Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние расчетно экспериментальных исследований процессов газообмена четырехтактного ДВС 11
1.1 Базовые понятия процессов газообмена четырехтактного ДВС 11
1.2 Основные газодинамические, термодинамические, конструктивные и режимные факторы 14
1.3 Течение в газовоздушном тракте 15
1.4 Газодинамические расчеты 19
1.5 Методы исследования 37
1.6 Программные решения 43
1.7 Перспективные направления совершенствования процессов газообмена 44
1.8 Выводы по главе 1 51
2 Моделирование процессов газообмена в цилиндре четырехтактного ДВС 53
2.1 Математическая модель процессов газообмена в четырехтактном ДВС 53
2.2 Исходные положения теплофизики процессов газообмена 54
2.3 Базовые уравнения математической модели 60
2.4 Основные выражения процесса выпуска газов 62
2.5 Методические основы моделирования индикаторного процесса 67
2.6 Алгоритмы расчета индикаторных параметров в различных фазах газообмена 75
2.7 Выводы по главе 2 83
3 Разработка методики расчета продувки четырехтактного двс на базе диффузионной модели смешения свежего заряда и остаточных газов 84
3.1 Гипотезы о характере перемешивания при продувке
3.2 Основные понятия процесса диффузия 87
3.3 Математическое моделирование диффузии в цилиндре двигателя при продувке 89
3.4 Оценка качества продувки и контроль баланса массы 111
3.5 Выводы по главе 3 113
4 Расчетно-экспериментальные исследования процессов газообмена 114
4.1 Технические характеристики четырехтактного судового дизельного двигателя 6ЧН20/27 114
4.2 Исходные данные 115
4.3 Профилирование выпускной и впускной кулачной шайбы по методу Курца 116
4.4 Результаты моделирования процессов газообмена двигателя 6ЧН20/27. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных. 119
4.5 Результаты расчетов процесса газообмена с применением гипотезы диффузионного смешения 123
4.6 Исследование факторов, влияющих на процессы газообмена 127
4.7 Настройка рабочего процесса двигателя с использованием разработанной математической модели 142
4.8 Выводы по главе 4 144
Заключение 146
Использованные источники
- Основные газодинамические, термодинамические, конструктивные и режимные факторы
- Основные выражения процесса выпуска газов
- Математическое моделирование диффузии в цилиндре двигателя при продувке
- Результаты расчетов процесса газообмена с применением гипотезы диффузионного смешения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время
четырехтактные дизельные среднеоборотные двигатели внутреннего
сгорания являются основными в составе энергетических установок кораблей
и судов флота Мьянмы. Повышение производительности общественного
труда связано с ростом энерговооруженности применяемых технических
средств, как следствие, основная перспективная задача двигателестроения
состоит в повышении мощности, экономичности, эффективности,
надежности и улучшении экологических качеств энергетических установок различного назначения, в том числе в совершенствовании систем воздухоснабжения и газовыпуска. Как следствие, совершенствование газораспределительных механизмов и повышение качества процессов газообмена четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, являются актуальными.
Качество процессов газообмена определяется процессами выпуска, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом, причем важнейшие параметры, характеризующие газообмен, - количества продувочного воздуха и остаточных газов, - определяются процессом продувки. Математическое моделирование течений газовых смесей является достаточно хорошо изученной проблемой, над которой работали многие исследователи: Васильев А.В., Грехов Л.В., Гусев А.В., Дьяченко В.Г., Зайцев А.Б., Зотов Л.Л., Ивин В.И., Круглов М.Г., Орлин А.С., Рудой Б.П. и. т.д.
Газодинамические процессы, происходящие в надпоршневой полости четырехтактного двигателя и в смежных системах воздухоснабжения исключительно сложны, что предопределяет стремление применять конечно-элементные модели, в минимальной степени обеспеченные соответствующим эмпирическим насыщением. Математические модели газообмена на основе квазистационарного подхода имеют большую практику применения, дают хорошие результаты по точности и информативности, но в них реализованы упрощенные механизмы смешения остаточных газов и свежего заряда.
