Лекция по ДВС из авторского магазина целостных образов по специальности
Содержимое магазина педагогических образов – текст лекций и относится к автомобильным двигателям. В магазине можно выбрать какую-либо под-ходящую информацию в качестве первичного варианта педагогического об-раза выбранного для разработки учебного объекта техники. Освоившись с деятельностью по объекту из области двигателестроения, можно перейти к иной сфере, более близкой интересам обучающегося.
Напомним, что целостный образ любого объекта разрабатывается по схеме:
педагогический образ художественный образ научный образ технический образ организационный образ управленческий образ исполнительский образ. Разработка автором образа магазина – пример для подражания. Практическое освоение общей методики создания целостного образа полезно для создания (и продвижения к цели) реферата, своего текста лекции, пояснительной записки, доклада, научной статьи и т.п., потребность в которых возникает часто в деятельности человека интеллектуального труда.
Описание объекта изобретения как устройства должно быть таким, что-бы конкретное выполнение его элементов не нуждалось в догадках и предпо-ложениях. Упоминаемые в описании элементы – узлы и детали должны быть показаны на схемах или чертежах и снабжены цифровыми обозначениями, проставляемыми по мере их упоминания в описании в порядке возрастания, начиная с единицы. Принятые обозначения сохраняются на всех изображениях объекта. Описание должно содержать объект в статике и в действии.
не зря говорят, что «лень – двигатель прогресса». Ведь и колесо выдумал когда-то человек, не пожелавший нести на собственной спине тяжелый груз». («Наука и жизнь»)
«Если бы во времена Пушкина сказать людям, что через несколько десяти-летий в их дома по тонким металлическим ниткам придет какое-то элек-тричество и зажжет яркие лампы вместо свечей, этому вряд ли кто-нибудь поверил….Сегодня физика …движется …к созданию… энергетического изо-билия». («Наука и жизнь»)
Педагогический образ. Текст лекций – продукт творчества и создан по общим правилам, которые автор рекомендует всем для всех родов и видов творчества. Суть процесса сотворения текста лекций - это создание целостно-го образа обозначенного объекта и обязательно включает разработку его структурных составляющих, типовых фрагментов – образов педагогического, художественного, научного, технического, организационного, управленческого, исполнительского.
Учебная информация о существующем – цель и результат педагогического творчества. Творчество педагога – это представление существующего в таких формах и положениях, когда это существующее будет наиболее доступно обу-чающемуся для понимания и усвоения. При знании общих методов педагоги-ки, у каждого педагога свои об этом представления, намерения и возможно-сти. Поэтому продукт творчества даже по одной известной теме у двух педа-гогов не получается одинаковым. Некоторые чаще применяют традиционные школьные методы изучения объекта – объяснительно-иллюстрационный, репродуктивный. Для целей проблемного изучения и перехода к усовершенствованию объекта этого не достаточно.
Двигатель или его элемент – рекомендуемые автором и потенциально возможные конкретные объекты творчества для самообучающегося и должны быть обеспечены учебной информацией, побуждающей читателя к творческим действиям. Одна особенность педагогического творчества по созданию этого текста лекций состоит в том, что оно могло быть завершено исполнительским творчеством, и фактически завершено получением конечного артефакта без использования со-творчества других лиц, а созданный артефакт использован успешно в вузовском учебном процессе. Вторая особенность: представленные этим текстом лекции – не описательные и даже не традиционные проблемные лекции, где лектор сам ставит проблему и сам решает ее, - будто на виду у слушателей, демонстрируя некоторые творческие приемы и вовлекая учаще-гося в процесс со-творчества. (Для более широкого круга проблем и методов ему времени не хватает). Здесь, в самоучителе, автор текстом лекций представляет широкое поле проблем в их взаимосвязи и противоречиях, применяет общий алгоритм творческого поиска, демонстрирует применимость всех известных методов для реализации этого алгоритма, но лишь обозревает пути решения, побуждающие к творчеству, к познанию целей, задач, методов и приемов творчества. Для такого обеспечения предназначены не только этот текст лекций, но и более глубокая информация, систематизированная в по-следующих разделах самоучителя - по теории, методам испытаний и конструирования ДВС, по результатам системных исследований и изобретательства.
