Влияние условий эксплуатации и конструктивных факторов на коэффициент наполнения и массовое наполнение цилиндров

Степень сжатия. С увеличением степени сжатия увеличива­ется степень расширения рабочего тела, уменьшается температура стенок и подогрев свежего заряда. Кроме того, из-за уменьшения объема камеры сгорания уменьшается количество остаточных га­зов, но несколько увеличиваются потери на впуске. В результате коэффициент наполнения практически можно считать не завися­щим от степени сжатия.

Параметры остаточных газов.

В четырехтактном двигателе в процессе впуска остаточные га­зы, занимавшие объем камеры сгорания  и имевшие давление , расширяются, вследствие чего уменьшается наполнение ци­линдра свежим зарядом. Чем больше давление , (рис. 3.5), тем большая часть такта напол­нения теряется на расширение остаточных газов.

Количество остаточных газов , зависит от их парамет­ров   и объема камеры сгорания :

?

Рис. 3.5. Влияние давления остаточных газов на процесс наполнения

 

 Основное влияние на процесс наполнения оказывает давление остаточных газов p_r. С ростом p_r увеличивается плотность остаточных газов и их количество, что приводит к уменьшению индикаторного весового заряда воз­духа цилиндра и коэффициента наполнения.

Давление остаточных газов p_r в свою очередь зависит от гид­равлических сопротивлений системы выпуска и давления среды (противодавления р_T), в которую производится выпуск отрабо­тавших газов. На рис. 3.6 представлена зависимость , от измене­ния противодавления ( в мегапаскалях). 

Температура остаточных га­зов Т_r практически на про­цесс наполнения не оказывает влияния, так как при малом различии теплоемкостей оста­точных газов и воздуха относи­тельное увеличение объема свежего заряда за счет нагре­ва остаточными газами соиз­меримо с уменьшением объема остаточных газов за счет отда­чи тепла воздуху.

Давление в конце наполнения p_a, оказывает наибольшее влияние на . В свою очередь давление в конце наполнения зависит от гидравлических сопротивлений системы впуска, величина кото­рых пропорциональна квадрату скорости течения воздуха (или квадрату частоты вращения коленчатого вала, так как скорость воздуха пропорциональна скорости поршня). Чем ниже p_a, тем меньше коэффициент наполнения и меньше весовой заряд свеже­го воздуха. Из уравнения (3.23) следует, что давление в конце на­полнения p_a в  раз сильнее влияет на , чем давление оста­точных газов p_r. Поэтому при проектировании системы впуска и эксплуатации двигателя необходимо проявлять особую заботу об уменьшении гидравлических сопротивлений впускной системы.

Подогрев свежего заряда  влияет на индикаторный весовой заряд и на коэффициент наполнения.

 

рис. 3.6 Влияние противодавления р_Т на коэффициент наполнения

 

Из уравнений (3.17) и (3.23) видно, что с увеличением  коэффициент наполнения уменьша­ется. Объясняется это тем, что увеличение подогрева заряда в про­цессе наполнения приводит к уменьшению плотности воздуха, по­ступившего в цилиндры, и следовательно, к уменьшению действи­тельного весового заряда воздуха. На то количество воздуха, ко­торое могло бы поместиться в рабочем объеме при параметрах p_к и Т_к, т. е. на теоретический весовой заряд изменение  влия­ния не оказывает. Поэтому в соответствии с изменением индика­торного весового заряда 'изменяется и коэффициент наполнения (рис.3.7).

 

Рис. 3.7. Влияние подогрева заряда  на коэффициент наполнения

 

Нагрузка. С изменением нагрузки, т.е. крутящего момента на валу двигателя, изменяется цикловая подача топлива при почти неизменном количестве поступающего воздуха. Поэтому скорость движения воздуха и, следовательно, гидравлические сопротивления впускной системы, а значит, и отношение  нагрузки не зависят. На коэффициент наполнения будет влиять только изменение подогрева заряда .

С увеличением нагрузки увеличивается цикловая подача топ­лива, возрастает количество выделяющегося в цилиндре тепла, по­вышается температура стенок и подогрев заряда  увеличива­ется. Поэтому коэффициент наполнения с увеличением нагрузки от холостого хода до номинального  уменьшается на 4—5%.

Частота вращения коленчатого вала и фазы газораспределения. Пользуясь уравнением Бернулли и уравнением неразрывности, можно показать, что величина потерь давления , пропорцио­нально квадрату частоты вращения коленчатого вала и обратно пропорциональна квадрату площади проходного сечения кла­пана:

                                                                             (3.29)

Поэтому с увеличением частоты вращения отношение  уменьшаётся, а отношение  увеличивается, что в соответствии с уравнением (3.23) приводит к уменьшению . Для быстро­ходных двигателей закон изменения  от частоты аппроксимируется уравнением

                                                  (3.30)

где k — эмпирический коэффициент (для дизелей без наддува , с наддувом ).

Уравнение (3.29) дает хорошее совпадение с опытными данны­ми при отклонении частоты вращения на 50% от номинальных, которым соответствуют

С увеличением частоты вращения в известных пределах улучшаются условия для дозарядки и очистки цилиндров. Причиной этого является повышение скорости газа в выпускном и впускном трубопроводах. При этом большое значение имеют фазы газорас­пределения, т.е. моменты начала открытия и закрытия клапанов.

Оптимальные фазы газораспределения можно подобрать только для узкого диапазона частоты вращения. Как при уменьшении, так и при увеличении частоты вращения наполнение цилиндра свежим зарядом ухудшается, что приводит к уменьшению коэффициента наполнения (рис. 3.9). На рис. 3.9 кривая а характерна для двигателей транспортного назначения, работающих в широ­ком диапазоне частот вращения. Двигатели, предназначен­ные для работы с постоянной скоростью вращения (например, приводы генераторов переменного тока) имеют оптимальную ре­гулировку для номинальной частоты вращения (кривая б).

Рис. 3.9. Влияние частоты вращения коленчатого вала на коэффициент наполнения

Если для каждой частоты вращения коленчатого вала двигателя подбирать оптимальные фазы газораспределения (конструк­тивно это очень сложно и на практике редко применяется), то с увеличением частоты вращения коэффициент наполнения будет уменьшаться вследствие уменьшения р_а и увеличения p_r, обусловленных возрастанием гидравлических сопротивлений в системе впуска и выпуска из-за увеличения скорости воздуха и газов в этих системах. Зависимость оптимальных значений коэффициента на­полнения от частоты вращения представлена на рис. 3.9 штри­ховой линией.