Процессы газообмена
Под газообменом в ДВС понимаются процессы, протекающие при выпуске из цилиндра отработавших газов и заполнение его свежим зарядом. В результате смешивания свежего заряда с оставшимися после выпуска ОГ в цилиндре образуется рабочая смесь. Продолжительность процессов газообмена и их последовательность в цикле двигателя определяются продолжительностью и последовательностью пребывания органов газообмена в открытом состоянии. Органами газообмена в 4-х тактных двигателях являются впускные и выпускные клапаны, в 2-х тактных – окна в гильзе цилиндра или окна и клапаны. Периоды открытого состояния органов газообмена называются фазами газораспределения. Фазы газораспределения, их последовательность и длительность, задаются угловыми координатами кривошипа в градусах относительно НМТ или ВМТ с указанием угла начала открытия и конца закрытия.
Процессы газообмена сопровождаются рядом газодинамических явлений, управление которыми позволяет воздействовать на количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, и на затрачиваемую для газообмена работу, что в конечном итоге оказывает влияние на величину работы и экономичность цикла.
Протекание газообмена
В 4-х тактном двигателе углы начала открытия и конца закрытия клапанов не совпадают с мертвыми точками. Как следует из индикаторной диаграммы газообмена выпускной клапан открывается до НМТ и закрывается после ВМТ Впускной же клапан открывается до ВМТ, а закрывается после НМТ В течение цикла существует период, когда открыты оба клапана. Общая продолжительность газообмена в 4-х тактных двигателях составляет 400 - 520° поворота коленчатого вала (п.к.в.), большие значения относятся к высокооборотным двигателям.
Выбор тех или иных фаз связан с созданием наилучших условий для транспортировки в цилиндр максимального количества свежего заряда и удаления ОГ, а также совершения минимальной работы на газообмен. При этом обращается внимание на достижение приемлемой динамики движения клапанов.
Описание процессов газообмена удобно выполнять, используя индикаторную диаграмму. На индикаторной диаграмме 4-х тактного двигателя можно выделить ряд характерных точек:
b' – начало открытия выпускного клапана;
b – достижение поршнем НМТ;
a' – начало открытия впускного клапана;
r – достижение поршнем ВМТ;
b'' – завершение закрытия выпускного клапана;
a – достижение поршнем НМТ;
a'' – завершение закрытия впускного клапана.
Части фаз газообмена, находящиеся до или после мертвых точек имеют свои названия.
Части индикаторной диаграммы газообмена называются:
b'-b предварением открытии выпускного клапана;
r-b'' запаздыванием закрытия выпускного клапана;
a'-r предварением открытия впускного клапана;
a-a'' запаздыванием закрытия впускного клапана;
a'-r-b'' периодом перекрытия клапанов.
Вся фаза выпускаопределяется точками b'-b-a'-r-b'', длительность фазы впуска точками a'-r-b''-a-a''.
В соответствии с основными процессами, происходящими в отдельных частях фаз впуска и выпуска, фазы условно разделяют на периоды.
Свободный выпуск начинается с началом открытия выпускного клапана и завершается в момент достижения поршнем НМТ (точки b' – b). В течение этого периода давление в цилиндре превышает давление в выпускном тракте, ОГ самостоятельно покидают рабочую камеру (до 60 – 70% от общей массы) и для этого не требуется выполнять дополнительную работу. В части свободного выпуска перепад давления на выпускном клапане сверхкритический и в минимальном сечении достигается скорость звука. Это обстоятельство обуславливает возникновение в период свободного выпуска значительного шума, который и является основной причиной шумности рабочего процесса ДВС. В период свободного выпуска в выпускном тракте формируется распространяющаяся по нему волна сжатия довольно высокой интенсивности.
Принудительный выпуск начинается в момент достижения поршнем НМТ и завершается в в.м.т (период b-a'-r). Давление, температура и скорость истечения ОГ к началу принудительного выпуска значительно снижаются и в течение значительной части хода поршня к ВМТ изменяются незначительно. Вследствие наличия гидравлических сопротивлений течению газа в выпускном тракте давление в цилиндре остается выше p0 и поршень совершает работу для вытеснения ОГ.
Продувка камеры сгорания свежим зарядом в 4-х тактных двигателях может быть осуществлена в период перекрытия клапанов (точки a'-r-b''). В двигателях с наддувом давление за компрессором p к обычно выше давления в выпускном тракте и в период когда открыты оба клапана удается заполнить камеру сгорания свежим зарядом, повышая тем самым наполнение цилиндра. В двигателях без наддува продувка возможна только при условии создания необходимого перепада давления между впускным и выпускным клапанами за счет специальной организации волновых явлений в ГВТ. Обычно предварение открытия впускного клапана здесь предназначено для обеспечения достаточно большого проходного сечения клапана к моменту начала впуска, а запаздывание закрытия выпускного – для достижения минимального давления ОГ в конце выпуска (увеличение время-сечения). При этом возможно проникновение некоторого количества ОГ во впускной тракт.