В математических моделях продувки для определенности в виде гипотезы присутствуют механизмы перемешивания продуктов сгорания и свежего заряда. С целью приблизиться к физическому подобию процессов распространения теплоты и распределения газов в цилиндре двигателя, представляется актуальным применение гипотезы о преимущественно диффузионном механизме процессов выравнивания концентраций различных факторов при продувке четырехтактного ДВС. Собственно диффузионные процессы в цилиндре ДВС на дифференциальном уровне в общем виде описаны, однако математические модели и алгоритм расчета процессов газообмена, в которых продувка четырехтактного двигателя рассматривается на базе уравнения диффузии, отсутствуют. С учетом изложенного тема работы является актуальной.
Цель исследования: состоит в уточнении математической модели и методики расчета процессов газообмена четырехтактного судового ДВС на базе диффузионной гипотезы смешения остаточных газов и свежего заряда.
Задачи исследования:
систематизация научного задела по проблеме:
-разработка математической модели процессов газообмена с учетом изменения давления и температуры во впускной и выпускной системах;
-разработка математической модели процесса продувки на базе диффузионной гипотезы смешения остаточных газов и свежего заряда;
-разработка методики расчета процессов газообмена в цилиндре дизеля с перемешиванием остаточных газов и свежего заряда на базе диффузионной гипотезы смешения.
Научная новизна:
1. Предложена математическая модель процессов газообмена, в которой
интегрирование дифференциальных уравнений производится с применением
линеаризации дифференциальных уравнений в пределах расчетного
интервала, что обеспечило их аналитическое решение относительно
приращения параметров на интервале и позволило назначать величину
расчетных интервалов исходя из требований к допустимой величине
шаговых приращений параметров.
2. Предложена математическая модель процесса продувки
четырехтактного ДВС, в которой разнородные явления взаимодействия
остаточных газов и свежего заряда описываются диффузионным уравнением
смешения.
Достоверность и обоснованность научных результатов
обеспечиваются введением обоснованных допущений, применением
фундаментальных уравнений теории термо- и газодинамики, совпадением расчетных результатов с данными испытаний двигателя 6ЧН20/27, ошибка определения площади индикаторной диаграммы насосных ходов между расчетными и экспериментальными данными оставила 0,5%.
Практическая значимость состоит в уточнении параметров продувки и наполнения цилиндра ДВС расчетными методами, а именно, коэффициента наполнения, коэффициента остаточных газов, коэффициента продувки, что обеспечивает возможность применения разработанных методик при проектировании четырехтактных среднеоборотных дизелей.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора
проводились: сбор и обработка информации по проблеме, разработка
математических моделей, реализация математических моделей в
компьютерные программы, выполнение расчетных исследований и анализ полученных результатов
Апробация работы: Основные положения диссертации доложены в 7 научных докладах на научно-технических конференциях СПбГМТУ
“Актуальные проблемы развития поршневых ДВС” (СПб, 2010 г.), “Актуальные проблемы морской энергетики” (СПб, 2012, 2013 и 2014 гг.)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи в журналах Перечня ВАК РФ, 8 статей опубликованы в трудах СПбГМТУ и материалах научно-технических конференций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 204 стр. текста, включая 10 таблицы, 44 рисунка. Список литературы представлен 275 источниками.
Основные газодинамические, термодинамические, конструктивные и режимные факторы
Факторы, влияющие на качество процессов газообмена можно разделять на газодинамические и конструктивные. Свежий заряд при смешении с остаточными газами нагревается, дополнительный нагрев имеет место вследствие контакта с внутренними поверхностями цилиндра, - днищем поршня, втулкой, клапанами. Это приводит к снижению плотности воздуха, увеличению потерь на впуске и уменьшению коэффициента наполнения н.
В двигателе с наддувом от приводного компрессора отношение давленией рк/рр 1, при газотурбинном наддуве это соотношение в основном зависит от к.п.д турбокомпрессора и может быть как меньше, так и больше единицы [146]. В большинстве случаев увеличение отношения рк/рр приводит к улучшению очистки и наполнения цилиндра свежим воздухом [179]. При рк/рр 1 с ростом частоты вращения перепад давления при впуске и выпуске увеличивается, что приводит к росту потерь и снижению н. Уменьшение отношения рк/рр сопровождается ухудшением качества сгорания в цилиндре за счет увеличения количества ОГ, и следовательно снижением экономичности двигателя [219]. При этом необходимо учитывать наличие баланса мощностей турбины и компрессора, величину обобщенного показателя эффективности системы газотурбинного наддува [190]. В импульсных системах наддува значение рр несколько меньше, чем в системах наддува с постоянным давлением перед турбинной.
