Коэффициент остаточных газов двигателя

Главное меню

Судовые двигатели

После окончания процесса выпуска часть продуктов сгорания, именуе­мая остаточными газами, остается в цилиндре и смешивается с поступающим свежим зарядом. Степень очистки цилиндра от продуктов сгорания оцени­вается коэффициентом остаточных газов ?_r, которым называется отношение количества молей остаточных газов М_r к количеству молей свежего заряда L.

Как это было показано ранее, с увеличением ?_r уменьшается коэффи­циент наполнения и уменьшается количество свежего заряда. Необходимо, чтобы коэффициент остаточных газов был минимальным.

Если для четырехтактных двигателей без наддува принять, что объем остаточных газов при температуре Т_r и давлении р_r равен объему камеры сжатия, то значение коэффициента остаточных газов определится

При работе с наддувом р = р_к и Т = Т_к, если не учитывать продувку камеры сгорания, коэффициент остаточных газов четырехтактного двигателя будет равен

Из полученного выражения (18) следует, что чем больше ?, тем меньше будет ?_r; объясняется это тем, что при увеличении е уменьшается объем камеры сжатия, а следовательно, и уменьшается количество остаточных га­зов. С повышением давления остаточных газов р_r и понижением их темпе­ратуры T_r ?_r увеличивается, так как плотность остаточных газов при этом повысится, а следовательно, возрастает и их количество.

Величина давления р_r определяется противодавлением в выпускном тракте и числом оборотов двигателя. Обычно р_r колеблется от 1,02 до 1,15 ата. Наименьшие значения имеют тихоходные двигатели, а наиболь­шие — быстроходные. При работе с наддувом р_r зависит от величины дав­ления наддувочного воздуха.

Величина температуры остаточных газов Т_r зависит от степени сжатия, от нагрузки и числа оборотов двигателя. С увеличением степени сжатия Т_r уменьшается, так как при этом возрастает степень расширения. При увели­чении нагрузки и числа оборотов двигателя температура Т_r возрастает.

Коэффициент остаточных газов четырехтактных дизелей без наддува равен 0,06—0,04 и при наддуве 0,04—0,02; при наличии продувки камеры сгорания ?_r становится равным нулю.

В карбюраторных четырехтактных двигателях ?_r достигает величины 0,07—0,12. Такое большое значение ?_r карбюраторных двигателей объяс­няется малой степенью сжатия у них.

ПАРАМЕТРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ОСТАТОЧНЫЕ ГАЗЫ

1. Давление и температура окружающей среды.Двигатель будет работать без наддува (с наддувам) согласно исходных данных, поэтому давление окружающей среды выбираем ро = 0,1Мн/м2 (кг/см2), а температуру — Т0 = 288°…300° К.

При работе двигателей с наддувом воздух поступает в цилиндр не из атмосферы, а из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчете рабочего процесса двигателя с наддувом принимается равной давлению рк и температуре Тк воздуха на выходе из компрессора. В зависимости от степени наддува давление наддувочного воздуха принимается:

Температура воздуха после компрессора

где пк — показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (нагнетателе).

Из выражения следует, что температура воздуха после компрессора зависит от степени повышения давления в нагнетателе и показателя политропы сжатия.

Величину пк принимают по опытным данным в зависимости от типа наддувочного агрегата и степени охлаждения:

2. Давление остаточных газов.В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме Vc камеры сгорания. Величина давления остаточных газов рrустанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, систем охлаждения и других факторов.

Для автомобильных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу

Большие значения рrпринимаются для высокооборотных двигателей. Для двигателей с наддувом и наличием газовой турбины на выпуске

3. Температура остаточных газов. В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, числа оборотов, нагрузки и коэффициента избытка воздуха принимают значение температуры остаточных газов, которая для бензиновых двигателей при работе на номинальном режиме изменяется в пределах Тr=900-1100° К, для дизелей — Тr=700-900° К.

ПРОЦЕСС ВПУСКА

1. Температура подогрева свежего заряда.Учитывая высокое число оборотов и желание получить хорошее наполнение двигателя, принимается для бензинового и дизеля ∆Т=5º-7º

Плотность заряда на впуске

где В — удельная газовая постоянная. Для воздуха

где R = 8315 дж/кмоль град — универсальная газовая постоянная.

Потери давления на впуске.

