Лекция 4. Процессы наполнения и сжатия. Влияние эксплуатационных факторов и эксплуатационный контроль – 2час.

 

В 4ех тактных с наддувом и без наддува процесс наполнения протекает по разному.

В конце процесса наполнения кол-во воздуха, которое может поместиться в рабочем объеме цилиндра V_s при параметрах характеризующих состояние воздуха p_{s и} Т_s принимают за теоретическое.

Действительное количество воздуха меньше из-за:

- аэродинамических потерь во впускном тракте;

- наличия остаточных газов;

- подогрева поступающего воздуха остаточными газами (Т_г > Т_s)

- подогрева воздуха от соприкосновения со стенками втулки цилиндра, поршнем, клапанами.

 

Заряд цилиндра – это смесь воздуха и остаточных газов.

 

G_a = G_L + G_r;

После сгорания топлива масса продуктов в результате сгорания:

G_м = G_а + g_ц;

g_ц – цикловая подача топлива.

Смотри схему баланса газов в процессе газообмена (рис.1).

 

Выпускные газы уходящие из цилиндра:

 

G_т = G_г + G_φ; G_г= G_м + G_r

 

Процесс газообмена сложный, поэтому в теории ДВС используется целый ряд показателей характеризующих этот процесс.

Критерии количественной оценки совершенства процесса наполнения следующие:

- коэффициент остаточных газов γ_r –

это отношение массы остаточных газов к массе воздуха в составе заряда цилиндра.

 

γ_r = M_r/L = G_r/G_L (кмоль/кг);

 

 

_{Рис. 1 Схема баланса газов в продукте газообменов цилиндре двухтактного двигателя}  

 

Значения коэффициента остаточных газов:

4ех тактн.	Без наддува	MOD	COD	BOD
		-	0,03 – 0,05	0,04 – 0,06
	С наддувом	-	0,01 – 0,02	0,02 – 0,04
2ух тактн.	Контурно продувка	0,08 – 0,15	0,13 – 0,20	0,15 – 0,25
	Прямоточно-клапанная	0,02 – 0,08	0,06 – 0,12	0,10 – 0,15
	Прямоточно-щелевая	0,03 – 0,05	0,04 – 0,06	0,05 – 0,08

 

- коэффициент наполнения η_Н

η_Н = V_k / V_s = G_L / (V_s ρ_s)= G_L R_s T_s/V_sp_s;

 

V_k – действительное количество воздуха поступившего в цилиндр;

V_s – количество, которое могло бы заполнить цилиндр при  p_{з и} Т_з.

 

Если принять, что дозарядки нет, процесс наполнения заканчивается в точке "а" индикаторной диаграммы, и теплоемкости воздуха и смеси одинаковы, то уравнение материального баланса и уравнения состояния будут следующие:

 

G_a = G_L + G_r= G_L (1+ γ_r);

 

G_a = p_aVa/RT_a;

 

Масса воздуха:         G_L = p_sV_s/RT_s = p_sV_s η_Н/(RT_s);

 

p_aV_a/(RT_a) = p_sV_s η_Н(1+ γ_r)/(RT_s);

отсюда

 

η_Н = (V_a/V_s)(p_a/p_s)(T_s/T_a)(1/(1+ γ_r));

 

Выразим отношение объемов через степень сжатия.

Геометрическая степень сжатия:

ε_г = (V_c + V_s)/V_c;

Действительная степень сжатия:

 

ε = V_a/V_c = (V_c+ V_s(1–ψ_a))/V_c;

 

ε = ε_геом(1 - ψ_a) + ψ_a;

В 4ех тактных считают, что процесс сжатия начинается в НМТ, т.е. ψ_a= 0.

 

ε = ε_г;

 

V_a = ε V_с;

 

V_s = (ε – 1) V_c/(1- ψ_a)

 

Подставив V_a  и V_s в формулу η_Н получим

 

η_Н= (ε/(ε - 1)) (p_a/p_s)(T_s/T_a)(1/(1+ γ_r))×(1– ψ_a)

 

Эта формула справедлива и для 4-х тактных и для 2-х тактных. Для 2-х тактных коэффициент наполнения отнесенный к рабочему объему цилиндра Vs. Коэффициент наполнения отнесенный к полезной части рабочего объема V_s(1 - ψ_a)

 

η'_Н= (ε/ (ε - 1)) (p_a/p_s)(T_s/T_a)(1/(1+ γ_r));

