СПЕЦЧАСТЬ. Разработка двигателя внутреннего сгорания

Объект модернизации

Анализ внутрицилиндровых процессов, сопровождающих запуск двигателя

В результате сжатия в цилиндре дизеля создаются условия, которые обеспечивают воспламенение и последующее сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку. Эти условия характеризуются, с одной стороны, давлением и температурой заряда в конце процесса сжатия, а с другой - интенсивностью движения воздуха в цилиндре и камере сгорания двигателя.

Сжатие воздушного заряда в цилиндрах дизелей ЯМЗ начинается при >236о поворота коленчатого вала, после закрытия впускного клапана. Вследствие неравномерного вращения коленчатого вала, утечек заряда через неплотности поршневых колец и теплообмена со стенками цилиндра темпы роста давления и температуры по мере приближения поршня к ВМТ непрерывно изменяются.

Показатель политропы сжатия, определенный из уравнения политропы pVn=const, увеличивается от значений близких 1 в начале сжатия до 1.32 - 1.34 перед ВМТ. Около ВМТ в результате уменьшения скорости поршня и увеличения относительной поверхности теплоотдачи темпы роста давления и температуры заряда снижаются, уменьшается и показатель политропы n.

Показатель адиабаты воздушного заряда k вследствие увеличения температуры в течение всего процесса сжатия непрерывно уменьшается.

Параметры заряда в конце сжатия при пуске дизелей зависят от целого ряда факторов: степени сжатия - , числа оборотов коленчатого вала в минуту, утечек воздуха через неплотности цилиндра, теплообмена и значений давлений и температуры в начале сжатия.

В результате совокупного влияния этих факторов давление в конце процесса сжатия Pc при прокручивании двигателя с n=-0-100 об/мин существенно уменьшается по сравнению с соответствующим давлением при (nн) =2100 об/мин (Таблица 2.1.1).

Таблица 2.1.1 - давление Pс в цилиндрах двигателя ЯМЗ-240 после заводской обкатки (t =-5oC)

Решающее влияние на результаты процесса сжатия оказывает степень сжатия двигателя - . Величина ее определяется возможностью получения удовлетворительных пусковых качеств, высоко эффективным протеканием рабочего процесса, а также условиями прочности и долговечности двигателя.

Объем камеры сжатия Vс, а следовательно, и степень сжатия двигателя зависят от объемов камеры в поршне - Vк, углублений под клапаны - Vкл, надпоршневого зазора нз и выступания бурта втулки цилиндра. Допуски по соответствующим чертежам на эти объемы, определяемые технологией производства и сборки, при неблагоприятных сочетаниях могут привести к существенному уменьшению степени сжатия и различию ее по цилиндрам двигателя.

В двигателях ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-240 основное влияние на степень сжатия оказывает надпоршневой зазор, величина которого по ТУ изменяется от 1,198 мм до 1,98 мм.

Только это может привести к изменению степени сжатия, примерно, на 2 единицы. Поэтому устанавливаемая степень сжатия от двигателя к двигателю может изменяться от 16,5 до 14,5.

Подобное изменение степени сжатия приводит к уменьшению температуры конца сжатия, примерно, на 20 ? 250С, а давления - на 2,5 кг/ см2. Естественно, что такое изменение параметров в конце сжатия может привести к тому, что пусковые качества отдельных двигателей могут существенно отличаться.

Из таблицы 2.1.1 видно, что и в цилиндрах одного двигателя давления в конце процесса сжатия могут существенно отличаться. Значительное различие в степенях сжатия, а, следовательно, в давлениях и температурах воздушного заряда в конце процесса сжатия является основной причиной пуска двигателей ЯМЗ не на всех цилиндрах.

Вместе с этим, увеличение надпоршневого зазора в пределах допуска снижает интенсивность радиальных перетеканий в цилиндре и приводит к уменьшению отношения Vк/Vс, примерно, с 0,82 до 0,73. В результате этого уменьшается относительное количество воздуха в камере сгорания и ухудшаются условия испарения и смесеобразования, особенно при низкотемпературном пуске дизеля.

Увеличение давления и температуры воздушного заряда в период пуска в цилиндре дизеля начинается лишь после закрытия впускного клапана (кл = 560 поворота к.в. после НМТ) [3].