Чем больше потеря давления в впускной системе ра тем меньше давление ра в начале сжатия, ниже плотность свежего заряда и коэффициент наполнения, соответственно возрастают насосные потери. Сопротивление во впускной системе главным образом зависит от сопротивления впускного клапана, а также от наличия поворотов и разветвлений в партубках [60], конструкции впускного коллектора [7, 116], аэродинамических потерь в клапанных щелях [113, 249, 273], местных сужений и шероховатости поверхности каналов в головке цилиндров и впускном трубопроводе, охладителя воздуха, воздухоочистителя и.т.д. Улучшение гидравлической характеристики органов газораспределения значительно повышает наполнение двигателя при длинных впускных трубопроводах или при высоких числах оборотов.
Возрастание сопротивления выпускной системы при наличии глушителя, нейтрализатора, турбины турбокомпрессора и системы трубопроводов, в частности сопряжений патрубков с коллекторами [103, 243], может привести к увеличению затрат работы на газообмен, количества остаточных газов, соответственно к уменьшению коэффициента избытка воздуха, коэффициента наполнения, и ухудшению индикаторного к.п.д. [38, 170, 171].
Оптимизации при проектировании подлежат [220]: длина и объем коллекторов и ресиверов [187, 202], диаметр цилиндров, число клапанов, ход поршня и отношение хода поршня к диаметру, фазы газораспределения [36, 37], кинематика клапанного привода, диаметр клапанов, степень сжатия [35]. Помимо изложеного в ряде двигателей имеет место установка специально профилированных каналов (винтовых и тангенциальных), дополнитеьных заслонок, отклоняющих пластин, сложные системы турбонаддува, высокоэффективные турбокомпрессоры.
При этом для достижения эффективности процесса необходимо учитывать величину соотношения между давлением воздуха в ресивере рк и противодавления на выпуске рр, температуру воздуха в ресивере Tк, цикловую подачу топлива, частоту вращения коленчатого вала, характер нестационарности течения [89], колебания давления, волновые явления во впускных и выпускных органах [123].
С ростом нагрузки и частоты вращения коэффициент н несколько уменьшается [185, 247]. Следствие этого, при изменении частоты вращения в некоторых двигателях применяют регулирование фаз газораспределения и/или управление длиной впускных трубопроводов.
Нестационарность процессов газообмена обусловлена цикличностью рабочих процессов, высоким уровнем диссипации энергии. Сложная конфигурация впускных и выпускных систем формирует многообразие вариантов движения среды в цилиндрах и в системах впуска и выпуска. Выпускные и впускные каналы предствляют собой криволинейные каналы переменного по длине сечения, в которых имеются цилиндрические, диффузорные и конфузорные участки. Осевая линия канала в головке цилиндра изогнута в вертикальной и в горизонтальной плоскостях. При изучении структуры потоков в выпускных системах ДВС наличие теплообмена на охлаждаемых и неохлаждаемых стенках, высокая температура рабочего тела и конструктивных элементов, высокие скорости потоков затрудняют экспериментальное исследование явлений. Изучение газовых потоков в проточных частях ДВС производят специальными средствами, в том числе методами стробоскопической визуализации [88, 132].
Показано, что процесс выпуска характеризуется наличием скачков уплотнений, локализованных или развитых нестационарных трехмерных отрывов пограничного слоя [57], интенсивной турбулентностью, сопровождающейся интенсивным теплообменом рабочего тела со стенками канала, возможными вихревыми и поперечными течениями, деформацией и смещением ядра потока, его закруткой, отторжением вихревых зон от стенок, наличием продольных и поперечных нестационарных градиентов давлений [80, 83, 84, 222], неравномерностью распределения температуры газа, сверхкритическими перепадами давлений и.т.д. При этом конфигурация канала (повороты потока, чередование конфузорных и диффузорных участков, наличное стержня клапана в потоке, кольцевой вход газа в канал, разветвления трубопроводов), взаимодействие процессов в органах всех газовоздушных систем, порядок работы цилиндров [42, 44, 80, 85] значительно влияют на характер течения, приводят к сложной волновой картине, образованию возвратных течений и застойных зон.
