С увеличением скорости потока газа W₁ в момент начала торможения давление газа заторможенного потока уменьшается тем в большей мере, чем выше начальная скорость потока. Уменьшается и скорость распространения звука С_3т в затормо- женном потоке (8.16). При значениях скорости газового потока в начале торможения, которые могут иметь место в двигателях внутреннего сгорания, разрежение за выпускными клапанами может достигать значительных величин. Например, при скорости потока в начале торможения W₁ = 15о м/с и противодавлении на выпуске (давлении среды, в которую происходит выпуск отрабо- тавших газов) Р_то = 1,о5-Ю⁵ Па, разрежение у клапана составляет

о,329 1о⁵ Па (рис. 8.16).

Использование газодинамических явлений в выпускных кана- лах двигателей внутреннего сгорания может заметно умень-

шить работу выталкивания продуктов сгорания из цилиндра.

Мы рассмотрели в основ- ном физику процессов в каналах, граничные условия течения газа.

Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах двигателя требует сов- местного решения уравнений, определяющих изменение пара- метров в надпоршневой полости и в каналах. Математическая модель в этом случае сложна, громоздка и требует значитель- ных затрат времени и средств на выполнение расчетных исследо- ваний [8, 9].

§5. Влияние газодинамических процессов во впускной и выпускной системах на процессы газообмена в надпоршневой полости

В современных четырехтактных двигателях коэффициент наполнения в зависимости от режима работы и уровня оптимиза­

Рисунок 8.16 - Изменение степени разрежения и отношения С_3т/С₁ в зависимости от начальной скорости торможения потока в выпускном канале

3о9

ции параметров газовоздушных систем двигателя составляет

0. 75-0,95, среднее давление насосных потерь - (0,25-1,0)-10⁵ Па. Существенное влияние на уровень показателей газообмена в че- тырехтактных двигателях оказывают газодинамические процессы во впускной и выпускной системах двигателя [8].

Давление газов в надпоршневой полости четырехтактного двигателя в момент начала открытия выпускного клапана при по- вышенных нагрузках значительно выше давления окружающей среды (0,5-0,7 МПа). Поэтому в выпускном канале с открытием выпускного клапана формируется волна сжатия, основание кото- рой перемещается от клапана к глушителю со скоростью звука (рис. 8.12). Скорость потока за волной сжатия может достигать значительной величины (по осциллограмме, представленной на рис. 8.12 - 245 м/с). За волной сжатия формируется волна разре- жения, в которой происходит торможение потока до значений скорости соответствующих расходу газа через выпускной клапан (рис. 8.12).

Установка на выпуске каналов с индивидуальным отводом газа из цилиндров определенной длины и диаметра вызывает за- метное понижение давления и в надпоршневой полости на участ- ке выпуска (рис. 8.17). При торможении потока газа в волне раз-

режения следующей за волной сжатия в выпускном канале возникает значи- тельное понижение давле- ния, определяющее и дав- ление в надпоршневой по- лости. Максимальное раз- режение в выпускном кана- ле у выпускного клапана, а соответственно и в полости

Рисунок 8.17 - Влияние выпускной системы двигателя, будет иметь ме-

на изменение давления в надпоршневой полости дизеля 4Ч12/14:

1 j

V' /1*1

Г¹'*⁵ * : V \

*' • «ЛА*..

720V\ ^ф

\ "^пкВ

3 ²

р^,

ГМПа

0,25

0,20

0,15

0,10

-0,05

1. - система выпуска с длиной выпускных каналов l < 300 мм, n = 1700 мин^-1;

2, 3 - выпускные каналы l = 1500 мм,

2. - n = 1700 мин^-1, 3 - n = 1300 мин^-1

сто в случае, если продол­жительность закрытия вы­пускного клапана будет меньше, чем промежуток времени от начала тормо­жения потока в волне раз-

310

режения до момента подхода к выпускному клапану волны сжа­тия, образовавшейся на выходе из выпускного канала (у глуши­теля шума). В рассматриваемом случае (рис. 8.17) длина выпуск­ного канала (l = 1500 мм) соответствовала максимальному значе­нию разрежения в надпоршневой полости при частоте вращения коленчатого вала n = 1300 мин^-1. С увеличением частоты враще­ния коленчатого вала начало торможения потока в выпускном канале смещается по углу поворота кривошипа к ВМТ. Так как при этом площадь проходного сечения выпускного клапана уменьшается, разрежение в надпоршневой полости также умень­шается.

