Процесс наполнения. Параметры процесса.

Процесс наполнения состоит в поступлении в рабочий цилиндр за каждый цикл свежего заряда. В четырёхтактных дизелях процесс наполнения происходит за время первого такта при ходе поршня от ВМТ к НМТ, т.е. после окончания процесса выталкивания отработавших газов. В начале процесса (точка r) объём пространства сжатия заполнен отработавшими или так называемыми остаточными газами с давлением Pr превышающим давление окружающей среды Р0 вследствие наличия сопротивления в выпускной системе двигателя.

Рис. 3.1 – Индикаторная диаграмма процесса наполнения четырёхтактного ДВС

Остаточные газы расширяются сначала до давления Р0 (точка r0), после чего начинается всасывание свежего заряда при давлении ниже атмосферного вследствие наличия аэродинамических сопротивлений во впускной системе двигателя. В двухтактных двигателях процесс зарядки рабочего цилиндра в отличие от четырёхтактных производится за счёт принудительной подачи под давлением свежего заряда во время продувки. При этом для заполнения цилиндра свежим зарядом может быть использована только часть всего объёма цилиндра – объём Vs(1-ψs). Общая продолжительность процесса зарядки 2-т двигателя короче чем у четырёхтактного.

Рис. 3.2 – Индикаторная диаграмма процесса наполнения двухтактного ДВС

У четырёхтактных двигателей с наддувом давление в конце выпуска Pr. На участке r1r0r2 при одновременно открытых впускных и выпускных клапанах происходит продувка камеры сгорания. На участке ad от НМТ до закрытия впускного клапана возможна дозарядка.

Рис. 3.3 – Индикаторная диаграмма процесса наполнения четырёхтактного ДВС с наддувом

Свежий заряд, поступающий в цилиндр претерпевает следующие изменения:

1) Должен преодолеть аэродинамическое сопротивление во всасывающем трубопроводе и клапанах 4-т двигателя и в продувочной систем и окнах 2-т двигателя.

2) При смешивании с остаточными газами вступает с ним в теплообмен и нагревается до температуры Та, вследствие того, что температура остаточных газов Tr выше, чем у свежего заряда.

3) Подвергается некоторому подогреву на величину ΔТа при соприкосновении с внутренними горячими стенками цилиндра (днищем поршня, втулкой цилиндра, клапанами и т.д.).

4) Не может полностью вытеснить из цилиндра остаточные газы количество которых в 4-т ДВС определяется в основном объёмом камеры сжатия, а в 2-т ДВС – совершенством системы продувки.

В результате действительное количество свежего заряда, заполняющего рабочий объём Vh при давлении Ра и температуре Та в конце процесса наполнения будет меньше того количества, которое могло бы заполнить этот объём при давлении Р0 и температуре Т0 окружающей среды.

Критерием количественной оценки совершенства процесса наполнения цилиндра свежей смесью служит коэффициент наполнения ηн.

Коэффициент наполнения – это отношение действительного количества свежего заряда V0 сжимаемого в цилиндре к количеству заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объёме Vh при давлении Р0 и температуре Т0 окружающей среды

. (3.1)

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения являются следующие:

- давление в конце наполнения Pa;

- температура смеси в конце наполнения;

- давление Pr и температура Tr остаточных газов;

- коэффициент остаточных газов γr.

Давление в конце наполнения Pa зависит от аэродинамических потерь во всасывающей системе. Линия всасывания лежит всегда ниже атмосферной, наибольшее разрежение получается примерно на середине хода поршня, т.е. при максимальном значении скорости хода поршня.

Потеря давления на всасывании

, (3.2)

где - коэффициент;

ξ - коэффициент сопротивления впускной системы;

ωа – скорость заряда у клапанов;

fк - проходное сечение клапанов.

Потеря давления на всасывание данного двигателя прямо пропорциональна квадрату частоты вращения n и обратно пропорциональна квадрату проходного сечения клапанов fк.

Ориентировочно давление в конец наполнения можно определить по следующим соотношениям.

