Характер протекания газообмена в 4-х и 2-тактных дизелях


Процесс газообмена завершает рабочий цикл дизеля. Он оказывает значительное влияние на качество очистки цилиндра от отработавших газов, величину свежего заряда, теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы, работоспособность клапанов и т.д.

Система газообмена состоит из газораспределительных органов цилиндра (впускных и выпускных клапанов, окон, золотников или заслонок) и прилегающих к ним каналов и трубопроводов, входящих в газовоздушный тракт двигателя. Она входит составной частью в общую систему наддува.

Для качественной очистки и наполнения цилиндра свежим зарядом к системе газообмена предъявляются следующие основные требования:

Своевременное открытие и закрытие газораспределительных органов;

  1. Достаточные проходные сечения этих органов;
  2. Рациональное направление потоков воздуха и газов для данной конструкции цилиндра;
  3. оптимальное конструктивное исполнение всего воздушно — газовыпускного тракта (от приема компрессора до конца выпускной трубы), обеспечивающее минимальное гидравлическое сопротивление;
  4. Необходимое количество подаваемого воздуха при соответствующем давлении, определяемом потребностями рабочего процесса.

Газообмен протекает по-разному в различных конструкциях дизелей одного и того же типа. Тем не менее, характер изменения давления в цилиндре в процессе газообмена каждого типа двигателей примерно одинаков, что позволяет процессы обобщить.

Фазы газообмена в 4-х тактном двигателе 

Рис. 1 Диаграмма открытия клапанов двигателя РС — 2 — 2

В 4-тактном форсированном двигателе можно выделить 4-е фазы газообмена в соответствии с диаграммой открытия клапанов.

I фаза — свободный выпуск; протекает от момента открытия выпускного клапана (точка b на рис.) до достижения минимального давления в цилиндре (точка k). От точки b давление в цилиндре снижается резко, достигая минимума за 35 ÷ 40° пкв после НМТ. За этот период из цилиндра удаляется более 1/2 отработавших газов.

II фаза — выталкивание газов движением поршня; протекает от момента достижения минимального давления в цилиндре до момента открытия выпускного клапана (точка f); по ходу выталкивания газов давление в цилиндре вначале повышается в соответствии с изменением скорости поршня, достигая максимума примерно на 1/2 хода. В конце фазы давление в цилиндре становится равным: PцPs (Ps — давление в продувочном ресивере), а коэффициент остаточных газов достигает величины γR = 0,10 ÷ 0,15. За фазу выталкивания из цилиндра удаляется до 40% газов.

Рис. 2 Характер и фазы газообмена 4-тактного дизеля

III фаза — продувка камеры сгорания (кривая fe); определяется перекрытием клапанов — оба клапана открыты, воздух под давлением проходит из продувочного ресивера в камеру сгорания и в выпускной коллектор, очищая камеру сгорания от остаточных газов и одновременно охлаждая органы газообмена и детали цилиндра. К концу продувки коэффициент остаточных газов достигает величины γR = 0,00 ÷ 0,04. Фаза продувки наблюдается и у двигателей без наддува — за счет инерционности столба газов, в результате чего в конце выталкивания в цилиндре создается разрежение.

IV фаза — наполнение цилиндра (кривая ea), совершаемое за счет впускного хода поршня. Давление в цилиндре примерно постоянно; выпуск газов из соседних цилиндров не оказывает никакого влияния, т.к. выпускной клапан уже закрыт. Окончание фазы — за НМТ; хотя впускной клапан закрывается после НМТ, потери заряда при восходящем ходе поршня обычно незначительны. Мало того, несмотря на движение поршня от НМТ к ВМТ, воздух продолжает поступать в цилиндр до закрытия впускного клапана за счет инерционности воздушного столба.

В 2-тактных дизелях также можно выделить 4-е фазы газообмена

I фаза — свободный выпуск газов (линия bk на рис.). Свободный выпуск начинается от момента открытия газовыпускного органа и обычно заканчивается при открытых на определенную величину продувочных окнах, когда давление в цилиндре достигает минимума. Выпуск газов совершается под действием перепада давлений в цилиндре и в выпускном коллекторе.

Рис. 3 Характер и фазы газообмена 2-тактного дизеля

В свою очередь, свободный выпуск подразделяется на 2 периода — надкритический (линия ) и подкритический (линия ok). При надкритическом истечении отношение давлений в цилиндре и в выпускном коллекторе больше критического; Pт / Pц > βкр ≈ 0,528, а скорость истечения равна скорости звука: Cкр = 500 ÷ 600 м/сек.

В подкритической области свободное истечение газов в коллектор происходит при интенсивно уменьшающейся скорости. Давление в цилиндре может упасть ниже давления в выпускном коллекторе за счет эжектирующего действия потока газов.

II и III фазы — принужденный выпуск и продувка — протекают одновременно. В начальный момент открытия продувочных окон (точка d) воздух в цилиндр не поступает, т.к. давление Pd в цилиндре в этот момент больше давления продувочного воздуха: Pd > Ps. На участке может иметь место “заброс” газов в продувочный ресивер. Однако влияние заброса невелико — интенсивное падение давления в цилиндре благодаря увеличивающемуся проходному сечению выпускных органов приводит к быстрому выравниванию давлений в цилиндре и в продувочном ресивере.

Воздух начинает поступать в цилиндр лишь после того, как давление в нем упадет ниже давления продувочного воздуха. Такая задержка момента начала продувки объясняется влиянием инерционности массы воздуха, находящегося в продувочном ресивере. В начальный момент продувки давление в цилиндре резко нарастает вследствие интенсивного увеличения открытия продувочных окон (участок кg). Затем давление относительно стабилизируется до момента перекрытия продувочных окон (точка e).

В начале процесса продувки происходит в основном вытеснение продуктов сгорания из цилиндра и замещение их воздухом. В дальнейшем в контурных системах продувки увеличивается перемешивание воздуха и продуктов сгорания. В прямоточных системах наблюдается послойное вытеснение продуктов сгорания поступающим в цилиндр продувочным воздухом.

IV фаза — потеря заряда (участок ea на рис.); характеризуется частичным открытием выпускных органов при закрытых продувочных окнах и восходящем движении поршня. Продувочный воздух в цилиндр не поступает; наоборот, поршень выталкивает в выпускной коллектор часть заряда, находящегося в цилиндре. Для компенсации потери заряда выпускные органы стремятся закрыть одновременно или даже ранее продувочных. В последнем случае IV фаза включает в себя как потерю заряда, так и дозарядку цилиндра.

Процессы очистки и наполнения цилиндров являются причиной возникновения волн давления и разрежения в выпускных и продувочных ресиверах. Газообмен — это газодинамический процесс. Волны распространяются со скоростью звука, отражаются от глухих концов трубопровода и, в свою очередь, оказывают существенное влияние на процессы газообмена. Они могут создать “подпор” на выпуске и затруднить очистку цилиндра; аналогично влияние волны разрежения в продувочном ресивере. По указанной причине давление в различных цилиндрах двигателя к моменту начала сжатия может быть различным. Соответственно различно весовое количество воздуха в цилиндре; условия работы цилиндров неидентичны.

Дизелестроительные фирмы проводят большие доводочные и исследовательские работы по выбору оптимальных моментов газораспределения, использованию волновых явлений для улучшения очистки и дозарядки цилиндров.

Читайте также:

Характеристика процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля по индикаторной диаграмме

Система газообмена 4-тактных дизелей

Март, 21, 2015 1244 0
Читайте также