Потери давления Δра за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

где β — коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξ вп — коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее

ωВП — средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах);

ρк и ρо — плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при рк = ро и ρк = ρо).

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β2 + ξВП)

Величина Δра у четырехтактных двигателей без наддува на номинальном режиме колеблется в пределах: для бензиновых двигателей Δра= (0,06÷0,20) р0 Мн/м2, для дизелей Δра = (0,04÷0,18) р0 Мн/м2.

При работе двигателя с наддувом значение ра приближается к рк, однако абсолютные значения сопротивлений во впускных органах возрастают.

Для четырехтактных двигателей с наддувом

4. Давление в конце впуска.Для двигателей с наддувом и без наддува.

или

5. Коэффициент остаточных газов.Величина коэффициента остаточных газов уrопределяет качество очистки цилиндров от продуктов сгорания. С увеличением уrуменьшается количество свежего заряда, которое может поступить в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

где ε — степень сжатия, Тк = Т0 – температура после компрессора или температура окружающей среды.

В четырехтактных двигателях величина γrзависит от степени сжатия, параметров рабочего тела в конце впуска и выпуска, числа оборотов и других факторов.

С увеличением степени сжатия ε и температуры остаточных газов Тrвеличина γrуменьшается, а при увеличении давления остаточных газов и числа оборотов — возрастает:

При применении наддува величина коэффициента остаточных газов снижается.

12. Температура в конце впуска.Эту температуру Та с достаточной степенью точности определяют на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки а:

где — количество теплоты, внесенное свежим зарядом, с учетом подогрева заряда от стенок;

— количество теплоты, заключающееся в остаточных газах;

— количество теплоты, заключающееся в рабочей смеси.

Принимая в уравнении mcp— mcp» = mcp׳ получим

Величина Та в основном зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени — от температуры остаточных газов.

У современных четырехтактных двигателей без наддува температура в конце впуска будет:

Коэффициент наполнения.

Для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра

для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки φп=φд=1;

Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, степени его быстроходности и совершенства системы газораспределения.

Значение коэффициента наполнения для сравнения:

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

1.Средний показатель адиабаты сжатия k1 при заданном (ε) и (Та) определяют по графику

Рис. 7. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k1

2. Средний показатель политропы сжатия.Величина n1 устанавливается по опытным данным в зависимости от числа оборотов двигателя, степени сжатия, размеров цилиндра, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов. Однако, учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015-0,005 сек на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величина п1 может быть оценена по среднему показателю адиабаты сжатия k1.

Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, принимают

3. Давление и температура в конце процесса сжатияопределяются из уравнения политропы с постоянным показателем п1:

Для современных автомобильных и тракторных двигателей давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах (для сравнения):

Коэффициент остаточных газов

В камере сгорания остаётся не вытесняемая поршнем чаек, продуктов сгорания — Mr, называемых остаточными газами.

Отношение числа киломолей остаточных газов Mr, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла, к числу киломолей свежего заряда , поступившего в цилиндр в процессе впуска называется коэффициентом остаточных газов т.е.

(1.17)

где Mr — число киломолей остаточных газов;

— число киломолей топливовоздушной смеси.

Величина коэффициента остаточных газов -характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и рассчитывается по формуле:

(1,18)

где: — подогрев свежего заряда на впуске, К;

— температура остаточных газов, К;

-давление остаточных газов, МПа;

— степень сжатия.

С точки зрения получения наибольшей экономичности двигателя оптимальное значение степени сжатия находится и пределах от 11до 13 [2]

Ориентировочные значения геометрической степени сжатия для современных автотракторных двигателей составляют [2]:

• дня карбюраторных двигателей — от 6 до 9;

• для дизелей без наддува — от 16 до 20;

• для дизелей с наддувом — от 12 до 15

• в отдельных высокофорсированных автомобильных карбюраторных двигателях 11.

Как видно, реальные значения степени сжатия расходятся с оптимальными. В карбюраторных двигателях оптимальное значение степени сжатия недостижимо в связи с возникновением детонационного сгорания. В дизелях фактические значения степени сжатия превышают оптимальные в связи с необходимостью создания надёжного самовоспламенения впрыскиваемого топлива на любом режиме работы, учитывая, что температура в процессе сжатия к моменту впрыскивания топлива должна на 200. 400°С превышать температуру самовоспламенения топлива.