Для четырехтактных ДВС

без наддува	с наддувом
Pa= (0,85 ÷ 0,95) Р0	Па = (0,85 ÷ 0,95) Рk

Для двухтактных ДВС

МОД с контурной продувкой	СОД и ВОД с прямоточной продувкой
, МПа	Па = (0,85 ÷ 1,05) Рk

Коэффициент остаточных газов

Количество остаточных газов, оставшихся в цилиндре после окончания процесса выталкивания отработавших газов, характеризуется коэффициентом остаточных газов γr.

Коэффициент остаточных газов представляет собой отношение количества остаточных газов Mr (в молях) к количеству свежего заряда L (в молях)

. (3.3)

Необходимо стремиться к получению минимальных значений γr, так как с увеличением количества остаточных газов уменьшается коэффициент наполнения ηн.

На величину ηн оказывает влияние:

1) относительный объём, занимаемый остаточными газами в конце хода выталкивания, зависящий от ε.

2) давление Pr и температура Tr остаточных газов.

Коэффициент остаточных газов возрастает с увеличением Vc, т.е. с уменьшением ε и с увеличением давления остаточных газов Pr.

При увеличении противодавления на выпуске Pг увеличивается потерянная часть хода поршня на расширение остаточных газов (смещение точки r0), что приводит к уменьшению ηн.

При повышении температуры остаточных газов Tr уменьшается их плотность, а следовательно и их количество. Сама же величина Tr зависит от ε, нагрузки и частоты вращения двигателя. Очевидно, что с увеличением ε увеличивается и степень последующего расширения δ, следовательно уменьшается Tr.

В противоположность этому с увеличением нагрузки и оборотов увеличивается степень нагрева деталей в рабочем цилиндре, что приводит к повышению Tr.

Благоприятное влияние на уменьшение γr оказывает продувка камеры сжатия, т.е. перекрытие клапанов.

В 2-т двигателях величина γr зависит в основном от системы продувки и качества осуществления продувки цилиндра и степени быстроходности двигателя.

Значения параметра γr для выполненных конструкций ДВС находятся в следующих пределах:

4-т двигатели с наддувом γr = 0,04 ÷ 0,06;

4-т двигатели без наддува γr = 0,06 ÷ 0,08;

2-т двигатели с прямоточной продувкой γr = 0,10 ÷ 0,15;

2-т двигатели с контурной продувкой γr = 0,15 ÷ 0,20.

Температура остаточных газов находится в пределах

Tr = 600 ÷ 900 К.

Температура рабочей смеси

Температуру рабочей смеси Tа можно определить из уравнения баланса теплоты за период процесса наполнения

. (3.4)

Допустим из-за малости Mr.

Тогда уравнение (3.4) приобретёт следующий вид

. (3.5)

Выразим из (3.5) Tа

. (3.6)

Разделим в уравнении (3.6) числитель и знаменатель на L

. (3.7)

и, зная, что получим выражение для определения Tа

. (3.8)

Величина определяется по формуле

, (3.9)

где ΔTa = 10 ÷ 20° - для четырёхтактных ДВС;

ΔTa = 5 ÷ 10° - для двухтактных ДВС.

Коэффициент наполнения

Выражение для определения коэффициента наполнения ηн получим при следующих допущениях:

1) Процесс наполнения рабочего цилиндра заканчивается в точке а индикаторной диаграммы.

2) Кинетическая энергия газов в цилиндре после наполнения равна нулю.

3) Абсолютная работа, совершаемая газами за ход наполнения равна нулю.

4) Теплоёмкость свежего заряда и остаточных газов одинакова (при температурах наполнения).

Из уравнения материального баланса газа найдём количество рабочей смеси в конце процесса наполнения (точка а)

Ма = L + Mr = L (1 + γr), (3.10)

где L – количество свежего воздуха;

Mr – количество остаточных газов.

Заменив Ma и L из характеристического уравнения PV = MRT

, (3.11)

и подставив V0 = ηнVh получим

. (3.12)

Откуда

. (3.13)

Введя вместо Va = ε∙Vc и Vh = Vc (ε –1) найдём выражение для коэффициента наполнения

, (3.14)

. (3.15)

Для ДВС с наддувом вместо Р0 и Т0 подставим значения Pk и Tk

. (3.16)

Для двухтактного ДВС вместо геометрической степени сжатия ε стоит действительная степень сжатия εд и тогда

– коэффициент наполнения отнесённый к полезной части хода поршня

;

– коэффициент наполнения отнесённый ко всему ходу поршня

.