Наличию инерционных явлений посвящены выполненые в МВТУ работы, опубликованные в 1980-е годы [38, 210, 106]. Замечено, что наиболее полная продувка цилиндра происходит в том случае, если волна разрежения подходит к выпускному клапану в период перекрытия клапанов. Вследствие понижения давления в начале впуска это приводит к уменьшению затрат энергии на выталкивание ОГ.
Основные выражения процесса выпуска газов
Изменения параметров рабочего тела в цилиндре в периоде газообмена описываются уравнениями первого закона термодинамики для открытых систем с изменяющимися объемом и внутренним теплосодержанием, массового баланса и уравнением состояния. Кроме того, изменения этих параметров определяются в результате взаимодействия процессов в цилиндре и в газо-воздушном тракте. Следовательно, граничные условия на стыке трубопроводов с цилиндром устанавливаются путем совместного моделирования процессов в этих элементах.
Граничные условия применительно к цилиндру в течение периода газообмена являются комбинацией двух границ: в сечении выпускного и впускного клапанов. Предполагается, что в любой момент термодинамические переменные однородны всюду по объему цилиндра. В любой момент времени граничные условия на обоих клапанах определены на основании направления истечения рабочего тела через границы.
Соответственно, при этом необходимо определить законы изменения проходных сечений в клапанах (диаграмма время-сечение). Поскольку при малом подъеме выпускного клапана поток газа истекает в сверхкритичеком состоянии, расход газа может достигать значительных величин. По этой причине расчет проходного сечения при малом подъеме выпускного клапана необходимо выполнять с высокой точностью. Теоретически этот вопрос изложен в работе [191], приведены точные формулы для расчета проходного сечения клапана для любых геометрическых соотношений.
Принято, что проходное сечение при определенном подъеме клапана геометрически ограничивается посадочными поверхностями в виде усеченного конуса. Для расчета проходного сечения полный подъем клапана расчеленяется на четыре случая [213]. 2.2.2 Начальные условия
Для конкретизвции начальных условий выполняется расчет индикаторного процесса при ориентировочно оцененных параметрах рабочего тела и свежего заряда во впускной и выпускной системах [117]. На начало выпуска в цилиндре двигателя устанавливаются определение параметры pb и Tb, полученных из расчета рабочего цикла. Параметры свежего заряда в ресивере двигателя рк и Тк, а также параметры рр и Тр в выпускной системе, назначаются по результатам расчетной балансировки.
В связи с изложенным целью расчета процессов газообмена является определение мгновенных количеств рабочего тела в цилиндре в различных фазах процесса и обоснование геометрических размеров проходных сечений окон и клапанов, а также проверка и согласование заложенных инженерных решений. На базе квазистационарной методики рассматриваются процессы в цилиндре и в смежных впускной и выпускной системах, то есть в любой момент времени и во всех точках системы и на ее границах устанавливается равновесное состояние термодинамических параметров. Расчет проводится последовательно для относительных малых интервалов по углу поворота коленчатого вала (или по времени). На каждом интервале в соответствии с фазой процесса для каждой полости определяется изменение содержащейся в ней массы газа по уравнению состояния и по уравнению сохранения массы как разность между втекающим и вытекающим количеством рабочего тела. Система уравнений решается относительно изменения давления на расчетонм интервале. По результатам расчета давления и температуры определяются расходы рабочего тела и свежего заряда на впуске на каждом расчетном интервале. Уравнение баланса массы используется для проверки локальной точности и корректировки шаговых приращений параметров. При определении коэффициента наполнения учитывается возможность возврата в цилиндр продуктов сгорания в период перекрытия клапанов, а также обратный заброс в период запаздывания закрытия впускного клапана.