В надежде, что устройство двигателя и его составляющие элементы обычно хорошо изучают самостоятельно - в качестве нужной машины, необходимой части автомобиля, работа которой сопряжена с финансовыми расходами, автор далее ограничился кратким представлением устройства и побольше внимания уделил основам теории автомобильных тепловых двигателей разных типов. Кроме того, кратко рассмотрены нетрадиционные автомобильные силовые установки и проблемы эксплуатации.
Тепловой двигатель – машина, используемая для преобразования энергии в работу. Это преобразование основано на известном физическом эффекте: значительное расширение газообразного тела при повышении его температуры. Расширяясь, газ оказывает силовое воздействие на рабочий орган, приводя его в движение. Поэтому газообразное нагреваемое тело называют рабочее те-ло, а двигатель – тепловой.
При изучении двигателя традиционно рассматривают структуру, функции и процессы его элементов, начиная с элементов крупных (механизмы и системы) и заканчивая мелкими (узлы, детали, элементы деталей). При этом запоминают названия элементов и их взаимодействие между собой, обеспечивающее работу частей и всего двигателя. Полученные знания – это усвоенный педагогический образ двигателя заданного типа, конкретной модели. Знания, под-крепленные опытом обращения с машиной, обеспечивают основу технически грамотной эксплуатации. Уровень освоения педагогического образа двигателя зависит от исходного состояния знаний, которые получают, начиная с детства и школы, конкретных потребностей человека как пользователя, учебной про-граммы и уровня ее освоения. Главное, на что обращает внимание даже начинающий пользователь, - условия получения в эксплуатации хороших результатов по мощности, топливной экономичности, расходу смазочного масла, шу-му и токсичности отработавших газов, безотказности, надежности и ресурса. Это черта характеризует знания о возможности возникновения неисправностей и проявления их в эксплуатации ухудшением показателей работы. Значит есть начальные представления об основных недостатках, на устранение которых должно быть направлено творчество. Но недостатки имеются у всех элементов двигателя, каждому из них присущи свои назначение, условия работы, структура, форма, конструкция, взаимодействия и т.д. Расширение знаний этих характеристик – условие облегчения перехода от догадок к интересному и продуктивному учебному творчеству.
К автору часто обращались за консультациями по поводу своих изобретений многие не специалисты по двигателям. А у будущих специалистов, студентов-автомобилистов даже при выполнении курсового проекта редко возникали творческие помыслы по преобразованию известного: пугают сложности.
А что если методику изучения структуры, функций и взаимодействия час-тей упростить, переиначить относительно традиционных вариантов, фактиче-ски уже устаревших? Ведь по существу тепловой двигатель не тепловой, а комбинированный. А если начать изучение с обзорного показа этой сложной комбинации, а продолжить поочередным раскрытием характеристик частей через достигнутое творчеством и новые проблемы? При этом неизвестное располагается рядом с известным, входит в существующее и ...
Так начинался долгий «поход» автора к науке творчества: через противоречия существующего педагогического образа двигателя - к недостаткам учебников, конспектов и лекций по дисциплине, к поиску разрешения противоречий и пересмотру взглядов на учебный процесс, к поиску путей активизации технического творчества студентов и выходу на универсальный самоучитель технического творчества. А далее не только текст лекций, но и вся наука творчества оказались под ревизией. Что ж, таков обычный ход процесса развития знания.
Художественный образ. Фактически тепловой двигатель преобразует прежде химическую энергию топлива в тепловую энергию, затем тепловую – в механическую энергию (работу) перемещения рабочего органа, а это перемещение – во вращение силового вала, соединенного с трансмиссией потребителя энергии (автомобиля). Следовательно, все важнейшие параметры и показатели работы теплового двигателя определяются свойствами и взаимодействием трех разнотипных преобразователей энергии: химического, термодинамического и механического. В каждом из них имеются процессы главные (рабочие), вспомогательные (те, без которых невозможно осуществление процессов главных), сопутствующие (которые являются дополнительным результом процессов главных и вспомогательных), и компенсационные (они компенсируют вредное воздействие сопутствующих процессов на рабочие процессы и конструкцию). Такая классификация структуры, функций и процессов позволит студенту более определенные (по направлениям) учебные изыскания и представления, облегчает выявление преимуществ, недостатков изучаемого объекта и потому служит сокращению и повышению качества труда для конкретизации зоны приложения творческих усилий. Эти предпосылки стали за-тем сутью рабочих преобразований лекций, позже проверенных в учебном процессе, а позже были положены в основу художественного образа текста лекций, предназначенного для самоучителя.
