Розрахунок площі прохідного перерізу горловини впускного клапана

Максимальну площу прохідного перерізу горловини впускного клапана визначають за умови нестискуваності газу, що протікає в горловині, при максимальному підйомі клапана і для режиму номінальної частоти обертання колінчастого вала за формулою [4]:

(3.2)

де V′ – швидкість потоку газу в горловині клапана, м/с;

Vп.с. – середня швидкість поршня, м/с;

F _n = π·D² / 4 – площа дна поршня, м²;

i – кількість однойменних (впускних або випускних) клапанів у циліндрі. Переважно і = 1.

У сучасних автомобільних двигунах середня швидкість заряду в горловині впускного клапана на режимі максимальної потужності двигуна

V _вп ′ = 40...80 м/с. Для бензинових двигунів слід приймати для впускних клапанів V_вп′ ≥ 40 м/с, а для випускних – V_вип′ = 70...100м/с. Для двигунів з наддувом середні швидкості повітря і газів у горловинах клапанів не повинні перевищувати 100 м/с.

Згідно з формулою (3.2) виконаємо чисельні розрахунки для впускного клапана при наступних вихідних даних: =18,6 м/с,

F_n = 0,00374 м², і = 1, V _вп ′ = 80 м/с:

= = 0,000868м²= 8,68 см².

Враховуючи, що через горловину проходить стрижень клапана, її площу звичайно приймають:

= (1,1…1,2) . (3.3)

При максимальному значенні коефіцієнта у формулі (3.3) знаходимо площу перерізу горловини клапана:

=1,2· = 1,2·8,68 = 10,416 см².

Діаметр горловини:

; (3.4)

мм.

Прийнявши для нашого прикладу γ = 30⁰, h_max≈ 0,26· d_г, знаходимо:

h _max = 0,26·36,41 = 9,47 мм.

Достатність максимального прохідного перерізу клапана перевіряється другою середньою швидкістю газу V _г ″ (обмежує висоту підйому клапана в припущенні, що весь період дії відкритий максимально), за формулою [4]:

V _г ″ = · F _n / F_{к. max} ·i. (3.5)

З рисунку 3.1 величину прохідного перерізу клапана може бути визначено також за формулою:

F к = π· h (d _г ·cosγ +h·sinγ·(cosγ)²). (3.6)

Тобто максимальна величина прохідного перерізу клапана:

Fк.max = π· h _max (d_г·cosγ + h _max ·sinγ·(cosγ)²), (3.7)

У нашому випадку максимальна площа горловини, визначена за останньою формулою, а також швидкість V″ г, визначена в припущенні, що на протязі всього такту впуску клапан повністю залишається відкритим, мають наступні значення:

F к.max= 3,14·9,47·(36,41· cos30⁰+ 9,47· sin30⁰ · (cos30⁰)²) =

1060,12 мм²= 0, 001061 м²;

V″ г = 11,6·0,00374 / 0,001061 ·1 = 40,9 м/с.

Отже площа прохідного перерізу клапана забезпечує необхідну середню швидкість заряду при відкритті клапана.

Значення швидкості V″ г.вип у прохідних перерізах випускних клапанів бензинових двигунів приймають на 40−50 %, а у дизелів – на 25…40 % більше, ніж для впускних клапанів.

 

Фази газорозподілу
Під фазами газорозподілу розуміють моменти відкриття і закриття клапанів відносно мертвих точок, виражені в градусах кута повороту колінчастого вала.

У бензинових двигунах впускний клапан починає відкриватися, коли кривошип не дійшов 10 … 35 ° до в.м. т. (наприкінці такту випуску); закривається впускний клапан після того, як кривошип вала пройшов н. м. т. на 50 …85 ° (на початку такту стиснення). Тривалість відкриття впускного клапана становить 240 - 280 ° кута повороту колінчастого вала.

Випускний клапан відкривається в кінці робочого ходу з випередженням 50 …70 ° до н. м. т., а закривається на початку такту впуску із запізненням 20 …50 ° після в. м. т. Тривалість відкриття випускного клапана дорівнює 250..300 ° повороту колінчастого вала.
Моменти, коли обидва клапани одночасно відкриті, називають перекриттям клапанів. У цей час відбувається продувка циліндрів свіжою горючою сумішшю від відпрацьованих газів.

На рисунку 3.2 наведено зразок діаграми фаз газорозподілу.

Рисунок 3,2 – Діаграма фаз газорозподілу

 

Із наведеної діаграми фаз газорозподілу видно, що при такті впуску впускний клапан відкривається за 20⁰ повороту колінчастого вала до верхньої мертвої точки (в.м.т.), а закривається при 60⁰ після нижньої мертвої точки (н.м.т.); випускний клапан відкривається за 60⁰ до н. м.т., а закривається при 20⁰ повороту колінчастого вала після в.м.т.

 

В таблиці 3.1 наведено дані для побудови студентами діаграми газорозподілу відповідно до варіанту завдання.

Таблиця 3.1 – Кути відкриття і закриття впускних і випускних клапанів автомобільних двигунів

Клапан, операція	Фази газорозподілу (в градусах повороту колінчастого вала) для двигунів автомобілів
Варіанти завдань
1 – 5	6 – 10	11 – 15	16 – 20	21 – 25	26 – 30
Впускний:
відкриття до в. м. т.
закриття після н. м. т.
тривалість впуску

 

Продовження таблиці 3.1

Випускний:
відкриття до н. м. т
закриття після в. м. т.
тривалість випуску

 

Питання для самоперевірки

1. Відносно якого параметру визначають геометричні розміри елементів клапанного механізму двигуна?

2. Як і чому відрізняються за розмірами впускний і випускний клапани?

3. За якими показниками визначають пропускну спроможність клапана?

4. Які параметри враховують при визначенні прохідного перерізу клапана?

5. За яких умов визначають максимальну пропускну спроможність клапана?

6. Назвіть межі значень швидкості потоку газів у прохідному перерізі клапанів для бензинових двигунів і дизелів.