТ

(точка 4).

Тиск p_rвідповідає розрахунковому значенню тиску залишкових газів. При проведенні

розрахунків передбачається, що тиск залишкових газів у ВМТ різко падає до значення p_aі надалі

в процесі впуску при русі поршня до НМТ цей тиск зберігається постійним.

Для ДВЗ з наддувом (1.16) від приводного нагнітача (рис.3.3,б) тиск у випускній системі

рвип такий самий, як у ДВЗ без наддуву. Тому тиск на лінії впуску r-a вищий, ніж на лінії

випуску, але нижчий від тиску наддуву рк внаслідок опору у впускній системі

Для двигунів з газотурбінним наддувом (рис.3.3,в,г) середній розрахунковий тиск у

процесі впуску p_aзвичайно перевищує тиск залишкових газів, і, природно, менше тиску pк^,яке

створює компресор.

Попереднє відкриття впускного клапана забезпечує досягнення достатньої площі його

прохідного перетину при досягненні ВМТ, а також для продувки двигунів з наддувом. У

двигунах з наддувом це дозволяє полегшити очищення циліндра від залишкових газів. Вплив

продувки кількісно оцінюють за допомогою коефіцієнта очищення ϕоч^.Його величина залежить

від наддуву, швидкісного режиму двигуна і тривалості перекриття клапанів. Цей коефіцієнт

враховується тільки при розрахунку двигунів з наддувом. Для двигунів без наддуву приймають

ϕоч = 1,0. Закриття впускного клапана після проходження поршнем НМТ завдяки інерційності

повітря у впускній системі дає можливість поліпшити наповнення циліндрів (дозарядка) на

номінальному режимі на 10ч15%, тобто вважати, що коефіцієнт дозарядки ϕдоз = 1,1ч1,15. У той

же час необхідно враховувати, що при малій частоті обертання дозарядка погіршується і навіть

може відбуватися зворотний викид частини заряду (до 5%) з циліндрів двигуна (ϕдоз = 0,95).

Коефіцієнт дозарядки на номінальному режимі звичайно приймається рівним одиниці.

Тиск і температура навколишнього середовища (повітря) у розрахунках приймаються

p₀= 0,1 МПа і T₀ = 298 K для двигунів без наддуву. У двигуни з наддувом повітря надходить з

компресора, тому тиск повітря pк і температура Tк дорівнюють тиску і температурі повітря за

компресором чи охолодником повітря (якщо такий установлений).

 

 

 

Рисунок 3.3. Діаграма процесів впуску та випуску

а – без наддуву, б – з наддувом від приводного нагнітача, в – з газотурбінним наддувом

при рк<рвип, г – з газотурбінним наддувом при рк>рвип

 

 

У відповідності зі ступенемнаддуву (3.1) приймаються наступні значення тиску

наддувного повітря:

- при низькому наддуві

- при середньому наддуві

- при високому наддуві

рк ≤ 1,5·p₀;

рк = (1,5ч2,2)·p₀;

рк = (2,2ч2,5)·p0.

Температура повітря за компресором Тк^,К, обчислюється за рівнянням політропи:

 

n−1

⎛ p ⎞ n n−1

=

T T

к ⎟⎟ = Т ⋅π

n ,

к

 

де рк – тиск після компресора, МПа:

0 ⎜⎜⎝

p₀⎠

к

 

 

 

де πк – ступінь підвищення тиску;

 

 

рк ⁼р₀ · πк^,

n – показник політропи стиску компресора:

- для поршневих нагнітачів

n = 1,4ч1,6;

- для об'ємних (гвинтових і ін.) n = 1,55ч1,75;

- осьових і відцентрових

n = 1,6ч1,8.

 

Глибина охолодження в охолоднику наддувного повітря (ОНП) ΔТОНП, К:

 

ΔТОНП ⁼Тк – Тк’ ,

 

де Тк’ – бажана температура заряду на вході в циліндри, К, Тк’ = 360ч370 К.

Якщо ΔТОНП < 20 К, то застосування ОНП недоцільне. У цьому випадку необхідно

відкоригувати ступінь підвищення тиску чи ступінь стиску двигуна.

Для двигунів з ОНП необхідно перевірити можливість охолодження повітря до

рекомендованих меж. Мінімальну температуру Тк’’, К, до якої можна остудити наддувне повітря

за даних умов і обраного типу ОНП, визначають за формулою:

 

Тк’’ = Тк – EО^{· (}Тк – Тохол^),

 

де EО – термічна ефективність ОНП, EО = 0,46ч0,48 для рідинно-повітряних охолодників,

EО = 0,64ч0,77 для повітря-повітряних;

Тохол – температура охолодного агента, К, Тохол = 340ч362 К для рідинно-повітряних

охолодників, Тохол = Т0 для повітря-повітряних.

Якщо Тк’’ > Тк’, то необхідну температуру на виході одержати неможливо. У цьому

випадку необхідно вибрати інший тип ОНП або відкоригувати ступінь підвищення тиску.

 

У циліндрах двигунів після випуску завжди залишається деяка частина залишкових газів.

Відносний об`єм цих газів визначається типом і характеристиками клапанної системи,

гідравлічних опорів системи випуску, фаз газорозподілу, системи наддуву, швидкості обертання

і ряду інших факторів. Тиск залишкових газів pr в автотракторних двигунах без наддуву

приймають рівним (1,05ч1,25)·p₀. Якщо для наддуву використовується газова турбіна на виході,

то приймають:

p_r= (0,75 ч 0,98) ⋅ pк^.