Использование газодинамических процессов в выпускных каналах четырехтактного двигателя при соответствующем под­боре длины и диаметра выпускных каналов позволяет несколько уменьшить затраты работы на очистку надпоршневой полости от продуктов сгорания. Влияние газодинамических процессов в вы­пускном канале на коэффициент остаточных газов и коэффици­ент наполнения незначительно.

В двухтактных двигателях газодинамические процессы в выпускных каналах, особенно в быстроходных двигателях с не­высоким уровнем давления наддува, оказывают определяющее влияние на степень очистки надпоршневой полости от продуктов сгорания и на ее заполнение свежим зарядом, а соответственно на мощность и экономичность двигателя. Особое внимание выбору параметров выпускных каналов уделяется в двухтактных двига­телях с газотурбинным наддувом для повышения эффективности использования энергии отработавших газов, уменьшения потерь свежего заряда при продувке в возможно более широком диапа­зоне нагрузок и изменения частоты вращения коленчатого вала. Влияние газодинамических процессов во впускных каналах на показатели процессов газообмена двухтактного двигателя значи­тельно меньше, чем газодинамических процессов в выпускных каналах. Определяющими параметрами впускного тракта по влиянию на показатели процессов газообмена в двухтактном дви­гателе являются в основном площадь проходных сечений проду­вочных окон и моменты их открытия и закрытия по отношению к моментам открытия и закрытия выпускных окон.

311

Ps,Ts

Р0Т0

U,

a

3 Ps,Ts

б

Рисунок 8.18

В четырехтактных же двигателях значительное влияние на показатели про­цессов газообмена оказыва­ет не выпускная система, а впускная. Предложены де­сятки схем подвода воздуха (топливовоздушной смеси) к цилиндрам двигателя [8, 9, 10]. Рассмотрим для при­мера влияние схемы подво­да воздуха к цилиндрам (рис. 8.18), длины каналов подвода на изменение ко­эффициента наполнения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля 4Ч12/14 (рис. 8.19). Диаметр клапанов, каналов подвода воздуха 7, профили кулачков распределительно­го вала, фазы газораспреде­ления сохранялись неиз­менными для каждого из вариантов схем впускного коллектора. Сопротивление воздушного фильтра на вхо-

Схемы впускных систем

дизеля 4Ч12/14 (СМД - 14):

1 - впускной коллектор; 2 - впускные клапаны; 3 - тензодатчики давления; 4 - воздухоочиститель; 5, 6 - емкость и воз­душная заслонка имитирующие сопро­тивление воздушного фильтра; 7 - впуск­ной канал; I, II, III, IV - номера цилинд­ров; p_s, T_s - давление и температура воз­духа на входе в коллектор; р₀,Т₀ - давле­ние и температура окружающей среды

де в коллектор 1 имитировалось емкостью 5, объем которой был равен объему воздушного фильтра 4, и дроссельной заслонкой 6 (рис. 8.18).

