Конструктивные факторы.
Газовоздушный тракт двигателя содержит ряд агрегатов. Это могут быть воздушный фильтр, компрессор, карбюратор, охладитель наддувочного воздуха, впускные и выпускные трубы и клапаны, турбина, нейтрализатор ОГ, глушитель и др.
Анализ назначения всех возможных элементов ГВТ показывает, что целям организации газообмена служат только часть из них, остальные служат для придания двигателю свойств, не связанных с газообменом. Часто эти агрегаты (дополнительные устройсва – ДУ) только ухудшают условия газообмена. Этот же анализ позволяет выделить элементы конструкции ГВТ, служащие именно для организации смены рабочего тела, и характеризующие их параметры. Это следующие параметры:
1) длина впускного канала l вп;
2) закон изменения площади сечения впускного канала по длине F вп (l вп );
3) фаза открытия впускного органа j овп;
4) фаза закрытия впускного органа j звп;
5) закон изменения площади проходного сечения впускного отверстия от угла ПКВ F вп (j пкв );
6) фаза открытия выпускного органа j ов;
7) фаза закрытия выпускного органа j зв;
8) закон изменения площади проходного сечения выпускногоотверстияот угла ПКВ F зв (j пкв );
9) длина впускного канала l в;
10) закон изменения площади сечения выпускного канала F в (l в ).
Конечно, на качество газообмена оказывает влияние и максимальное проходное сечение впускных F вп и выпускных F в органов. Влияние их однозначно – чем больше, тем лучше, однако условия их размещения на головке цилиндра или на его гильзе (для двухтактных двигателей) накладывают ограничения по их размерам. Здесь кроется причина появления многоклапанных головок цилиндра. рис многоклапанной головки
|
|
Рассмотрим механизм влияния указанных конструктивных параметров на газообмен.
Длины впускных и выпускных каналов каждого из цилиндров выбирают таким образом, чтобы обеспечить наилучшее использование волновых явлений в ГВТ для смены рабочего тела и исключить вредное взаимовлияние цилиндров.
Опорожнение цилиндра наиболее быстро происходит при выпуске ОГ непосредственно в атмосферу без использования выпускной трубы. Однако в этом случае минимальное давление в цилиндре в конце выпуска не может быть ниже атмосферного. Использование же волны разрежения, возникающей при отражении волны сжатия, генерируемой при открытии выпускного органа, от открытого конца трубопровода, скачка сечения трубопровода или места соединения труб соседних цилиндров позволяет снизить минимально достижимый уровень давления в цилиндре в конце выпуска. Таким образом, можно снизить γr и организовать продувку цилиндра свежим зарядом (повысить ηV). Достижение этого эффекта возможно при выборе длины индивидуального трубопровода и закона изменения его сечения по длине, обеспечивающих прибытие волны разрежения к выпускному органу в необходимый момент времени и с необходимой длиной (длительностью) и интенсивностью.
Аналогичным образом, подобрав необходимые длину и закон изменения сечения впускного трубопровода по длине, можно обеспечить возвращения волны разрежения в виде волны сжатия, возникающей при отражении волны разрежения, генерируемой открытием впускного клапана. Коэффициент наполнения в этом случае может быть повышен в результате повышения давления в цилиндре в конце наполнения выше атмосферного, или за счет организации продувки камеры сгорания в период перекрытия клапанов.
|
|
Сечение впускных и выпускных трубопроводов с точки зрения создания ими минимальных гидравлических потерь должно быть максимальным, но с точки зрения создания волн максимальной интенсивности их сечение должно быть малым. Т.е. выбор сечения является результатом оптимизации. Кроме того, профилирование каналов по длине позволяет воздействовать на интенсивность отраженных волн, их длину, знак и число. От простого скачка сечения отражается той же длины, знак ее зависит от вида исходной волны и вида скачка: увеличение или уменьшение площади. Скачки сечения в виде конусов увеличивают длину волны. В 2-х тактных двигателях возможно использование выпускного тракта, содержащего два скачка сечения: первый – увеличивающий сечение трубы и находящийся ниже по течению второй – уменьшающий сечение.
Волна разрежения, возникающая при отражении исходной волны сжатия от первого скачка сечения, позволяет интенсифицировать продувку цилиндра, волна сжатия, отраженная от второго скачка, возвращает в цилиндр часть свежего заряда, проникшего в выпускной трубопровод при продувке.
