Скоростной режим. Геометрические характеристики ГВТ и фазы газообмена выбираются обычно из условия достижения максимального коэффициента наполнения на скоростном режиме, при котором предполагается достижение максимального крутящего момента. В связи с этим зависимость ηV от n кривую с максимумом вблизи оборотов максимального крутящего момента. Причины такого протекания кривой могут быть выявлены из анализа протекания основных процессов, сопровождающих газообмен.
Допустим, что при впуске отсутствуют гидравлические потери, подогрев свежего заряда, волновые явления в ГВТ. Тогда ηV не будет зависеть от скоростного режима и останется постоянным, равным единице (график 1). В действительности гидравлические потери существуют, с ростом скоростного режима возрастает скорость рабочего тела в ГВТ, а гидравлические потери растут пропорциально квадрату скорости, снижая ηV (кривая 2). Подогрев свежего заряда нагретыми деталями с ростом частоты вращения вала снижается вследствие сокращения длительности взаимного контакта, это несколько увеличивает ηV (кривая 3). Суммой кривых 2 и 3 является кривая 4, отражающая совместное влияние гидравлических потерь и подогрева. Если ГВТ нерегулируемый и фазы газообмена не зависят от скоростного режима, то при отклонениях скоростного режима от оборотов, где ηv максимален, возникают дополнительные потери. При снижении частоты вращения относительно указанной возникает и увеличивается обратный выброс, при увеличении – уменьшается дозарядка. В результате ηV будет иметь максимальное значение только при одном скоростном режиме. Использование регулируемого ГВТ позволяет изменить протекание кривой ηV и сформировать ее в соответствии с потребностями.
Увеличение подогрева свежего заряда при высоких частотах вращения объясняется ростом количества остаточных газов.
Нагрузка. Нагрузка на двигатель определяется необходимым количеством топлива, подаваемого в цилиндр, для преодоления
n - const
сопротивления потребителя. Изменение подачи топлива в двигателях с качественным и количественным регулированием осуществляется по-разному.
В дизелях (кривая 1)нагрузка регулируется путем изменением цикловой дозы топлива, впрыскиваемой в цилиндр. Орган, регулирующий подачу воздуха, в дизелях отсутствует, поэтому наполнение цилиндра не должно зависеть от нагрузки, т.е. ηV должен оставаться постоянным и соответствовать текущему скоростному режиму. Незначительное снижение ηV с ростом нагрузки все-таки происходит, связано это с обогащением горючей смеси при увеличении подачи топлива, что ведет к росту температуры рабочего тела, увеличению температуры стенок рабочей камеры, а отсюда и к увеличению степени подогрева свежего заряда.
В двигателях с количественным регулированием (кривая 2) изменение нагрузки осуществляется путем воздействия на положение дроссельной заслонки, в соответствии с которым изменяется наполнение цилиндра на данном скоростном режиме и работа цикла. Иными словами, дроссельная заслонка изменяет ηV. С ростом нагрузки на фиксированном скоростном режиме ηV должен возрастать, примерно линейно.
Совместное влияние скоростного режима и нагрузки. В дизелях нагрузка, т.е. величина цикловой дозы топлива, не влияет на зависимость ηV от скоростного режима. Иначе обстоит в двигателях с количественным регулированием.
Здесь реализуемый коэффициент наполнения, а значит и работа цикла, зависят не только от положения дроссельной заслонки, но и от текущего скоростного режима. Это связано с тем, что положение дроссельной заслонки существенно влияет на гидравлические потери, поэтому протекание зависимости ηV от частоты вращения зависит и от угла поворота дроссельной заслонки. При полном открытии дроссельной заслонки кривая 1 протекает так, как это приведено выше, по мере прикрытия заслонки (кривые 2 – 5) гидравлические потери при постоянных n увеличиваются, и падение ηV становится более крутым. Это объясняется ростом скорости воздуха и, соответственно, гидравлических потерь в дроссельной щели, растет и разрежение в цилиндре. При значительном прикрытии дроссельной заслонки или при высоких n перепад давления на дроссельной заслонке становится сверхкритическим, в открытом дроссельной заслонкой сечении устанавливается скорость звука. Поэтому расход воздуха уже перестает зависеть от разрежения в цилиндре, а зависит только от давления перед дроссельной заслонкой. В этом режиме зависимость ηV от n становится гиперболической. (рисунок).
Тепловое состояние
Техническое состояние
Условия окружающей среды
Оптимальная схема ГВТ 4-тактного двигателя
При рассмотрении конструктивных факторов, влияющих на газообмен ДВС, были выявлены основные элементы ГВТ, которые при соблюдении необходимых условий позволяют достичь высоких показателей качества газообмена. Однако газовоздушный тракт всегда содержит дополнительные элементы, ухудшающие газообмен. Кроме воздушного фильтра, карбюратора, глушителя др. к таким элементам следует отнести и места соединений индивидуальных впускных и выпускных патрубков между собой (тройники) в многоцилиндровых двигателях. При прохождении волн через тройники меняется характер волновых процессов, возможно и отрицательное взаимовлияние цилиндров. Отсюда возникает необходимость решения задачи снижения или полного исключения негативного влияния дополнительных элементов.
Исключение дробления волн на тройниках и возникновения нежелательных отраженных волн возможно при использовании индивидуальных впускных и выпускных патрубков, имеющих оптимальное расстояние (длину) до места отражения волн. Т.е. патрубки должны иметь оптимальную длину, а при необходимости и оптимальный профиль и не иметь дополнительных соединений.
Влияние дополнительных элементов определяется создаваемым ими гидравлическим сопротивлением, т.е. потерей полного давления, и снижением интенсивности отраженных волн. Величина гидравлического сопротивления этих элементов зависит от скорости течения газа в их каналах, или сечения каналов. Для снижения потерь давления сечение каналов необходимо увеличивать, что может быть невозможным в связи с назначением конкретного дополнительного элемента (например, карбюратора). Кроме того, известно, что потеря полного давления при течении через местное сопротивление в стационарном потоке ниже, чем в нестационарном, чем выше амплитуда пульсаций, тем больше разница. Таким образом, можно констатировать, что для снижения потерь на дополнительных элементах необходимо иметь максимальное сечение их проточной части и организовать стационарное течение в них.
Наибольшая интенсивность отраженных волн и наивысшая эффективность их использования их в ГВТ получается при отражении их от среды с атмосферным давлением. Снижение давления снижает эффективность.
Таким образом, возникает задача согласования работы настроенной части ГВТ и дополнительных устройств так, чтобы ухудшение коэффициента наполнения было минимальным. Необходимо организовать стационарное или близкое к нему течение в дополнительных элементах тракта и обеспечить отражение волн от среды с максимально приближенным к атмосферному давлением.
Решение задачи возможно при расположении между дополнительными и основными элементами впускного и выпускного ресиверов с объемом, достаточным для обеспечения минимальных пульсаций давления в них при течении газов при впуске и выпуске. Чем больше объем ресиверов, тем меньше пульсация давлений в них, выше среднее давление, ниже пульсации скорости течения газов через дополнительные элементы ГВТ. Наилучший ресивер – ресивер бесконечно большого объема, что соответствует отражению волн от окружающей среды. Однако, как показали экспериментальные исследования, заметное влияние ресиверов начинает наблюдаться даже при объеме соизмеримом с рабочим объемом двигателя.