В случае исходной схемы впускной системы (рис. 8.18, а) коэффициент наполнения с увеличением частоты вращения ко­ленчатого вала возрастает до n = 2000 мин^-1 (рис. 8.19), что сви­детельствует о завышенном значении для данной схемы подвода воздуха к впускным клапанам фазы запаздывания закрытия впускных клапанов (ф₄ = 56 °ПКВ). При переходе к схеме кол­лектора с подводом воздуха к каждому цилиндру отдельными

в

312

каналами 7 длиной l » 300 мм (рис. 8.18, б), коэффициент на- полнения с увеличением часто- ты вращения уменьшается. Увеличение длины каналов подвода воздуха к впускным клапанам до 700 мм (рис. 8.18, схема в) изменяет не только характер зависимости коэффи- циента наполнения от частоты вращения коленчатого вала (в сравнении с вариантом, пред- ставленным на рис. 8.18, б), но и увеличивает значения

коэффициента наполнения в диапазоне изменения частоты

1400 1600 1800 2000 п, мин¹ вращения 1300-2000 мин"¹ на

6-7 % в сравнении с исходным

Рисунок 8.19 - Влияние впускной системы

3. ³ вариантом (схема а на рис.

8.18). Среднее давление насос- ных потерь при переходе от

исходного варианта (схема а на рис. 8.18) впускной системы к варианту схемы впускной системы в (рис. 8.18) увеличилось в этом диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала примерно на 0,1-10⁵ Па. Эта энергия ушла на увеличение кинети- ческой энергии потока во впускных каналах 7 на тактах впуска, увеличение колебания давления и скорости потока в каналах подвода воздуха к впускным клапанам (рис. 8.20).

Влияние схемы подвода воздуха к впускным клапанам на изменение коэффициента наполнения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала обусловлено изменением газодина­мических процессов в каналах подвода воздуха к впускным кла­панам 7 и во впускном коллекторе 1 (рис. 8.20). При переходе от исходной схемы a к схеме б с короткими индивидуальными кана­лами 7 подвода воздуха к впускным клапанам возросло взаимное влияние газодинамических процессов в каналах подвода воздуха. Это предопределило заметное смещение от НМТ максимальных

на коэффициент наполнения дизеля

4Ч12/14 (СМД-14)

313

значений давления воздуха у впускных клапанов по отношению к моментам их закрытия, динамику его изменения, уменьшение до- зарядки цилиндра с увеличением частоты вращения коленчатого вала. В случае схемы в впускной системы (длина впускных кана­лов l = 700 мм) разгон газа в канале подвода воздуха на такте впуска во втором цилиндре частично используется для увеличе­ния скорости потока в этом же канале на такте впуска в первом цилиндре (порядок чередования тактов впуска - 1-3—4-2-1), что предопределяет увеличение давления у впускного клапана перво­го цилиндра (кривая 4 на рис. 8.20). То же явление имеет место и в канале подвода воздуха к впускным клапанам третьего и чет­вертого цилиндров (кривая 5 на рис. 8.20). Сокращение длины впускного коллектора 1 уменьшило также колебания давления на входе во впускной канал, что также несколько увеличило коэф­фициент наполнения.

Рисунок 8.20 - Осциллограммы изменения давления воздуха у впускных клапанов и на входе во впускной коллектор дизеля 4Ч12/14 (СМД-14, n = 1700 мин^-1):

а - схема канала представлена на рис. 8.18, а; б - схема канала представлена на рис. 8.18, б; в - схема канала представлена на рис. 8.18, в;

1 - отметка ВМТ; 2 - атмосферная линия; 3 - отметка времени; 4, 5, 6 - изменение давления воздуха у впускных клапанов I-II, III-IV цилиндров и на входе во впускной коллектор

314

Возможно также улучшение наполнения надпоршневой по­лости в четырехтактном двигателе и при использовании индиви­дуальных каналов подвода воздуха к впускным клапанам, если исключить взаимное влияние газодинамических процессов в ка­налах. Это достигается увеличением диаметра (объема коллекто­ра 1 на рис. 8.18) или путем подсоединения индивидуальных впускных каналов к общей емкости (воздушному фильтру увели­ченного объема), подбором длины каналов 1_к. Причем каждому значению частоты вращения коленчатого вала будет соответство­вать определенная длина впускного канала, при которой период свободных колебаний столба воздуха в каналах после закрытия впускных клапанов будет примерно равен полупериоду вынуж­денных (продолжительности такта впуска),

3. lj С = 180/6 n, (8.44)

где С = 340 м/с - скорость распространения звука при условиях во впускном канале.