Научный образ. Каждое предполагаемое изменение структуры или функции объекта должно получить научное теоретическое обоснование: научно несо-стоятельное решение должно отвергаться на этом этапе. В двигателе не бывают серьезные изменения, не влекущие за собой сопутствующие нежелательные изменения в других частях. В тексте лекций научная база по единому объекту творчества должна быть представлена в мере, достаточной для пони-мания существа главных, вспомогательных, сопутствующих и важнейших компенсационных процессов, без знания которых попытки творчества беспер-спективны. При разработке научного образа установлено, что в тексте лек-ций могут быть полезными и новые представления, изложенные выше, и те давние научно-технические исследования, выполненные автором, которые и теперь представляют для самообучающихся познавательный и практический интерес.
Технический образ. Разработка технического образа служит конкретизации структуры, объема, содержания и оформления текста лекций. Принято целесо-образным поместить в самоучитель такую информацию, которая характеризует и широкое поле возможных преобразований по двигателю, и ширину полосы интересов, доступных в учебном творчестве одному человеку, и рекомендации. При этом больше внимания уделять физико-химическим основам изучаемых рабочих процессов, а меньше – их математических моделям. Учтено, что в связи с компьютеризацией расчетов современные математические моде-ли процессов сложны, а их поверхностный анализ не имеет решающего значения для начинающего исследователя. На основании этого в текст лекций включены относительно простые в изложении и очень важные в действии двигателя вспомогательные, сопутствующие и компенсационные процессы (газообмен, охлаждение, трение, смазывание, изнашивание), а более сложные проессы (сгорание, утечка газов через уплотнение поршня, старение масла в двигателе) отнести в разделы системных исследований. Рисунки к тексту сгруппированы в один блок и помещены в завершение главы перед списком литера-туры. Благодаря такой структуре вовлекаются все другие разделы второй час-ти самоучителя и существенно расширяют, дополняют и развивают первичную информацию научными результатами по возможным направлениям творческих поисков и методам их осуществления.
Организационный образ. Поскольку всякое преобразование энергии неизбежно сопровождается потерями части энергии и снижением КПД, то главное направление специального творчества – повышение КПД. Но потери бывают неизбежные, обусловленные законом (принципом) преобразования, и дополнительные, связанные с особенностями конструкции преобразователя. Поэтому по каждому из преобразователей возможны творческие направления трех видов: по повышению теоретического КПД, например переходом к более эффективному теоретическому циклу, по повышению относительного КПД - за счет приближения реального процесса преобразования энергии к теоретическому процессу, и по повышению общего КПД. Реализация этих направлений приводит к повышению результирующего - эффективного КПД двигателя, величина которого определяет эксплуатационные расходы топлива и финансовые затраты на топливо. Эта статья расходов важна всегда и для всех в государственном и личном аспектах. Поэтому при разработке образа совершенствуемого двигателя целью творчества часто является выявление пути полного (частичного) устранения недостатка, являющегося причиной снижения теоретического или относительного КПД одного из преобразователей энергии. Другими направлениями творчества могут быть усовершенствования рабочих процессов и конструкции главных, вспомогательных и компенсирующих механизмов и систем с целью повышения их механического КПД, производи-тельности, безотказности, надежности, ресурса и упрощения конструкции, с целью снижения их габаритов и массы. Обеспечение технологичности, ремонтопригодности и возможности развития конструкции двигателя – тоже в чис-ле важнейших направлений творческого поиска. Интересно заметить, что в наиболее доступном для молодежи двигателе – поршневом, три преобразователя энергии взаимодействуют между собой в рабочих процессах через одну общую деталь – поршень. Поэтому поршень – узел множества противоречий, связанных с химией и механикой, динамикой и термодинамикой, теплоиспользованием и теплопередачей, усталостью, прочностью, жесткостью и надежностью, материалами и технологией, допусками и посадками, трением, смазыванием и изнашиванием и др. Благодаря этому направление своих творческих усилий на совершенствование поршня (поршневой группы) всегда ведет к трудностям, но уместно: развивает интерес к новым знаниям и весьма пер-спективно для самообучения.
В качестве наглядного пособия по самооценке объема предстоящих твор-ческих и околотворческих работ целесообразно рассмотреть изобретения автора, приведенные в гл. 11.