При расчёте величины , , принимаются исходя их существующих данных по двигателям [2].

Для карбюраторных двигателей:

= -5 . +25 К;

= 900. 1100 К;

, МПа.

Для дизелей без наддува:

= +20 . +40 К;

= 600 . 900 К;

, МПа.

Для дизелей с наддувом:

= 600 . 900 К;

, МПа.

Для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой:

;

=600. 900 К;

,МПа.

Значение для автотракторных двигателей варьирует в следующих пределах:

• для бензиновых и газовых двигателей без наддува — от

• для дизелей без наддува и с наддувом — от 0,03 до 0, О6;

• для двухтактных дизелей с прямоточной продуктивности от 0,04 до 0,1

Температура в конце впуска

Температура газа, находящегося в цилиндре двигателя _в конце впуска, зависит от температуры рабочего тела , температуры остаточных газов , коэффициента остаточных газов подогрева свежего заряда :

(1,19)

У современных четырёхтактных двигателей значение варьирует вследующих пределах:

• для карбюраторных двигателей — от 320 до 380 К;

• для дизелей без наддува — от 310 до 350 К;

• для четырёхтактных дизелей с наддувом и двухтактные дизелей с прямоточной продувкой — от 320 до 400 К.

Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе впуска, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра Vh при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд ( и -для двигателей без наддува; и — для двигателей с наддувом).

(1,20)

Для четырёхтактных двигателей значение составляет

• для карбюраторных двигателей — от 0,75 до 0,85;

• для дизелей без наддува — от 0,8 до 0,9;

• для дизелей с наддувом (при 0,2 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха) — от 0,8 до 0,95

• для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой — от0,75 до 0,85

Расчёт сжатия

Показатель политропы сжатия

При сжатии воздуха температура деталей остаётся примерно неизменной. Воздух в начале сжатия имеет температуру меньшую, чем окружающие поверхности, а затем его температура за счёт сжатия становится выше температуры окружающих деталей. Вследствие этого изменяется направление теплопотока. Наличие теплообмена определяет процесс сжатия как политропный: , с переменным показателем , зависящим от характера теплообмена и количества переданной теплоты.

С учётом реальных условий теплообмена в двигателе на показатель политропы будут влиять конструктивные параметры, режимы работы и условия эксплуатации двигателя.

Наибольшее влияние на оказывает частота вращения коленчатого вала п, так как сокращается время теплообмена и уменьшается утечка воздуха через зазоры поршневых колец.

При п от 600 до 2500 мин можно пользоваться ориентировочной зависимостью:

(1,21)

где — показатель политропы сжатия;

п — частота вращения коленчатого вала, мин .

При увеличении диаметра цилиндра D с сохранением хода поршня S, показатель политропы увеличивается, т. к. уменьшается отношение площади поверхности цилиндра к объёму, и теплоотдача от воздуха понижается. Уменьшение S при сохранении D приводит к увеличению теплоотдачи, и — уменьшается.

Ориентировочные значения показателя политропы сжатия для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах:

• для карбюраторных двигателей (при полном открытии дроссельной заслонки) -1,34. 1,39;

• для дизелей без наддува — 1,36. 1,4;

• для дизелей с наддувом (при давлении наддува)

0,2 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха после компрессора) — 1,35. 1,38.

Давление в конце сжатия

Расчёт давления в конце сжатия , МПа, ведут по уравнению политропического процесса:

(1.22)

Ориентировочные значения для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах [2]

• длякарбюраторных двигателей при полном открытии дроссельной заслонки — от 0,9 до 1,6 МПа;

• для дизелей без наддува — от 3,5 до 5,5 МПа;

• для дизелей с наддувом (при давлении наддува

0,2 МПа и без промежуточного охлаждения воздуха после компрессора) — от 6 до 8 МПа.

Температура в конце сжатия

Расчёт температуры в конце сжатия Тс, К, ведут по уравнению политропического процесса:

(1.23)

Для современных автотракторных двигателей значения Тс находятся в следующих пределах [2]:

• для карбюраторных двигателей при полном открытии дроссельной заслонки — от 650 до 800 К;

• для дизелей без наддува — от 700 до 900 К;

• для дизелей с наддувом при давлении наддува

0,2 МПа и без промежуточного охлаждения — от 900 до 1000 К.