Значения коэффициента наполнения при настройке впуск­ной системы зависят также и от фазы закрытия впускных кана­лов. Ряд фирм разработали и поставили на производство двигате­ли с искровым зажиганием, в которых и длина индивидуальных впускных каналов и фазы газораспределения изменяются в зави­симости от частоты вращения коленчатого вала, что значительно усложнило его конструкцию. Практически тот же результат по характеру изменения коэффициента наполнения и его значению в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, достигается и при неизменном значении длин впускного канала и неизменной фазе запаздывания закрытия впускного канала, если длина впуск­ного канала соответствует оптимальной по коэффициенту напол­нения для режима максимального крутящего момента, а фаза за­паздывания закрытия впускного клапана - оптимальной при этой длине на режиме максимальной мощности (кривая г на рис. 8.19).

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните особенности методов моделирования газоди­намических процессов в газовоздушных трактах двигателей.

315

2. Объясните условие резонанса свободных колебаний газа в газовоздушных каналах.

3. Как происходит преобразование волн сжатия и разреже­ния у открытого конца трубы постоянного сечения?

4. Как происходит преобразование волн сжатия и разреже­ния у закрытого конца трубы постоянного сечения?

5. Объясните взаимодействие волн сжатия и разрежения в трубе постоянного сечения.

6. Каков механизм разгона газа от состояния покоя до зна­чений скорости установившегося течения при заданных значени­ях перепада давления в трубе постоянного сечения?

7. Как происходит торможение газа в трубе постоянного се­чения?

8. Оцените возможность образования ударной волны в вы­пускном канале двигателя.

9. Объясните особенности течения газа:

• на входе во впускной канал двигателя;

• через впускной клапан;

• через выпускной клапан.

10. Как влияют параметры впускной системы на процессы газообмена в надпоршневой полости четырехтактного двигателя?

11. Как влияют параметры выпускной системы на процессы газообмена в надпоршневой полости четырехтактного двигателя?

12. Как влияют параметры выпускной системы на процессы газообмена в надпоршневой полости двухтактного двигателя?

13. Обоснуйте возможные пути повышения коэффициента наполнения быстроходного четырехтактного двигателя.

14. Обоснуйте возможные пути снижения насосных потерь в четырехтактном двигателе.

Список литературы к главе 8

1. Симсон А.Э. Газотурбинный наддув дизелей. - М.: Маш- гиз, 1964. - 248 с.

2. Симсон А.Э. Исследования газотурбинного наддува теп­ловозных дизелей: Автореф. докт. дисс. - Харьков: ХИИТ, 1970.

• 33 с.

316

3. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания - М.-К.:Машгиз, 1950. - 481 с.

4. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газо­динамику. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1946. - 185 с.

5. Ландау Л.Л., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. - М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1954. - 788 с.

6. Риман Б. Сочинения - М.-Л.: Гостехиздат, 1948. - 543 с.

7. Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилиней­ных уравнений и их приложения к газовой динамике. - М.: Нау­ка, 1968. - 591 с.

8. Дьяченко В.Г. Газообмен в двигателях внутреннего сго­рания: Учебное пособие. - Киев: УМК ВО, 1989. - 204 с.

9. Назаренко Д.А. Исследование процесса наполнения че­тырехтактного двигателя внутреннего сгорания с газодинами­ческим наддувом: Автореф. канд. дисс. - Харьков: ХИИТ, 1977.

• 24 с.

10. Вихерт М.М., Грудский Ю.Т. Конструирование впускных систем быстроходных дизелей. - М.: Машиностроение, 1982. - 150 с.

317