Таким образом, на расчетном шаге с учетом впуска и выпуска определяются приращения давления Ар, плотности Ар и массы dM. Далее вычисляются текущие параметры газообмена: давление р и температура Т в цилиндре, суммарные массы свежего заряда, вошедшего в цилиндр UdMe„, и продуктов сгорания, покинувших цилиндр UdMebm, текущая работа газообмена UpdV. После достижения цикловой сходимости рассчитываются итоговые показатели процессов газообмена - коэффициент наполнения цv, среднее давление потерь Арго, коэффициент остаточных газов у и др.
Математическое моделирование устанавливает параметрическую связь между физическими величинами, характеризующими состояние системы и интенсивность процессов в соответствии с принятыми допущениями и внешними воздействиями. При рассмотрении течения воздуха и газов в процессах газообмена эта связь устанавливается уравнениями термодинамики и газодинамики в сплошной среде: уравнением энергетического баланса, уравнением сохранения массы в цилиндре, уравнением сохранения количества движения жидкости, уравнением момента количества движения, уравнением неразрывности и уравнением состояния рабочего тела.
Уравнение неразывности выражает закон сохранения массы. Уравнения газовой динамики принимают для элементарной струйки газа, поперечные размеры которой настолько малы, что в каждом ее сечении можно считать постоянными все основные параметры потока: скорость, давление, температуру и плотность газа [264]. Уравнение неаразрывности для одномерного потока и отсутствии разрывов сплошности в движущейся среде уравнение неразрывности имеет вид + р— + и + р—— = 0 . (2.2)
Согласно второму закону Ньютона элементарное изменение количества движения равно элементарному импульсу силы. Изменение количества движения перемещающегося объема неизменной массы газа происходит за счет изменения скорости. Уравнение отражает физической закона сохранения, изменение количества движения определяется полной производной от скорости [1]. Уравнение движения газа для одномерного потока имеет вид
Математическое моделирование диффузии в цилиндре двигателя при продувке
Математическое моделирование процессов газообмена с учетом явления диффузии представляется новым подходом в практической реализации механизма перемешивания продуктов сгорания и свежего заряда при продувке четырехтактного ДВС. Уравнение неразрывности с учетом диффузии имеет вид [69] Величины расхода через клапаны впуска и выпуска можно рассчитать по формулам для одномерного стационарного истечения с учетом допущений о величине температуры и о составе газов в цилиндре и выпускном коллекторе, в том числе с учетом возможного заброса.
Описание процесса диффузии целесообразно выполнить на базе макроскопической модели течения нереагирующей бинарной смеси газов, основанной на квазигидродинамических уравнениях.
Для смеси газов а и Ъ с числовыми плотностями па и щ и, соответственно, массовыми плотностями ра=тапа и pb=mbnb, массами молекул та и ть, имеющих температуру Т и макроскопическую скорость, выражения для диффузионных потоков в бинарной (двухкомпонентной) смеси без химических реакций определяется законом Фика тп, — тп т = -pcaD(V In са + —ь- а- cbV In р) - pcaDTaV In 7і, (3.2) тп тп, — тп т = -pcbD(V In cb + —ь- а- су In р) - pcbDTbV \пТ, (3.3) m где D - коэффициент диффузии бинарной смеси, и DT- коэффициенты термодиффузии. Для смесей легких и тяжелых компонент вклад термодиффузии в перенос массы может стать достаточно заметным. Однако счиается, что для многих течений термодиффузия является эффектом второго порядка по сравнению с массовой диффузией и, как правило, ее влиянием пренебрегают.