 

Для різних швидкісних режимів двигунів проводять корекцію значення p_rіз врахуванням

частоти обертання колінчастого вала n відповідно до виразу:

 

n²

p

r

=

1,035

⋅ p₀+ (

p

rN

−

1,035

)

⋅ p₀⋅

n_N

,

 

де p_rN – тиск залишкових газів на номінальному режимі, Па;

n_N – номінальна частота обертання, 1/хв.

Температура залишкових газів Тr визначається ступенем стиску, частотою обертання і

коефіцієнтом надлишку повітря. Її чисельне значення звичайно приймають для бензинових

двигунів у діапазоні Т_r= 900ч1100 К, для дизелів Т_r= 600ч900 К, для газових Т_r= 750ч1000 К.

Варто враховувати, що з ростом ступеня стиску температура залишкових газів звичайно

знижується.

 

Тиск наприкінці впуску p_aвизначає масу заряду, що надходить у циліндри двигуна, і

обчислюють за виразами (відповідно для двигунів без наддуву і з наддувом):

 

= − Δ

p p p

 

= − Δ

або p p p ,

a

a

a

к

a

 

де Δp_a – втрати тиску на впуску, МПа. Чисельні значення Δp_aрекомендується приймати в

наступних межах:

- бензинові і газові двигуни Δpa = (0,05ч0,20)·p0;

- дизелі без наддуву

- двигуни з наддувом

Δpa = (0,03ч0,18)·p0;

Δpa = (0,03ч0,1)·pк.

Зі зменшенням частоти обертання величина Δp_aзнижується. Для розрахунків режимів

роботи двигунів, що відрізняються від номінального, використовується залежність, яка враховує

швидкість обертання двигуна:

 

Δp = (β 2 + ζ )⋅^wn

 

вп. ⋅ ⋅ p

−6

a

n_N

к

⋅10 ,

 

де β – коефіцієнт загасання швидкості руху заряду;

ζ – коефіцієнт гідравлічного опору системи впуску;

wвп – швидкість руху повітря в системі впуску.

У сучасних двигунах швидкість повітря в системі впуску на номінальному режимі складає

50ч130 м/с; β2 ₊ζ = 2,5ч4,0.

Температура підігріву свіжого заряду ΔT враховує його нагрів від деталей двигуна.

Величина підігріву ΔT залежить від конструктивних особливостей двигуна і впускної системи. У

залежності від типу двигуна рекомендуються для розрахунків на номінальному режимі наступні

її значення:

ΔT = 0ч20 К – для бензинових і газових двигунів;

ΔT = 10ч40 К – для дизелів без наддуву;

ΔT = (-5)ч(+10) К – для двигунів з наддувом.

Зміна величини підігріву свіжого заряду в залежності від швидкості обертання

враховується наступною залежністю:

ΔT = A_T⋅ (110 − 0,0125⋅ n),

де

ΔTNA=; −0,0125110NT⋅n(

де ΔTN – температура підігріву свіжого заряду на номінальному режимі, К.

 

Коефіцієнт залишкових газів γ_rхарактеризує якість очищення циліндрів від продуктів

згоряння. З його збільшенням зменшується маса свіжого заряду, що надходить у двигун. Для

чотиритактних двигунів його чисельне значення визначається наступним виразом:

 

 

к

 

T

 

⋅ p

γ

r

=

T₀( )⁺Δ ⋅

ε ⋅ϕ

ϕ

оч r

ϕ

,

T

r

⋅ p − ⋅

p

доз a оч r

де Т₀₍к) ⁼Т₀для двигунів без наддуву; Т₀₍к) ⁼Тк для двигунів з наддувом; Т₀₍к) ⁼Тк’ для

двигунів з наддувом і ОНП.

При застосуванні системи рециркуляції відпрацьованих газів значення γr не обчислюють,

а задають з діапазону γr = 0,08ч0,12.

 

 

Для бензинових і газових двигунів без наддуву γr = 0,04ч0,1, а для дизелів без наддуву –

γr = 0,02ч0,05.

Температура наприкінці впуску Та залежить від перелічених вище факторів (температури

робочого тіла, коефіцієнта залишкових газів, ступеня підігріву заряду, температури залишкових

газів) та визначається виразом:

 

+ Δ + γ

T

а

=

к

T₀( )

T

+ γ

 

r

T

r r

.

 

Для сучасних чотиритактних двигунів її чисельне значення звичайно складає:

- бензинові двигуни

- дизелі

- двигуни з наддувом

- газові

Та=320ч370 К;

Та=310ч350 К;

Та=320ч400 К;

Та=350ч400 К.

 

Коефіцієнтнаповненняη_v(3.2) являє собою відношення дійсної маси свіжого заряду до

тієї кількості, що могла бути в циліндрі при тиску і температурі середовища, з якого надходить

цей заряд (для двигунів з наддувом за параметри стану на вході у циліндр приймають тиск і

температуру після компресора або охолодника повітря):

 

 

η

 

 

=

 

 

к

 

 

⋅

 

ϕ

 

ϕ

⋅ ε ⋅ p − ⋅

 

p

v

T₀( )

+ Δ

T

доз

(ε

a оч r_,

)

− 1 ⋅

к

T₀( )

к

p₀( )

 

де р₀₍к) ⁼р₀для двигунів без наддуву і р₀₍к) ⁼рк для двигунів з наддувом.

 

Для сучасних автотракторних двигунів коефіцієнт наповнення ηv лежить у межах:

- бензинові карбюраторні двигуни

η_v = 0,7ч0,9;

- бензинові двигуни із електронним впорскуванням η_v = 0,8ч0,96;

- дизелі

- двигуни з наддувом

- газові