Наполнение. Условно принято, что наполнение длится от ВМТ до НМТ (точки r-b''-a). В этот период поршень двигаясь к НМТ снижает давление в цилиндре создает условия для всасывания в цилиндр свежего заряда, преодолевая при этом давление окружающей среды в подпоршневом пространстве и совершая работу перемещения новой порции в цилиндр. В двигателях с наддувом pк выше атмосферного и работа поршня на наполнение отсутствует или существенно меньше.
Величина разрежения в цилиндре в течение впуска не постоянна. Вблизи мертвых точек скорость движения поршня невелика, также невелико и разрежение. В средней части хода поршня скорость его велика, что обуславливает увеличение разрежения. В идеале, в НМТ давление в цилиндре должно сравняться с давлением перед впускными клапанами, но часто этого не происходит, давление оказывается ниже. Сказываются гидравлические потери и недостаток времени на наполнение цилиндра, чем выше скоростной режим, тем больше разность давлений (Δ p вп). При наполнении происходит, также, подогрев свежего заряда стенками рабочей камеры и остаточными газами.
Дозарядка. После завершения хода наполнения поршень начинает двигаться к ВМТ, а давление в цилиндре в это время может быть меньшим, чем перед впускным клапаном. Наличие запаздывания закрытия впускного клапана позволяет дополнить цилиндр свежим зарядом и сравнять давления. Однако для некоторых скоростных режимов принятая величина запаздывания может оказаться избыточной и произойдет обратный выброс части заряда. Величина дозарядки и обратного выброса зависят от текущего скоростного режима. При оптимальном скоростном режиме дозарядка максимальна, при увеличении – снижается, при уменьшении ниже оптимального - возникает и увеличивается обратный выброс. Дозарядка может быть увеличена за счет использования волновых явлений в ГВТ.
В двигателях с наддувом свежий заряд после компрессора под давлением p к поступает к впускному клапану, а ОГ также под избыточным давлением поступают к турбине, приводящей компрессор. Индикаторная диаграмма газообмена в этом случае вся находится выше давления p 0. В остальном, индикаторная диаграмма содержит те же процессы и периоды что и двигатель без наддува, кроме особенностей описанных выше.
В 2-х тактных двигателях газообмен происходит при нахождении поршня вблизи НМТ, на процессы газообмена затрачивается часть хода поршня. При этом предполагается, что свежий заряд, подаваемый продувочным насосом или компрессором в цилиндр, вытесняет отработавшие газы через выпускные органы в выпускные трубы. При этом часть ОГ смешивается со свежим зарядом, образуя рабочую смесь.
Существует две схемы продувки цилиндра свежим зарядом: прямоточная и петлевая (контурная).
При прямоточной продувке свежий заряд поступает через впускные окна, управляемые поршнем, а ОГ покидают цилиндр через выпускные клапаны (клапанно-щелевой ГРМ). Есть, также, вариант прямоточной продувки, реализуемый в двигателях с противоположно движущимися поршнями, когда впускное и выпускное окна находятся на противоположных концах цилиндра и управляются соответствующими поршнями. В обоих вариантах рабочее тело при газообмене движется в основном вдоль оси цилиндра.
Петлевая продувка организуется путем размещения впускных и выпускных окон напротив друг друга вблизи НМТ единственного в цилиндре поршня, который и управляет газообменом, перекрывая или открывая их. Впускные каналы и днище поршня профилируют таким образом, чтобы организовать движение свежего заряда в виде петли вдоль стенок цилиндра и его головки для вытеснения ОГ.
Длительность газообмена двухтактных двигателей составляет 120 - 150° поворота коленчатого вала. Фазы газообмена при петлевой продувке симметричны относительно НМТ, при прямоточной могут быть и несимметричными.
Характерные точки индикаторной диаграммы:
b' – начало открытия выпускного окна или клапана;
a' – начало открытия впускного окна;
a – точка достижения поршнем НМТ;
a'' – завершение закрытия впускного окна;
b'' - завершение закрытия выпускного окна или клапана.
Газообмен в этом типе двигателей также содержит условные периоды:
свободный выпуск – начинается в точке b' и длится до начала поступления в цилиндр свежего заряда;
продувка-наполнение и принудительный выпуск – начинается в момент снижения давления в цилиндре до давления p к и продолжается до момента закрытия впускного окна (точка a'');
дополнительный выпуск и дозарядка – начинается в момент завершения закрытия впускного окна (точка a'')и завершается в момент завершения закрытия выпускного окна или клапана (точка b'').
В период свободного выпуска ОГ покидают полость цилиндра, при этом давление в цилиндре снижается в т.ч. и за счет движения поршня к НМТ Как и в 4-х тактных двигателях перепад давления на выпускном органе в начале свободного выпуска является сверхкритическим, по мере перемещения поршня и истечения газов давление снижается до докритического перепада. В процессе выпуска в выпускном тракте возникает волна сжатия. В начале открытия впускных окон давление в цилиндре обычно выше давления, создаваемого компрессором или продувочным насосом, и часть ОГ забрасывается во впускной тракт. Далее, в результате выпуска и увеличения объема рабочей камеры давления сравниваются и данный период завершается.
