§ 2. Процес впуску

Процесом впуску звичайно називають процес наповнення циліндра двигуна свіжим зарядом. Цей процес трохи відрізняється для двигунів без наддуву і з наддувом.

На рис. 3.3,а представлено у p,V-координатах процес зміни тиску при впуску в чотиритактному  ДВЗ без наддуву . Крива 1-r-4-a-2 показує дійсну зміну тиску в процесі впуску. Точка 1 відповідає моменту відкриття впускного клапана, що звичайно відбувається за 10–35° за кутом повороту колінчастого вала до приходу поршня у ВМТ , а точка 2 — закриття цього клапана. Момент закриття відповідає положенню кривошипа через 40–85° після проходження НМТ . Випускний клапан закривається через 10–30° після ВМТ (точка 4).

Тиск p_r відповідає розрахунковому значенню тиску залишкових газів. При проведенні розрахунків передбачається, що тиск залишкових газів у ВМТ різко падає до значення p_a і надалі в процесі впуску при русі поршня до НМТ цей тиск зберігається постійним.

Для ДВЗ з наддувом  від приводного нагнітача (рис. 3,б) тиск у випускній системі р_вип такий самий, як у ДВЗ без наддуву. Тому тиск на лінії впуску r-a вищий, ніж на лінії випуску, але нижчий від тиску наддувур_к внаслідок опору у впускній системі

Для двигунів з газотурбінним наддувом (рис. 3 в,г) середній розрахунковий тиск у процесі впуску p_a звичайно перевищує тиск залишкових газів, і, природно, менше тиску p_к, яке створює компресор.

Попереднє відкриття впускного клапана забезпечує досягнення достатньої площі його прохідного перетину при досягненні ВМТ, а також для продувки двигунів з наддувом. У двигунах з наддувом це дозволяє полегшити очищення циліндра від залишкових газів. Вплив продувки кількісно оцінюють за допомогою коефіцієнта очищення j_оч. Його величина залежить від наддуву, швидкісного режиму двигуна і тривалості перекриття клапанів. Цей коефіцієнт враховується тільки при розрахунку двигунів з наддувом. Для двигунів без наддуву приймають j_оч = 1,0. Закриття впускного клапана після проходження поршнем НМТ завдяки інерційності повітря у впускній системі дає можливість поліпшити наповнення циліндрів (дозарядка) на номінальному режимі на 10–15%, тобто вважати, що коефіцієнт дозарядки j_доз = 1,1–1,15. У той же час необхідно враховувати, що при малій частоті обертання дозарядка погіршується і навіть може відбуватися зворотний викид частини заряду (до 5%) з циліндрів двигуна (j_доз = 0,95). Коефіцієнт дозарядки на номінальному режимі звичайно приймається рівним одиниці.

Тиск і температура навколишнього середовища (повітря) у розрахунках приймаються p₀ = 0,1 МПа і T₀ = 298 K для двигунів без наддуву. У двигуни з наддувом повітря надходить з компресора, тому тиск повітряp_к і температура T_к дорівнюють тиску і температурі повітря за компресором чи охолодником повітря (якщо такий установлений).

а	б	в	г
Рис. 3. Діаграма процесів впуску та випуску: а — без наддуву, б — з наддувом від приводного нагнітача, в — з газотурбінним наддувом при рк<рвип, г — з газотурбінним наддувом при рк>рвип

У відповідності зі ступенем наддуву приймаються наступні значення тиску наддувного повітря:

• при низькому наддуві р_к ≤ 1,5·p₀;

• при середньому наддуві р_к = (1,5–2,2)·p₀;

• при високому наддуві р_к = (2,2–2,5)·p₀.

Температура повітря за компресором Т_к, К, обчислюється за рівнянням політропи:

Tk=T0(pkp0)n-1n=T0⋅πkn-1n

де:

р_к — тиск після компресора, МПа:

р_к = р₀ · π_к,

де:

π_к — ступінь підвищення тиску;

n — показник політропи стиску компресора:

• для поршневих нагнітачів n = 1,4–1,6;

• для об’ємних (гвинтових і ін.) n = 1,55–1,75;

• осьових і відцентрових n = 1,6–1,8.

Глибина охолодження в охолоднику наддувного повітря (ОНП) ΔТ_ОПН, K:

ΔТ_ОНП = Т_к – Т_к’ ,

де:

Т_к′ — бажана температура заряду на вході в циліндри, K, Т_к′ = 360–370 К.

Якщо ΔТ_ОНП < 20 K, то застосування ОНП недоцільне. У цьому випадку необхідно відкоригувати ступінь підвищення тиску чи ступінь стиску двигуна.

Для двигунів з ОНП необхідно перевірити можливість охолодження повітря до рекомендованих меж. Мінімальну температуру Т_к″, K, до якої можна остудити наддувне повітря за даних умов і обраного типу ОНП, визначають за формулою:

Т_к″ = Т_к – E_О · (Т_к – Т_охол),

де:

E_О — термічна ефективність ОНП, E_О = 0,46–0,48 для рідинно-повітряних охолодників, E_О = 0,64–0,77 для повітря-повітряних;

Т_охол — температура охолоджувального агента, K, Т_охол = 340–362 K для рідинно-повітряних охолодників, Т_охол = Т₀ для повітря-повітряних.

Якщо Т_к″> Т_к′, то необхідну температуру на виході одержати неможливо. У цьому випадку необхідно вибрати інший тип ОНП або відкоригувати ступінь підвищення тиску.