Основная сложность применения предлагаемого метода состоит в назначении коэффициентов диффузии. Причина этого состоит в том, что при продувке цилиндра процесс диффузии является комбинированным и протекает под воздействием различных видов перемешивания, следовательно, в математической модели вводятся коэффициенты термодиффузии, бародиффузии [6, 70, 110, 249]. Кроме того, значительно усложняет задачу теоретического обоснования коэффициентов диффузии необходимость учитывать наличие конвективного перемешивания рабочего тела. Следствием названных факторов является то, что скорость диффузии в реальных процессах существенно отличается от расчетной скорости обособленных процессов [115, 245, 272]. Попытки обосновать коэффициент диффузии заимствованием сведений из задач с аналогичными начальными и граничными условиями показали недостаточность имеющихся эмпирических сведений [215]. Условно удовлетворяющие поставленной задаче сведения относятся к узкому кругу задач физики, химического производства [252], медицине [240]. При этом практически полностью отсутствуют экспериментальные данные применительно к диффузионным процессам в ДВС. Задача определения коэффициентов диффузии с учетом названных выше явлений является актуальной и сложной, сдерживающей применение алгоритмов с учетом диффузионных явлений. 3.3 Математическое моделирование диффузии в цилиндре двигателя при продувке 3.3.1 Матеметическое описание процесса диффузионного смешения
Процесс диффузии - явление молекулярного переноса одних компонентов смеси относительно других, - приводящее к установлению равновесного распределения концентраций, теоретически и эмпирически обоснован применительно к процессам с низкой интенсивностью [16, 159]. Применительно к продувке четырхтактного ДВС диффузионный процесс можно представить следующим образом. Объем цилиндра с прилегающими впускным и выпускным патрубками образуют объем единого расчетного пространства. В этом объеме имеются зоны из чистого воздуха и чистых продуктов продукты сгорания, между которыми располагается зона перемешивания, величина которой определяется объемом где осуществляется процесс диффузии. Объем цилиндра представляется имеющим длину траектории осредненной струйки тока. Свежий заряд, поступивший в цилиндр во время продувки, перемешивается с продуктами сгорания в зоне диффузионного контакта [214]. А сама зона диффузионного контакта по мере развития процесса под действием эффекта распространения в объеме, в общем случае постепенно расширяется и перетекает в выхлопной коллектор, а при малой скорости на входе свежего заряда - и в воздушный ресивер.
Предположим, что диффузия (перенос массы) происходит только в направлении оси х (одномерная постановка задачи). Концентрация изменяется в направлении оси х, а в плоскостях, перпендикулярных к направлению диффузии постоянна. Температура компонентов принимается постоянной. Тогда концентрация компонентов будет функцией положения и времени.
В одномерном случае выражение для диффузионных потоков в бинарной (дувхкомпонентомй) смеси без химических реакций (закон Фика) имеет вид j = _D C (3.4) дx где D - коэффициент диффузии, j - плотность диффузионного потока, С = - - массовая р концентрация n-того компонента.
Знак минус в выражении показывает, что перемещение одной компоненты смеси относительно другой происходит в сторону уменьшения концентрации этой компоненты. При использовании законов сохранения из первого закона Фика может быть получен второй закон. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации [155]:
Уравнение определяет изменение распределения концентрации продуктов сгорания в воздухе свежего заряда g в пространстве протяженностью х за интервал времени t. При откритии впускных клапанов начинается процесса продувки. Расчетная модель в начальный момент перед открытием впускных клапанов включает две зоны. В первой, представляющей объем впускных органов, находится свежий воздух. Во второй, представляющей объем цилиндра и выпускные органы, находятся продукты сгорания. Поскольку на всасывании в ДВС могут поступать картерные газы, принято, что в свежем заряде может находиться некоторое количество продуктов сгорания, например, 1%. Тогда доля газов в ресивере составляет g(x,0) = g0 « 0,01; (х 0), а доля уходящих из цилиндра газов в начальный момент времени g(x,0) = g1 1;(x 0). Граничные условия положим: g(-lj} = gm, и g(l,t) = gn.
Результаты расчетов процесса газообмена с применением гипотезы диффузионного смешения
Перепад давлений между коллекторами впуска и выпуска Рк/Рт в период перекрытия клапанов является одним из влияющих факторов на коэффициент наполнения цн. Увеличение противодаления в выпуской системе ухудшает продувку камеры сгорания и ведет к снижению коэффициента наполнения. Направленность влияний этого фактора очевидна. Однако установление определенной величины перепада давления между коллекторами впуска и выпуска в наибольшей степени определяется эффективным к.п.д турбокомпрессора цтк. Применительно к конструкции механизма газораспределения и воздухоснабжения к числу конструктивных факторов, которые в разной степени влияют на устанавливающийся перепад давления относятся длина и гидравлическое совершенство патрубков, частота вращения, особенности конструкции выпускного коллектора и воздухоохладителя.