Управленческий образ. От предварительных (неточных) результатов само-оценки зависит первичный выбор своего учебного элемента для творчества, соответствующего уровням знаний и исходных способностей. Организационный образ текста лекций позволяет дать рекомендации обучающемуся по управлению началом и самоорганизацией учебного творчества по освоению текста лекций и смежных разделов второй части. Управление предполагает планирование, реализацию плана и контроль. Поэтом рекомендации сформулированы следующим образом.
1. Включаться в освоение текста лекций и в учебное творчество по выбран-ному объекту следует одновременно, не акцентируя внимание на проблеме «с чего начать».
2. План освоения текста лекций и параллельной творческой работы следует расписать (В ДУПЛЕ) по разделам и срокам, не опасаясь его возможного не-выполнения. Корректировку плана – тоже в ДУПЛО. План и корректировка - тоже творчество.
3. Переход от текста лекции к другим разделам и возврат к нему не возбра-няются. Но отражайте в ДУПЛЕ мотивировку этих действий. Мотивировка – деятельность творческая.
4. Выбор иного объекта творчества - не по двигателю, или по двигателю иного назначения, не возбраняется. Только мотивируйте выбор.
5. Смена первоначально выбранного учебного объекта или возврат к нему не возбраняются.
6. В учебном творчестве не следует ожидать от себя сразу творений с но-визной мирового или государственного значения: для новичка в творчестве новым может быть и то, что «за углом» давно известно.
Исполнительский образ. Девиз – «обучаюсь делая». Перечитываем свои за-писи в своем дупле, замечая допущенные ошибки, описки, огрехи, причины отклонения от плана и, возможно, ранее серьезно воспринимаемые «глупости». На них научившись, делаем вещи «умные», новые, важные – товарного назначения. Радость от успеха в учебе ощущается уже потому, что до этого, известного «за углом» или чуть подальше, новичок дошел сам, своим умом, по своей воле, по своему плану, своими методами, под своим контролем: «Значит могём - или могем!».
Пусть эта известная шутка из высокохудожественного кинофильма «В бой идут одни старики» всегда способствует бодрости молодых!
Процессы газообмена в цилиндрах двигателя
Тепловые двигатели работают циклически при смене рабочего тела – га-за, с помощью которого цикл совершается. Длительность рабочего цикла четыре или два такта. Такт – это период одного перемещения поршня между крайними положениями рабочего органа – поршня, чему соответствует поворот коленчатого вала на 180°.
Система газообмена четырехтактного ДВС показана на рис. 8.1. Рабочее те-ло в цилиндре 1 занимает полость 2, отделенную от атмосферы поршнем 3, выпускным 4 и впускным 5 клапанами. Последние взаимодействуют с трубо-проводами выпускным 6 и впускным 7, имеющими выход в атмосферу. Поршень и клапаны кинематически связаны с коленчатым валом (не показан) кривошипно-шатунного механизма двигателя. Рабочее тело – переменного состава: воздух, топливовоздушная смесь, продукты сгорания, отработавшие газы.
Смена рабочего тела в цилиндре 1 происходит в двух последовательных процессах при насосных действиях поршня 3 и запорных действиях выпускного 4 и впускного 5 клапанов, поочередно сообщающих полость 2, соответственно, с выпускным 6 и впускным 7 трубопроводами. Первый процесс - выпуск отработавших газов путем выталкивающего движения поршня в такте выпуска при открытом выпускном клапане. Второй - впуск свежего заряда (воздуха) через открытый впускной клапан под действием разрежения, перепада давления атмосфера-цилиндр, возникающего при увеличении поршнем объема (такт впуска). От полноты очистки цилиндра от продуктов сгорания в процессе выпуска зависят количества вновь поступившего заряда в очередном процессе впуска и работы цикла. Поэтому процессы газообмена оптимизируют по продолжительности, делая их более длительными относительно одно-именных тактов. Важна длительность процессов по величине соответствующего углового перемещения коленчатого вала (°п.к.в.), т.е. фазами газораспределения, а фазы газораспределения задают при проектировании так, что начинается газообмен заблаговременно, в конце процесса расширения, а завершается позже завершения такта впуска, т.е. в начале процесса сжатия в новом рабочем цикле. Поэтому необходимо рассматривать весь комплекс явлений, относящихся к процессу газообмена, в целом длящемуся в течение около 450° п.к.в.