Период продувки-наполнения и принудительного выпуска начинается в момент когда перепад давления на впускном окне становится нулевым и продолжается по мере снижения давления в цилиндре. При этом происходит продувка цилиндра и его наполнение свежим зарядом. Предполагается, что свежий заряд вытесняет ОГ из цилиндра. В реальности часть ОГ смешивается со свежим зарядом и остается в цилиндре, а часть свежего заряда покидает цилиндр т.к. выпускной орган остается открытым. Последнее явление называется прямым выбросом. Особенностью двухтактных двигателей в этот период является снижение давления за выпускным органом ниже среднего за цикл вследствие волновых явлений в выпускном тракте. Это обстоятельство усиливает продувку и, в том числе, прямой выброс свежего заряда.
После закрытия впускного окна выпускные органы часто, в зависимости от принятой схемы продувки, остаются открытыми. При петлевой продувке это неизбежно, при клапанно-щелевой – клапаны закрываются одновременно со впускными окнами или с малым запаздыванием. Движение поршня к ВМТ при открытом выпускном органе обуславливает дополнительный выпуск рабочей смеси, что приводит к ухудшению качества газообмена. Специальная организация волновых явлений в выпускном тракте позволяет с помощью отраженной волны сжатия вернуть в цилиндр часть свежего заряда, потерянного при прямом выбросе, организовав, таким образом, дозарядку.
Показатели качества газообмена
Естественно оценивать качество процессов газообмена количеством свежего заряда, оставшегося в рабочей камере после завершения смены рабочего тела. Поэтому главным показателем качества газообмена приято считать коэффициент наполнения ηV.
Коэффициент наполнения – отношение действительного количества свежего заряда, оставшегося в рабочей камере после закрытия органов газообмена G 1, M 1 к тому количеству, которое разместилось бы в рабочем объеме цилиндра G 1t, M 1t при параметрах окружающей среды p 0, V0, T0 (для двигателей без наддува) или при параметрах перед впускными органами p к, V к, T к (для двигателей с наддувом):
ηV = G 1 / G 1t = M 1 / M 1t = M 1 / ρ0 Vh = M 1 / ρк Vh,
ρ0, ρк – плотность свежего заряда при параметрах окружающей среды или перед впускными органами;
Vh – рабочий объем цилиндра.
Связанным с коэффициентом наполнения и иногда удобным в применении является коэффициент остаточных газов γr.
Коэффициент остаточных газов – отношение количества продуктов сгорания Mr, оставшихся в цилиндре после завершения газообмена, к количеству свежего заряда M 1:
γr = Mr / M 1.
Дополнительными показателями качества газообмена, которыми пользуются при исследовании двигателей, являются коэффициент продувки φ и коэффициент избытка продувочного воздуха φк.
Коэффициент продувки это отношение количества поступившего в цилиндр в период газообмена через впускные органы свежего заряда G кц, M кц к тому его количеству, которое осталось в цилиндре после закрытия органов газообмена G 1ц, M 1ц:
φ = G кц / G 1ц = M кц / M 1ц.
При наличии продувки этот коэффициент всегда больше единицы.
Коэффициент избытка продувочного воздуха это отношение расхода свежего заряда за цикл G к.ц к тому его количеству, которое размещается в рабочем объеме цилиндра при параметрах перед впускными органами, т.е. ρк V h.
φк = G к.ц/ ρк V h.
Связь между ηV и γr может быть определена, исходя из следующих соображений.
Рабочая смесь в момент закрытия последнего органа газообмена (точки a' или b'' диаграмм газообмена) состоит из M 1 кмоль свежего заряда и Mr кмоль остаточных газов.
Ma' = M 1 + Mr = M 1(1+ γr), т.е. M 1 = Ma ' / (1+ γr).
В соответствии с уравнением состояния Ma ' = pa' Va' /RTa'.
Представим Va' = Va - Δ Vφ,
где Δ Vφ – уменьшение объема рабочей камеры в период запаздывания закрытия последнего органа газообмена.
Тогда Ma' = pa' (Va - Δ Vφ)/ RTa'. 
Теоретическое количество воздуха определится как M 1t = p 0 V h/ RT 0 , для двигателя с наддувом используются p к и T к.
Подставив полученное в формулу коэффициента наполнения
, и имея в виду, что:
(Va - Δ Vφ) / V h = Va / (Va – Vc) - Δ Vφ / Vh = ε / (ε – 1) - Δ Vφ / Vh получим:
.
Видим, что коэффициент наполнения зависит от качества очистки цилиндра от ОГ, параметров рабочей смеси после газообмена, фаз газообмена и степени сжатия.
Значения реализуемых ηv зависят от большого числа факторов и колеблются на номинальном режиме или на режиме максимального крутящего момента в зависимости от конструкции ГВТ в пределах:
для 4-х тактных двигателей 0,7 – 1,3; (при настройке)
для 2-х тактных двигателей 0,25 – 0,9.
В предположении того, что в момент начала сжатия остаточные газы занимают объем, не занятый свежим зарядом. упрощенная формула для определения коэффициента остаточных газов может быть представлена в следующем виде:
.