Влияние отношения PJPm на коэффициент наполнения тем интенсивнее, чем продолжительнее период перекрытия клапанов. Для дизелей с низким цтк или высоким противодавлением отношение Рк/Рт может быть меньше 1, и в этом случае перекрытие фаз газораспределения должно быть минимальным во избежение обратного заброса выхлопных газов в коллектор впуска.
Диаграмма насосных ходов в зависимости от отношения давления в выпускном и впускном трактах.
На рисунке 4.19 показаны кривые изменения давления и температуры в цилиндре применением различных гапотез перемешивания. Сравнение результаты показывают лучшее наполнение при расчете по диффузионной гипотезе за счет уменьшения давления и температуры в цилиндре.
Величины показателей газообмена при различном отношении давления в выпускном и впускном тракте приведены в таблице 4.7. Сопоставляя результаты можно сделать следующие выводы. При увеличении отношения давлений рг/рк от 0,68 до 0,8, насосные потери увеличиваются на 32%, коэффициент наполнения уменьшается на 1,4%, коэффициент продувки уменьшается на 1,5%, коэффициент остаточных газов увеличиается на 9%, то есть имеет место заметное ухудшение показателей газообмена, рисунок 4.20.
Коэффициент эффективности процессов газообмена г.о - 1,001 0,999 0,991 0,983 Мощность двигателя с учетом насосных ходов Ney кВт 658,7 657,5 652,2 646,7 Мощность насосных потерь Nн.п кВт -20,35 -19,15 -13,86 -8,38 Исследование влияния угла предварения выпуска. Предварение открытия выпускного клапана до н.м.т. способствует эффективной очистке цилиндра от продуктов сгорания, достижению наибольших проходных сечений при положении поршня вблизи н.м.т., снижению динамических нагрузок на клапан в начальной стадии его открытия, уменьшению затрат энергии на выталкивание продуктов сгорания. В случае чрезмерно большого угла предварения выпуска уменьшается полезная площадь индикаторной диаграммы и снижается мощность двигателя, а также при чрезмерно малом угле опережения выпускного клапана имеет место потеря площади индикаторной диаграммы на такте принудительного выпуска вследствие увеличения работы по выталкиванию газов из цилиндра. Поэтому правильная установка момента предварения выпуска обеспечивает наименьшие потери мощности в насосных ходах. Описанное явление иллюстрируется рисунком 4.21. Зависимость коэффициента эффективности процесса газообмена имеет максимум, соответствующий оптимальной величине угла опережения и максимальной индикаторной цилиндровой мощности. Изложенное следует воспринимать исключительно на качественном уровне, ибо количественно изменение коэффициента эффективности процесса газообмена значительно меньше 1 %.
Величина показателей газообмена и насосных потерь при изменении угла опережения открытия выпускного клапана показаны в таблице 4.8. Из результатов исследования можно сделать следующие выводы. При увеличении угла предварения открытия выпускного от 50 до 62 насосные потери уменьшаются на 6%, при крайне незначительных изменениях коэффициента наполнения, коэффициента продувки и коэффициента остаточных газов.
Исследование влияния угла перекрытия клапанов при продувке. Продувка камеры сгорания улучшает наполнение цилиндров вследствие удаления остаточных газов направленным движением свежего заряда, и, что особенно важно, поток продувочного воздуха охлаждает наиболее горячие поверхности поршня, крышки и выпускного клапана, уменьшая поток теплоты в конструкцию и понижая теплонапряженность цилиндро-поршневой группы. С увеличением частоты вращения время действия клапана уменьшается; в связи с этим предварение впуска и запаздывание выпуска следует увеличивать.
На рисунке 4.22 приведены кривые изменения давления и температуры в период продувки, рассчитанные с применением различных гапотез перемешивания. По рисунку 4.22 видно, что диффузионный процесс имеет большую результативность в достижении целей продувки – лучшая очистка достигается при снижении потери свежего заряда. Это говорит о том, что при организации продувки целесообразно избегать эффективного перемешивания свежего заряда и остаточных газов.