Если учесть также то, что процесс «чистого» сжатия заканчивается в момент начала поступления топлива в цилиндр, то относительное изменение объема цилиндра за процесс сжатия окажется еще меньшим.

Если обозначить через

V - объем, потерянный вследствие позднего закрытия впускного клапана;

V - изменение объема цилиндра, соответствующее продолжительности периода опережения впрыска 0 поворота к.в., то «действительная» степень сжатия

после несложных преобразований можно получить

2.1.1

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

- геометрическая степень сжатия

Формула (2.1.1) дает возможность найти относительное изменение объема цилиндра за процесс сжатия («действительную» степень сжатия) в условиях различных начала и конца сжатия, что соответствует осуществлению процесса при различных запаздываниях закрытия впускного клапана и разных углах опережения впрыска топлива.

Расчеты показывают, что при геометрической степени сжатия г=16,5, закрытии впускного клапана через 560 поворота к.в. после НМТ установка угла опережения впрыска топлива в 100, 200 и 300 поворота к.в. до ВМТ приводит к уменьшению «действительной» степени сжатия д, соответственно, до 11,9; 8,62 и 5,97, что в процентах составит 72,3%, 52,2% и 36,2% от 16,2.

Таким образом, относительное изменение объема за процесс сжатия оказывается значительно меньше г. Это приводит к соответствующему уменьшению параметров воздушного заряда в конце процесса сжатия.

Если принять, что в момент закрытия впускного клапана Тзк=2730К = idem, а процесс сжатия совершается со средним показателем политропы n = 1,3 = idem, то подобное изменение степени сжатия д приведет к уменьшению температуры в конце сжатия с 6330К до 5750К; 5220К и 4670К соответственно.

Уменьшение угла запаздывания закрытия впускного клапана благоприятно сказывается на относительном изменении объема заряда при сжатии; закрытие клапана в НМТ при прочих равных условиях приводит к увеличению д, в среднем, на 20%.

Таким образом, кроме геометрической степени сжатия температурные условия в цилиндре в момент впрыска топлива в значительной мере будут зависеть от момента закрытия впускного клапана и угла опережения впрыска топлива.

Из рисунка 2.2.1 следует, что наибольшее влияние запаздывания закрытия впускного клапан на величину д наблюдается в диапазоне больших значений углов кл, примерно, до 40?450 поворота

к.в. после НМТ. Дальнейшее уменьшение этого угла на двигателях ЯМЗ, по-видимому, нецелесообразно, так как «действительная» степень сжатия при этом повышается незначительно.

Рисунок 2.2.1 - Зависимость действительной степени сжатия д от геометрической - г, угла запаздывания закрытия впускного клапана кл и угла опережения впрыска топлива -

В результате исследования процессов наполнения и сжатия было установлено, что одним из реальных способов улучшения пусковых качеств двигателя является сокращение продолжительности запаздывания закрытия впускных клапанов кл с 560 до 44-460 [3] поворота к.в. после НМТ.

Это позволило бы увеличить при = 200 поворота к.в. «действительную» степень сжатия - д с 7,86 до 8,4 ? 8,6 и поднять температуру в момент начала впрыска топлива, примерно, на 8 - 100С по сравнению с исходным вариантом (г = 14,0; кл = 56 поворота к.в. после НМТ) [3].

Исследования двигателя ЯМЗ -238 с экспериментальным кулачковым валиком в камере холода подтвердили результаты расчетов.

Уменьшение угла запаздывания закрытия впускного клапана до 460 поворота к.в. НМТ позволило увеличить при n =90 ? 100 об/мин давление заряда в ВМТ на 1,1 ? 1,2 кг/см2 и снизить минимальную температуру пуска двигателя со стартером СТ-103 на 50С [3]. При этом мощностные и экономические показатели двигателя при работе на номинальном режиме и по скоростной характеристике практически не изменились.

Как и предполагалось, дальнейшее сокращение продолжительности запаздывания закрытия впускного клапана вследствие слабого влияния на параметры воздушного заряда в конце сжатия и заметного ухудшения наполнения цилиндра на номинальном режиме оказалось нецелесообразным.

Надежный пуск дизеля возможен только в том случае, если в результате сжатия в цилиндре достигается достаточная для воспламенения топлива температура воздушного заряда.