 

η_Н= η'_Н (1 - ψ_a);

 

Согласно опытным данным p_а суд. дизелей

 

4ех тактн.	Без наддува	Тихоходные	(0,90 – 0,95)p0
	Без наддува	Быстроходные	(0,80 – 0,90)p0
	С наддувом		(0,85 – 1,1)ps
2ух тактн.	C прямоточными схемами		(0,9 – 1,1)ps
	С контурными схемами		(0,85 – 1,05)ps

 

Температура конца наполнения Т_а может быть определена как температура смеси из уравнения теплового баланса

 

Т_а = (T_s+ΔT+ γ_rT_r)/(1+ γ_r);

 

ΔT = 5 – 10^oC – 2-х тактн.;

ΔT = 5 – 20^oC – 4-х тактн.;

T_r = 700 – 800 К;

 

Масса воздуха в составе заряда

 

G_L= ρ_sV_s η_Н;

где ρ_s – плотность воздуха.

 

ρ_s = p_s/R_sT_s;

 

Для повышения плотности ρ_s повышают p_s и понижают T_s. Используют компрессоры системы наддува, ОНВ. В тропиках температура воздуха выше: T_s↑, ρ_s↓, N_e ↓. Необходимо учитывать и влажность воздуха

 

G_L = V_s ρ_s η_Н(1/(1+1.61d));

 

α – влагосодержание (отношения массы водяного пара к массе сухого воздуха, Кг/Кг).

 

4ех тактн.	С наддувом быстроходные	0,85 – 0,95
	Без наддува быстроходные	0,75 – 0,85
2ух тактн.	(к полному ходу поршня)	0,65 – 0,85

Коэффициент наполнения η_Н

 

Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на η_Н

1. При увеличении ε коэффициент наполнения понижается

2. Отношение p_a/p_s показывает влияние аэродинамических потерь в впускном тракте. Чем больше потери, тем ниже p_a/p_s.

3. T_s /Т_а показывает уровень подогрева от стенок и перемешивается с остаточными газами

p_a/p_s - T_s/Т_а = ρ_a/ρ_s

 

4. 1/(1+ γ_r) – показывает влияние качества очистки.

5. (1 - ψ_a) – влияние доли потерянного хода поршня.

 

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

 

При уменьшении "n" увеличивается потеря заряда и уменьшается η_Н.

При увеличении "n" увеличивается аэродинамическое сопротивление в впускных органах и ухудшается качество очистки (меньше времени на протекание процесса), уменьшается η_Н..

ДВС проектируют и доводят так, чтобы на наиболее длительном режиме η_Н был максимальным.

Коэффициент продувки – это отношение массы воздуха, поступающего в цилиндр за цикл к массе воздуха, оставшегося в составе заряда.

φ_а = G_s/G_L = G_s/(V_s ρ_s η_Н)

 

откуда                                 G_s=V_s ρ_s η_Н φ_а

 

Таким образом при известном коэффициенте продувки φ_а (и коэффициенте наполнения η_Н) расход воздуха через дизель и соответственно подача компрессора могут быть определены через размеры цилиндра.

 

 

Процесс сжатия.

 

    В конце процесса сжатия достигается температура, достаточная для воспламенения топлива.

Действительный процесс сжатия является не адиабатным

а политропным

.

Реальный показатель политропы процесса сжатия переменный:

Основные параметры, которые характеризуют процесс сжатия:

- показатель политропы; - давление сжатия; - температура в конце сжатия; ε- степень сжатия.

Показатель политропы.

    В начале процесса (из- за подвода теплоты +Q от стенок цилиндра). Затем когда температура заряда станет выше температуры стенок  , из- за отвода теплоты охлаждающей воде (-Q).

    Величина показателя политропы зависит от частоты вращения, размеров цилиндра, нагрузки, интенсивности охлаждения поршня, плотности уплотнительных поршневых колец.

 

 

Влияние частоты вращения на

    C повышением частоты вращения уменьшается продолжительность теплообмена со стенками цилиндра за цикл (

    При понижении оборотов ДВС показатель политропы сжатия снижается (. При этом снижается и  и .

    У ДВС с небольшими размерами цилиндра при пониженных частотах вращения показатель  снижается резко. Давление и температура в конце сжатия  и  уменьшаются. Ухудшается запуск, поэтому у таких ДВС увеличенная степень сжатия.

Влияние нагрузки.

С увеличением нагрузки