По условиям, характерным для отдельных периодов рассматриваемых процессов выпуска и впуска, в каждом из них можно выделить по три фазы:
- начальная фаза процесса – предварение, задаваемое опережением открытия соответствующего клапана относительно начала такта;
- основная фаза процесса (180° п.к.в.), соответствующая одному такту;
- конечная фаза – завершение, определяемое запаздыванием закрытия соответствующего клапана относительно окончания такта.
Процесс выпуска. В 4-xтактном двигателе он занимает от 230 до 280° п.к.в. в зависимости от заданных при проектировании фаз газораспределения. Фазы выпуска обычно увеличивают с ростом заданной номинальной частоты вращения вала двигателя. Обычно выпуск начинают за 40-60° до НМТ, что обеспечивает самопроизвольный (под собственным давлением) выход основной части газов (до 60%) в период предварения выпуска и уменьшает работу, затрачиваемую на выталкивание газов поршнем в течение основной фазы вы¬пуска. Из-за повышенного перепада давления в проходном сечении выпускного клапана, увеличивающимся по мере подъема клапана, выпуск в начальной фазе происходит с критической скоростью, т.е. со скоростью звука, достигающей 600 м/с при рабочей температуре отработанных газов около 1200 К. Поэтому выпуск сопровождается характерным сильным звуком, для гашения которого служит специально установленный на выпускную трубу глушитель шума. В непосредственной близости от НМТ перепад давления между цилиндром и выпускным трубопроводом снижается примерно до 0,1 МПа, критическое истечение газов переходит в нормальное, менее шумное, а в конце предварения выпуска скорость истечения уменьшается до 60-100 м/с. В течение основной фазы выпуска вследствие переменных значений скорости поршня, подъема клапана и площади проходного сечения, а также вследствие изменений давления в выпускном трубопроводе, определяемых волновыми явлениями при движении газа в канале большой протяженности, величина давления газов в цилиндре заметно колеблется (это обнаруживается при индицировании двигателя с помощью датчика давления высокой чувствительности).
В фазе завершения выпуска газы выходят из полости цилиндра в такте впуска, т.е. уже при увеличении объема. Истечение газов происходит сначала за счет повышенного собственного давления в самом начале такта впуска, а затем - за счет разрежения у выпускного клапана, возникающего от инерции потока газов в выпускном трубопроводе. При этом параллельно вы¬пуску уже начинается впуск через заблаговременно открывающийся впуск¬ной клапан, вследствие чего с выпускаемыми продуктами сгорания теряется часть свежего заряда, а остаточные газы в камере сгорания разбавляются свежим зарядом. Это служит приросту наполнения свежим зарядом.
Процесс впуска. В 4-хтактном двигателе он также обычно занимает 230 – 2800 п.к.в, причем его фазы увязывают с фазами движения впускного клапана. Обычно впускные клапаны начинают открывать за 10-200 до ВМТ. Это пред¬варение открытия необходимо, потому что оно обеспечивает значительный подъем клапана к началу такта впуска и, следовательно, уменьшение сопротивления в начале основной фазы процесса. Кроме того, предварение открытия клапана создает упомянутую выше возможность подсоса в цилиндр свежего заряда в конце процесса выпуска и улучшение очистки камеры сгорания для повышение качества газообмена.
Основная часть свежего заряда поступает в цилиндр в течение основной фазы процесса в период перемещения поршня от ВМТ до НМТ. В конце этой фазы впускной клапан еще далек от посадки на седло, большое проходное сечение обеспечивает поступление заряда в цилиндр при малых значениях скорости потока и потерях давления. Посадка клапана происходит через 40-70° после НМТ, причем большие запаздывания соответствуют высокооборотным двигателям.
В течение завершения процесса из-за запаздывания закрытия впускного клапана происходит дозарядка цилиндра свежим зарядом (в начале фазы) и обратный выброс заряда из цилиндра во впускной трубопровод (в конце). Фазы газораспределения выбираются так, чтобы для завершающей фазы впуска на наиболее высоком скоростном режиме работы основным был процесс дозарядки за счет высокой инерции потока газа во впускном канале пе-ред впускным клапаном. Дозарядка достигает 25% заряда. На других, пониженных скоростных режимах, когда инерция потока мала, эффект обратный - - часть заряда покидает цилиндр в конце завершающей фазы вследствие превышения давления В цилиндре над давлением перед впускным клапаном.