У циліндрах двигунів після випуску завжди залишається деяка частина залишкових газів. Відносний об`єм цих газів визначається типом і характеристиками клапанної системи, гідравлічних опорів системи випуску, фаз газорозподілу, системи наддуву, швидкості обертання і ряду інших факторів. Тиск залишкових газів p_r в автотракторних двигунах без наддуву приймають рівним (1,05–1,25)·p₀. Якщо для наддуву використовується газова турбіна на виході, то приймають:

p_r = (0,75 - 0,98)p_k

Для різних швидкісних режимів двигунів проводять корекцію значення p_r із врахуванням частоти обертання колінчастого вала n відповідно до виразу:

p_r = 1,035 · p₀+(p_rN - 1,035 · p₀)· n2nN2

де:

p_rN — тиск залишкових газів на номінальному режимі, Па;

n_N — номінальна частота обертання, 1/хв.

Температура залишкових газів Т_r визначається ступенем стиску, частотою обертання і коефіцієнтом надлишку повітря. Її чисельне значення звичайно приймають для бензинових двигунів у діапазоні Т_r = 900–1100 K, для дизелів Т_r = 600–900 K, для газових Т_r = 750–1000 K. Варто враховувати, що з ростом ступеня стиску температура залишкових газів звичайно знижується.

Тиск наприкінці впуску p_a визначає масу заряду, що надходить у циліндри двигуна, і обчислюють за виразами (відповідно для двигунів без наддуву і з наддувом):

p_a = p₀ - Δp_a або p_a = p_k - Δp_a,

де:

Δp_a — втрати тиску на впуску, МПа. Чисельні значення Δp_a рекомендується приймати в наступних межах:

• бензинові і газові двигуни Δp_a = (0,05–0,20)·p₀;

• дизелі без наддуву Δp_a = (0,03–0,18)·p₀;

• двигуни з наддувом Δp_a = (0,03–0,1)·p_к.

Зі зменшенням частоти обертання величина Δp_a знижується. Для розрахунків режимів роботи двигунів, що відрізняються від номінального, використовується залежність, яка враховує швидкість обертання двигуна:

Δpa=(β2+ξ)⋅ωвп22⋅n2nN2⋅pk⋅10-6;

де b — коефіцієнт загасання швидкості руху заряду;

ζ — коефіцієнт гідравлічного опору системи впуску;

w_вп — швидкість руху повітря в системі впуску.

У сучасних двигунах швидкість повітря в системі впуску на номінальному режимі складає 50–130 м/с; b² + z = 2,5–4,0.

Температура підігріву свіжого заряду ΔT враховує його нагрів від деталей двигуна. Величина підігріву ΔT залежить від конструктивних особливостей двигуна і впускної системи. У залежності від типу двигуна рекомендуються для розрахунків на номінальному режимі наступні її значення:

ΔT = 0–20 К — для бензинових і газових двигунів;

ΔT = 10–40 К — для дизелів без наддуву;

ΔT = (-5)–(+10) К — для двигунів з наддувом.

Зміна величини підігріву свіжого заряду в залежності від швидкості обертання враховується наступною залежністю:

ΔT = A_T · (110 - 0,0125n)

де AT=ΔTN110-0,0125⋅nN

де:

ΔT_N — температура підігріву свіжого заряду на номінальному режимі, К.

ПИТАННЯ 1

Як Ви вважаєте, підігрів свіжого заряду — це позитивне явище? Подумайте та звірте свою відповідь з вірною.

Коефіцієнт залишкових газів γ_r характеризує якість очищення циліндрів від продуктів згоряння. З його збільшенням зменшується маса свіжого заряду, що надходить у двигун. Для чотиритактних двигунів його чисельне значення визначається наступним виразом:

r=T0(k)+ΔTTr⋅φоч⋅prε⋅φдоз⋅pa-φоч⋅pr,

де:

Т_0(к) = Т₀ для двигунів без наддуву; Т_0(к) = Т_к для двигунів з наддувом; Т_0(к) = Т_к для двигунів з наддувом і ОНП.

При застосуванні системи рециркуляції відпрацьованих газів значення g_r не обчислюють, а задають з діапазону g_r = 0,08–0,12.

Для бензинових і газових двигунів без наддуву γ_r = 0,04–0,1, а для дизелів без наддуву – γ_r = 0,02–0,05.

Температура наприкінці впуску Т_а залежить від перелічених вище факторів (температури робочого тіла, коефіцієнта залишкових газів, ступеня підігріву заряду, температури залишкових газів) та визначається виразом:

Ta=T0(k)+ΔT+γrTr1+γr

Для сучасних чотиритактних двигунів її чисельне значення звичайно складає:

• бензинові двигуни Т_а = 320–370 К;

• дизелі Т_а = 310–350 К;

• двигуни з наддувом Т_а = 320–400 К;

• газові Т_а = 350–400 К.

Коефіцієнт наповнення η_v являє собою відношення дійсної маси свіжого заряду до тієї кількості, що могла бути в циліндрі при тиску і температурі середовища, з якого надходить цей заряд (для двигунів з наддувом за параметри стану на вході у циліндр приймають тиск і температуру після компресора або охолодника повітря):

ην=T0(k)T0(k)+ΔT⋅ε⋅φдоз⋅pa-φоч⋅pr(ε-1)p0(k);

де:

р_0(к) = р₀ для двигунів без наддуву і р_0(к) = р_к для двигунів з наддувом.

Для сучасних автотракторних двигунів коефіцієнт наповнення η_v лежить у межах:

• бензинові карбюраторні двигуни: η_v = 0,7–0,9;

• бензинові двигуни із електронним впорскуванням: η_v = 0,8–0,96;

• дизелі: η_v = 0,8–0,94;

• двигуни з наддувом: η_v = 0,8–0,97;

• газові: η_v = 0,75–0,8.