CC BY
75
УДК 621.438
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА КОЭФФИЦИЕНТ НАПОЛНЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
© 2007 Ю. Л. Ковылов, Д. А. Угланов
Самарский государственный аэрокосмический университет
Предлагается наряду с известными формулами для вычисления использовать новое выражение, хорошо иллюстрирующее влияние различных факторов на протекание процесса наполнения.
Известны факторы, влияющие на заполнение цилиндра поршневого двигателя свежим зарядом, и их влияние на величину коэффициента наполнения
Лу
М с
МТ
лагаемых формулах для расчета величины коэффициента наполнения заметно отличаются друг от друга.
Так, в учебниках, написанных в МГТУ им. Баумана, МАДИ (ТУ), СПб ТУ, а это, как известно, ведущие научные школы в России по специальности «Двигатели внутреннего сгорания», приводятся расчетные формулы
характеризующего качество этого процесса.
Здесь М - масса свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения; МТ - масса свежего заряда, которая могла бы теоретически заполнить рабочий объем цилиндра Ук Основными влияющими факторами являются:
- Степень сжатия - е ;
- Параметры свежего заряда на входе в цилиндр - Рк, Тк (наддув) ;
- Дозарядка за счет инерционности потока во впускном клапане - фд ;
- Параметры остаточных газов в конце такта выпуска - Рг, Тг, уг ;
- Параметры свежего заряда в конце такта наполнения - Р , Т ;
а а ’
- Подогрев свежего заряда в цилиндре - АТ;
- Гидравлическое сопротивление впускной системы - АР ;
- Гидравлическое сопротивление выпускной системы - АР ;
г ’
- Очистка цилиндра за счет продувки - Рч ,
- Соотношение теплоемкостей остаточных газов и свежего заряда - (р.
В учебной литературе различного времени издания и разных научных школ [1.. 6] комбинации перечисленных факторов в пред-
доз
. _А_. Р..
Т.,
е _ 1 Рк Тк + АТ + Гг . Т
, (1)
е Ра
Л = Рдоз - — •
Тк
е - 1 Рк Тк + АТ + Р Рдоз • Гг • Т/
(2)
и (только для четырехтактных ДВС)
Я = Рдоз •
Т Р
к а
е _1 Тк + АТ Рк
1 _ Рг • р'• Ро,
е • Ра
(3)
Лу = Рд.
Т„
Ра
е _ 1 Тк + АТ Рк
1 _ Рг -р' • Роч е • Рдоз • Ра
(4)
В учебных пособиях, где излагается методика и алгоритм теплового расчета ДВС, встречаются как указанные формулы (пособия, разработанные в МАДИ и в МАИ), так и отличающиеся от них. Например, в пособиях [5, 6] коэффициент наполнения предлагается рассчитывать так:
е
е
hv =
Т.,
Т,, + АТ е -1 Р
1 -{фдоз • е • Ра - Рои ■ Рг )■
(5)
При подстановке в (1) выражения для коэффициента остаточных газов
Гг =
Т., + АТ
ф • Р
т оч г
Тг
фд • е • Р - ф • Р
т доз а т оч г
Лу
массу теоретического заряда рассчитывать по плотности действительного заряда на входе в двигатель (как и Мз)
МТ = р • у
Т ~ к п
и принять, что свежий заряд заполнил весь объем цилиндра V , то получится выражение
е
е -1
(6)
можно получить формулу (5), что дает основания считать их идентичными, но без учета коэффициента Р.
Формулы (5) и (3) практически совпадают, если в (5) вынести за скобку произведение Рдоз • е • Ра , но остается различие в комбинации коэффициентов Рдоз, Роч и Р.
В результате использование этих выражений для изучения влияния различных факторов на процесс наполнения цилиндра свежим зарядом и для непосредственного расчета величины Лу встречает ряд затруднений, изложенных ниже.
Так, расчет по формулам (1.5) дает разные значения Лу- Используя величины параметров, входящих в формулы, из примера расчета бензинового двигателя в широко распространенном пособии [5]: е = 8,5 ; Т = 293 К ; Р = 0,1013 МПа ; АТ =
кк
= 8 К; Т = 337 К; Т = 1060 К; Рд = 1,1; Р =
а г доз оч
=1; Р =0,118 МПа; Р = 0,0863 МПа; г =
г а г
= 0,0495,
можно показать, что (при Р' = 1,162 из [2] )
по формуле (1) = 0,8597,
по формуле (2) = 0,8455,
по формуле (3) = 0,8406,
по формуле (4) = 0,8582,
по формуле (5) = 0,8826.
Разброс значений составляет примерно 5 %. Можно считать его незначительным, но он требует объяснений.
Кроме того, структура перечисленных выражений имеет некоторые противоречия с физическим смыслом, которые всегда сложно обходить в учебном процессе.
Если в соотношении
для предельно возможного значения коэффициента наполнения Л
' V пред.
Учитывая этот результат, на первый взгляд может показаться, что формулы (1) и (2) позволяют получить значение Л > Л
4 ' •' 'V 'V пред
Это не может не вызывать вопросы, особенно у вновь изучающих процессы в ДВС. Во всех показанных формулах параметр Рк , отражающий наличие и величину наддува двигателя, располагается в знаменателе, что может навести на мысль об обратной зависимости Лу от этого фактора, хотя это и противоречит физическому смыслу процесса.