Эти общие представления об условиях газообмена можно конкретизировать для каждой из фаз каждого из процессов газообмена в зависимости от конструкции или режима работы двигателя. Так, например, повышению степени сжатия соответствуют повышение степени расширения газов в рабочем такте и понижение давления и температуры в конце процесса расширения и в начальной фазе выпуска. По этим причинам уменьшается роль предварения выпуска в очистке цилиндра и в образовании шума. По мере дросселирования снижаются уровень давления цикла, следовательно при дросселировании предварение выпуска автоматически сокращается или совсем исчезает, а инерция по¬тока газов во впускном трубопроводе и дозарядка в конечной фазе впуска уменьшаются. При уменьшении числа оборотов инерция потока уменьшается, давление в цилиндре возрастает и дозарядка цилиндра уменьшается. Для повышения эффекта от инерционной дозарядки желательно увеличивать длину впускного трубопровода и уменьшать его диаметр и внутреннюю шероховатость.
Особенностью процесса впуска в карбюраторных двигателях является одновременное осуществление В потоке воздуха процесса смесеобразования, в котором большую роль играют тепловые и гидродинамические процессы. Для лучшего испарения бензина и улучшения за этот счет мощностных и экономических показателей двигателя обогревают водой или отработанными газами впускной коллектор или часть его, расположенную непосредственно напротив выхода потока из карбюратора. При этом капельки топлива, выпадающие из потока на горячую стенку, быстрее испаряются, в меньшей степени образуется на стенке пленка жидкого топлива, неравномерно распределяющаяся по цилиндрам, и работа цилиндров становится более равномерной и эффективной. Кроме того, уменьшается разжижение масла бензином на зеркале цилиндров и в картере и тогда уменьшается износ двигателя.
Вследствие подогрева температура заряда повышается, а испарение бенина, происходящее с отнятием тепла у воздуха, вызывает снижение темпера¬туры в потоке. Совокупным результатом этих противоположно направленных тепловых процессов является обычно некоторое повышение температуры заряда и уменьшение его плотности. По этой причине возможно уменьшение массового наполнения цилиндров зарядом и уменьшение мощности. Следовательно, уровень подогрева заряда на впуске надо оптимизировать при до¬водке и исследованиях двигателей. Обычно на режиме номинальной мощности подогрев заряда (с учетом его охлаждения при испарении бензина) составляет 10 ... 20° С.
Турбулизация потока свежего заряда во впускном канале способствует лучшему испарению бензина и перемешиванию паров с воздухом, а при сохранении направленных вихревых движений в последующих процессах сжатия и сгорания повышают скорость и эффективность процесса сгорания. В связи с этим на впуске иногда создают (специальными устройствами) направленное движение заряда, например, за счет соответствующей конфигурации впускного канала (винтовой канал), размещенного в головке цилиндра. Скорость вихря при выходе потока из канала в цилиндр редко уменьшается, но частично сохраняется в последующих процессах.
Для работы дизельного двигателя тепловые и вихревые процессы на впуске имеют меньшее значение. Но подогрев воздуха на впуске облегчает запуск холодного дизеля, что иногда используют применяя для подогрева воздуха пусковую свечу накаливания во впускном коллекторе.
В задачи расчета процессов газообмена включают определение текущих значений параметров рабочего тела в цилиндре и в потоке газа во впускном и выпускном трубопроводах, работы газов в процессах газообмена и показателей газообмена.
В более простых термодинамических расчетах процессов определяют температуру и давление в конце впуска (в начале сжатия) и показатели качества газообмена по ориентировочно выбранным параметрам газа в конце вы¬пуска воздуха перед впускными органами.
Давление и температуру рабочего тела на различных участках процессов газообмена в четырехтактных двигателях зависят от типа двигателя, его кон-струкции, технического состояния и режимов работы. Поэтому их оценку осуществляют ориентировочно применительно к определенным условиям. Обычно для режима номинальной мощности.
В начале открытия выпускного клапана (точка b), в конце такта выпуска (точка r), в конце такта впуска (точка а) показатели имеют следующие значения:
Параметр/ точка b r а
Давление, МПа 0,4 – 0,5 0,105 – 0,12 0,08 – 0,09
Температура, К 1100 - 1600 700 - 1100 300 – 400
При тепловом расчете двигателей обычно задаются параметрами рабоче-го тела в конце такта выпуска (точка r) и на входе во впускные органы (из окружающей среды), а остальные параметры рабочего тела при газообмене определяют расчетом с использованием эмпирических коэффициентов. Методика расчета приведена в лабораторном практикуме (гл. 12).
