Температура и давление смеси в конце наполнения

Хотя температура в цилиндре вначале и намного превышает температуру самовоспламенения смеси (рисунок 2), самовоспламенения не происходит. Объясняется это чрезмерно короткой продолжительностью действия такой высокой температуры (подогреться заряд не успевает) и недостаточной концентрацией свежей рабочей смеси в начальном участке всасывания. В дальнейшем концентрация возрастает, но вместе с тем резко снижается и температура смеси.

Рисунок 2 График изменения температуры смеси в процессе наполнения

Температуру смеси в конце наполнения (Та) можно найти с учетом подогрева свежего заряда о горячие детали на величину Dtcm и количества тепла, содержащегося в остаточных газах. В двигателях жидкостного охлаждения их детали имеют следующую температуру: - стенка цилиндра - 370 К; - впускные клапана - 420-520 К; - выпускные клапана - 870-1070 К;

- поршень (днище) - 550 К - если из алюминиевого сплава и 720К - чугуна.

Отсюда следует, что на величину подогрева заряда будет влиять и материал поршня. Если поршень чугунный, то Dt_cm= 25-40°С, если из алюминиевого сплава - 15-25°С.

Влияют и особенности впускного тракта, (например, переключением подогрева «зима-лето» можно повлиять на Dt_cm).

После поступления в цилиндр свежий заряд перемешивается с более горячими остаточными газами и вновь подогревается.

К концу наполнения у газов, поступивших в цилиндр двигателя, устанавливается какая-то усредненная температура. Величину ее можно определить на основе уравнения баланса количества тепла в точке «а»:

Q_a=Q_o+Q_r+Q_cm.

Здесь: Q_a=M_a×mC_va×T_a – тепло в точке «а»:

Q_o=M_omС_vo×T_o – тепло, содержащееся в свежем заряде;

Q_r=M_r×mC_vr×T_r – тепло, содержащееся в остаточных газах;

Q_ст=M_о×mC_vo×Dt_ст – тепло, полученное свежим зарядом от нагретых стенок цилиндра, поршня и др.;

mC_v – мольная теплоемкость;

Т_а, Т_r и Т_о – температуры в точке а, остаточных газов и окружающей среды.

При наддуве за температуру окружающей среды принимается температура после компрессора:

, (1)

где р_к и р_о – давления за компрессором и окружающей среды;

п_к – показатель политропы сжатия в компрессоре;

l_н – степень наддува (р_к/р_о).

При промежуточном охлаждении воздуха за температуру компрессора принимается температура после холодильника.

Подставив эти значения в исходное уравнение, получаем:

M_a×mC_va×T_a=M_o×mC_vo×T_o+M_r×mC_vr×T_r+M_o×mC_vo×Dt_cm

и то

. (2)

Таким образом, температура смеси (газа в конце наполнения зависит от температуры окружающей среды (Т_о), подогрева смеси в процессе впуска (Dt_cm) и качества очистки цилиндра от отработавших газов (g_r). В дизелях Т_а меньше (g_r меньше), чем в карбюраторных двигателях, а в четырехтактных меньше (g_r меньше), чем в двухтактных.

Фактические значения Т_а:

320 – 340 К – в четырехтактных дизелях;

340 – 400 К – в четырехтактных ДсИЗ.

 

34-36 Физическая сущность наддува

Повысить весовое наполнение цилиндра двигателя (вместимость цилиндра свежем зарядом) и на основе этого мощность двигателя можно увеличением давления воздуха у всасывающих клапанов. Такое повышение обычно называют наддувом, а сами двигатели – двигателями с наддувом или турбированными двигателями (в этой связи двигатели без наддува можно называть «атмосферными»).

Повышение мощности за счет наддува оценивают степенью наддува l_н:

. (1)

По величине l_н отличают дозарядку цилиндра (l_н =1,05…1,1) и собственно наддув (l_н >1,1).

Если l_н<1,5, то наддув называют низким, 1,5…2,2 – средним и выше 2,2…2,5 – высоким.

При наддуве мощность на 20…30% можно повысить, практически ничего не меняя в двигателе.

В принципе наддув может применяться как в ДсИЗ (устанавливая агрегат наддува как до карбюратора, так и после), так и в дизелях.

Однако в настоящее время наддув в основном применяется в дизелях. В автомобильных ДсИЗ его используют в редких случаях, в частности в спортивных машинах. Ограниченное распространение наддува здесь объясняется тем, что возрастание общей степени сжатия (при наддуве) приводит к резкому увеличению вероятности возникновения детонационного сгорания.

Возможные схемы наддува

Возможны механический, газотурбинный и резонансный наддувы.

Механический наддув - нагнетатель воздуха имеет механический привод от коленчатого вала двигателя (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема ДВС с механическим наддувом

При этом нагнетатели могут быть поршневыми, полостными (ЯАЗ-204) и коловратными (шиберными). Жесткая связь между нагнетателем и коленчатым валом обеспечивает большее давление на впуске, чем на выпуске и более высокое давление воздуха на малых частотах вращения.

Недостаток механического наддува – большие затраты мощности на привод и конструктивная сложность.

Рисунок 2 Схема двигателя с нагнетателем типа Рутс

Газотурбинный наддув - центробежный компрессор приводится турбиной, работающей от энергии выхлопных газов. Он был запатентован в 1905 г. швейцарским инженером Альфредом Бью. Практическое его применение началось в 30 ^х годах. Преимущество такого наддува – простота конструкции наддувочного агрегата и высокая экономичность работы двигателя.

В четырехтактных двигателях, например, при внедрении газотурбинного наддува, минимальный удельный расход топлива снижается на 8…14 г/(кВт×ч).

Рисунок 8 Схема работы двигателя с ТКР (при перепуске газов): 1 - цилиндр; 2 - мембрана; 3 - пружина; 4 - перепускной клапан; 5 - турбина; 6 - компрессор

Резонансный наддув представляет определенный интерес ввиду простоты схемы осуществления. Он основан на резонансных колебательных явлениях в системе газообмена.

При наддуве, естественно, возрастают максимальные температура и давление газов в цилиндре.

С целью снижения температуры используют промежуточное охлаждение воздуха (применяя воздухо-воздушные – при наличии встречного потока, например, в автомобилях или жидкостно-воздушные – в тракторах и др. охладители с установкой их перед масляным или жидкостным радиторами двигателя). Промежуточное охлаждение способствует и дальнейшему повышению весового наполнения цилиндров воздухом.