Эффективное использование отраженных волн возможно только в довольно узком диапазоне скоростных режимов. Для расширения этого диапазона возможно размещение скачков сечения последовательно друг за другом так, чтобы отраженные волны следовали друг, за другом складываясь и увеличивая, таким образом, длину и, следовательно, длительность своего воздействия.
|
|
В идеале, органы газообмена должны открываться мгновенно или по заданному закону, обеспечивающему желательную форму генерируемой волны. При этом время-сечение должно позволять протечь через открывающееся отверстие необходимому количеству рабочего тела. Время-сечением называют определенный интеграл 
, где τ1 и τ2 – моменты начала открытия и полного закрытия органа газообмена, F – текущее проходное сечение отверстия, τ - время. Однако закон открытия и закрытия органов газообмена определяется их механической прочностью и кинематикой. В клапанных механизмах с целью их наибыстрейшего открытия и закрытия детали подвергаются максимально допустимым нагрузкам, а в 2-х тактных двигателях действующее сечение окна в гильзе цилиндра управляется поршнем, скорость движения которого конечна. А для обеспечения необходимого время-сечения открытие клапанов и окон приходится начинать раньше, а их закрытие завершать позже, чем это определяется динамикой движения рабочего тела.
Необходимые фазы органов газообмена определяются еще и другими обстоятельствами.
Фаза открытия выпускного органа (j ов) выбирается в 4-х тактных двигателях из условия минимальных потерь работы цикла на удаление ОГ. Конечно, продление расширения до НМТ позволяет получить максимальную его работу, но в этом случае придется выполнить работу на удаление из цилиндра всей массы ОГ. Свободный выпуск части ОГ позволяет получить некоторый выигрыш. В 2-х тактных двигателях предварение выпуска позволяет снизить давление в цилиндре к моменту открытия впускного окна с целью уменьшения заброса ОГ во впускной тракт и создания условий для начала поступления в цилиндр свежего заряда.
Значение оптимальной фазы выпуска зависит от скоростного режима, чем выше скоростной режим, тем больше предварение.
Перекрытие фаз впуска и выпуска в 2-х тактных двигателях обеспечивает газообмен. В 4-х тактных двигателях перекрытие может быть использовано для повышения наполнения цилиндра свежим зарядом. Организация продувки камеры сгорания в этот период уменьшает количество остаточных газов и повышает коэффициент наполнения. Без использования волновых процессов продувка возможна только в двигателе с нагнетателем. Использование волновых явлений позволяет ее улучшить, а в двигателях без нагнетателя продувку реализовать. Для этого необходимо обеспечить приход волн сжатия и разрежения или одной из них в период перекрытия к впускному и выпускному органам соответственно.
Оптимальная длительность перекрытия фаз газообмена увеличивается с ростом скоростного режима.
Фаза закрытия впускного клапана (j звп) выбирается из условия максимальной дозарядки цилиндра как за счет продолжающегося его заполнения при достижении НМТ так и за счет волны давления подошедшей из впускного тракта при соответствующей организации процесса.
С ростом частоты вращения вала двигателя оптимальное запаздывание увеличивается.
Существуют и другие конструктивные факторы, не влияющие на газодинамику динамику процессов газообмена.
Степень сжатия по формальным признакам (см. выражение для ηv) может оказывать влияние на коэффициент наполнения, уменьшая его с ростом ε (происходит уменьшение отношения ε /(ε – 1). Однако, вследствие уменьшения относительного объема камеры сгорания, где и сохраняются остаточные газы при увеличении ε, снижается γ r и Ta, что ведет к росту ηV. Как показывают эксперименты, влияние степени сжатия здесь незначительно.
Сопротивление на впуске. Под сопротивлением на впуске имеется в виду снижение давления свежего заряда в процессе впуска вследствие наличия гидравлических сопротивлений во впускном тракте. Гидравлическое сопротивление впускного тракта складывается из сопротивления в воздухоочистителе, впускных трубах, карбюраторе, впускных клапанах и окнах и др. Рост гидравлического сопротивления этих агрегатов ведет к снижению коэффициента наполнения вследствие падения pa.
Материал деталей оказывает влияние вследствие наличия подогрева свежего заряда от стенок рабочей камеры. Применение более теплопроводных материалов для деталей цилиндропоршневой группы, например алюминиевых сплавов вместо чугуна, позволяет снизить температуру их поверхности и уменьшить подогрев свежего заряда при впуске, т.е. снизить Ta.
Наддув позволяет повысить массовое наполнение цилиндров свежим зарядом, увеличивая тем самым работу цикла. При прочих равных условиях наддув не влияет на коэффициент наполнения, но более качественная продувка цилиндра при газообмене, которая может быть организована при наличии наддува, дает возможность снизить γr и повысить ηV.