В связи с изложенным предлагается для объяснения влияния различных факторов на величину коэффициента Лу (но не для расчета его величины) принять, что в конце такта наполнения его можно представить как соотношение объема свежего заряда Усз, поступившего в цилиндр, и рабочего объема цилиндра Уп, т.е.
Л
Уа
У*
Vи
МТ
Так же, как это было принято в полученном выше выражении для Лу пред■ С учетом доза-рядки
Лу Луа • Рдоз .
Тогда, сравнивая параметры остаточных газов в конце такта выпуска (без учета продувки цилиндра во время перекрытия клапанов)
Рг • Ус = 8314,3 • Тг • Мг и в конце такта наполнения
к
Ра • У^, = 8314,3 • Та • Мг
а ог
можно получить следующее выражение для объема остаточных газов, который «мешает» объему свежего заряда Усз заполнить весь объем цилиндра Уа,
Р • Т у = г а •у
ог с
аг
(8)
Здесь Мг - количество молей остаточных газов, Ус - объем камеры сгорания.
Поскольку в нижней мертвой точке, т. е. в конце такта наполнения
V = V + V ,
а сз ог ’
(9)
то, используя формулы (7) и (8), можно записать
Р • Т
Уа = Ун * Л Уа +• Ус
Тг • Ра или поделив на Ус
Рг .Та
е =(е _ 1). ЛУа + Р-Т- .
аг
Отсюда с учетом дозарядки
Лу = Р,
доз
Л
1
У пред
Рн + АРГ Та
е _1 Рк _ АРа Тг
(10)
Эта формула не противоречит физическому смыслу, поскольку получена из соотношения объемов У , У, У, и У , на основе ко-
сз а п ог
торых и формируется понятие коэффициента наполнения. Ее структура также непротиворечива, поскольку соответствует традиционной логике изучения тех или иных процессов: «результат идеального протекания процесса минус какие-либо потери».
Анализ формулы (10) помогает яснее представить суть влияния на коэффициент Лу различных факторов, перечисленных в начале статьи:
1. Дозарядка (Рдоз), если она происходит, положительно влияет на Лу , поскольку позволяет хотя бы частично скомпенсировать
неизбежные потери (см. второй член в скобках).
2. Чем выше степень сжатия (е) при прочих равных условиях, тем меньше относительная величина объема камеры сгорания Ус, тем меньше относительный объем остаточных газов Уог (см. формулу (8)), т. е. возрастает относительный объем свежего заряда (см. (9)) и коэффициент наполнения.
3. Если выпуск отработавших газов осуществлять в вакуум (РН = 0), то при отсутствии гидравлического сопротивления выпускной системы (АРг = 0) коэффициент наполнения достигнет своей предельной величины.
4. Чем выше гидравлическое сопротивление выпускной (АРг) и впускной (АРа) систем, тем ниже коэффициент наполнения.
5. Чем выше наддув (чем более Рк) двигателя, тем выше коэффициент наполнения. Но следует помнить, что с ростом Рк увеличивается и температура воздуха за агрегатом наддува Тк, что ведет к росту температуры Та и к снижению коэффициента наполнения. Видимо, по этим двум показателям следует искать оптимум.
6. Чем выше температура Та газов в цилиндре в конце такта наполнения, тем больший объем займут остаточные газы (см. формулу (8)), следовательно, уменьшится объем, занимаемый свежим зарядом, т.е. снизится Л.
7. Чем выше температура остаточных газов Тг в конце такта выпуска, тем меньше количество молей остаточных газов в объеме У следовательно и меньше их объем (Уог) в конце такта наполнения, т. е. больше объем У , выше коэффициент наполнения.
Таким образом, предлагаемая формула (10) позволяет достаточно четко проиллюстрировать влияние различных факторов на коэффициент наполнения Лу , т.е. на мощность, развиваемую поршневым двигателем.
Список литературы
1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. - 400 с.
2. Теория двигателей внутреннего сгорания / Под ред. проф. д-ра техн. наук
Н. Х. Дьяченко. - Л.: Машиностроение (Ленинград. отд-ние), 1974. - 552 с.
3. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учеб./ Луканин В. Н., Морозов К. А., Хачиян А. С. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высш. шк., 1995. - 368 с.
4. В. К. Кошкин, Н. А. Лапушкин. Расчет быстроходных двигателей внутреннего сгорания/ Под ред. В. К. Кошкина. - М.:
Гособоронгиз, 1952. - 250 с.
5. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебн. пособие для вузов./ А. И. Колчин, В. П. Демидов - 3-е изд. пере-раб. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.
6. В. Г. Кадышев, С. В. Тиунов. Расчет рабочего процесса поршневых и комбинированных автотракторных двигателей / Учебное пособие. - Набережные Челны: КамГПИ, 2002. - 62 с.
DIFFERENT FACTORS INFLUENCE UPON FILLING RATIO OF PISTON ENGINE
© 2007 Y. L. Kovylov, D. A. Uglanov
Samara State Aerospace University
In this paper it is proposed alongside with known calculation formulas a new formula, which shows very well an influence of different factors upon filling process in piston engine.