Коэффициенты остаточных газов и наполнения являются основными параметрами совершенства процессов газообмена и характеризуют, соответственно, качество очистки цилиндра от продуктов сгорания и качество заполнения цилиндра свежим зарядом.
Коэффициент остаточных газов равен отношению количества остаточных газов, находящихся в цилиндре в момент начала впуска, к количеству свежего заряда, поступившему в цилиндр в процессе впуска.
Коэффициент остаточных газов сильно зависит от величины степени сжатия ДВС и потому может быть у дизеля примерно вдвое меньше, чем у карбюраторного двигателя.
Влияние конструкции двигателя на коэффициент остаточных газов зависит от сопротивлений на впуске и противодавления на выпуске. Улучшение гидравлических характеристик газопроводов способствует улучшению очистки цилиндров от остаточных газов. Влияние на величину коэффициентов режимов работы происходит через соотношения температур и давлений в процессах газообмена. Причем, для карбюраторного двигателя, имеющего количественное регулирование, характерны существенные изменения коэффициентов его величины. Для ориентированной оценки можно принять равной 0,06...0,12.
Для дизеля, имеющего количественное регулирование мощности, коэффициент остаточных газов мало изменяется с режимом работы. Обычно у дизеля он равен 0,03 - 0,06.
При испытаниях двигателей величину коэффициента остаточных газов определяют расчетом по полученным (нa основе газового анализа) концентрациям компонентов продуктов сгорания и воздуха В смеси газов перед началом сжатия. Отбор проб газов производят стробоскопическим газоотборником.
Коэффициент наполнения – это основной показатель качества процесса газообмена. Он равен отношению количества свежего заряда, находящегося в цилиндре к началу действительного сжатия, т.е. к моменту закрытия органов газообмена, к теоретически возможному количеству свежего заряда, соответствующему рабочему объему цилиндра и условиям перед впускными органа-ми. Принято оценку наполнения делать по массовому количеству поступившего в цилиндр воздуха, т.е. без учета массы топлива (в двигателях с внешним смесеобразованием). Это не вносит ощутимых погрешностей.
Увеличение коэффициента наполнения - важнейшая из задач, решаемых конструкторами и эксплуатационниками надежде на повышение мощности и экономичности двигателя. Отметим влияние следующих факторов.
Степень сжатия мало влияет. Давление в конце впуска - важнейший действующий фактор. Оно зависит и от конструкции, и от режима работы двигателя, и от технического состояния двигателя. Конструктор стремится уменьшить потери давления на впуске и создать впускной канал гладким внутри, прямым или без резких поворотов и сужений, с большим проходным сечением у клапана. Диаметры диффузоров карбюратора также делают по возможности большими, но не в ущерб качеству распыла топлива и смесеобразованию.
В условиях эксплуатации ухудшение наполнения возникает вследствие загрязнения фильтрующего элемента воздухоочистителя, при уменьшении подъема клапанов при значительном износе кулачков распределительного вала, при чрезмерном тепловом заряде в клапанном механизме или вследствие больших отложений смолы (из бензина) во впускном трубопроводе, например на тарелях клапана. Эти неисправности необходимо устранять при техническом обслуживании или ремонте двигателя. Нельзя допускать нарушений фаз газораспределения, установленных заводом-изготовителем, что иногда возникает вследствие неправильной установки распределительного вала или не-четкой работы клапанных пружин.
На номинальном режиме коэффициент наполнения часто равен 0,75 – 0,85 у карбюраторных двигателей и 0,7 – 0,9 у дизелей. При уменьшении нагрузки у карбюраторных двигателей он из-за дросселирования уменьшается до 0,2 - 0,15, a y дизелей почти не изменяется. Также различны характеры изменения наполнения и по скоростным характеристикам, что объясняется различиями в фазах газораспределения и в сопротивлениях элементов впускных трактов со-поставляемых ДВС.
В заключение заметим, что по всем рассмотренным процессам, явлениям, элементам и системам возможны творческие изыскания, направленные на повышение качества газообмена – важнейшего условия повышения мощности и КПД. Аналогичные и другие дополнительные проблемы возникают при организации газообмена в двигателях двухтактных, у которых вместо тактов вы-пуска и впуска имеются процессы выпуска и продувки, занимающие конечную фазу такта расширения и начало такта сжатия.