Расчет параметров впускных и выпускных окон двухтактного двигателя

Важным значением для расчета впускных и выпускных отверстий является значение «время-сечение» ζ. Это расчетная величина, которая при выведении формулы используется для определения газовых масс, поступающих через окна.

Время-сечение

Теперь необходимо вывести уравнение, с помощью которого рассчитывается масса свежего заряда, поступающего через впускное окно во время продувки. При этом для упрощения расчетов принимаются следующие допущения:

• скорость поступления газа ω является постоянной. Это приблизительно соответствует тому, что во время периода продувки давление перед окном и позади окна является почти постоянным.
• коэффициент расхода равен 1.

Так как открытое проходное сечение окна является изменяемым и регулируется поршнем, сначала описываем уравнение только для одного поступающего элемента масс dm:



ρ — плотность поступающего заряда;
ω — скорость потока;
А — сечение, открытое в данный момент, вертикально к направлению движения потока;
dt — элемент времени, в течение которого поступает масса dm.



Общую массу свежего заряда можно получить с помощью интегрирования:



t₁ — момент времени, к которому поршень откроет окно
t₂ — момент времени, к которому поршень вновь закроет окно

Интеграл представляет собой «время-сечение» z:



Сечение А, открытое в данный момент, можно легко выразить как функцию угла поворота кривошипа. С помощью

Пример 3

Необходимо определить значение «время-сечение» для эскиза впускного окна (рис. 8.34).





Дано:

• Эскиз окна
• Частота вращения коленчатого вала = 2000 мин⁻¹
• Ход поршня Н = 120 мм
• Длина шатуна = 240 мм

С помощью значения «время-сечение» z рассчитывается поступающая масса свежего заряда по формуле:

Источник доступен здесь peugeotbook

Размеры впускных окон

Для расчета размеров впускных окон следует вначале выбрать способ продувки цилиндра. Затем можно чисто конструктивно определить ширину впускного и выпускного окон.

Решение

Интеграл быстрее всего получить графическим способом. Кривая А=f(a) проходит симметрично к a=180°УПКВ. Этого достаточно для изображения половины кривой и расчета площади. Необходимо нанести вторую половину кривой, так как от нее в итоге получаем точку пересечения с осью а, до которой необходимо произвести интегрирование.

Значения А рассчитываются по формуле:



А = В h cos σ

В — общая ширина окна;
h — высота открытия окна в данный момент времени;
σ — угол между осью окна и вертикалью к оси цилиндра.
А = 6·20 мм h cos 45°
А = 84,9 мм h

Из рис. 8.34 получаем следующее:

h = S - (H - h_max)

С помощью формулы для хода поршня получаем:



Окончательная формула мгновенного сечения гласит:

А = 84,9 мм [60 мм (1 — cos а + 0,125 sin² а) — 94 мм]

Значения для А рассчитываются с помощью таблицы.

а°УПКВ	cos а	sin а	1 - cos а	0,125 sin² а	S мм	h мм	А мм²
180	-1,000	0	2,000	0	120,0	26,0	2207
190	-0,985	-0,174	1,985	0,0038	119,3	25,3	2148
200	-0,940	-0,342	1,940	0,0146	117,3	23,3	1978
210	-0,866	-0,500	1,866	0,0312	113,8	19,8	1681
220	-0,766	-0,643	1,766	0,0516	109,1	15,1	1282
230	-0,643	-0,766	1,643	0,0734	103,0	9,0	764
240	-0,866	-0,866	1,500	0,0938	95,6	1,6	136
250	-0,342	-0,940	1,342	0,1104	87,1	-6,9	-586

Теперь А указывается над а (рис. 8.35). При расчете площади получаем значение, равное 2257 мм², то есть



Значение «время-сечение» для впускного окна составляет:



Между впускными окнами должны оставаться желобки для введения поршневого кольца. Ширина отдельного окна выбирается таким образом, чтобы торцы поршневого кольца (замок поршневого кольца) не свисали в окнах и не обламывались. На маленьких поршнях поршневые кольца фиксируются чаще всего с помощью штифтов, таким образом, торцы поршневых колец не перекрывают окно, а находятся в желобке. Так как данные поршневые кольца не могут вращаться, существует опасность повышенного загрязнения канавки поршневого кольца. Тогда кольца прочно фиксируются нагаром, не пружинят, не прилегают плотно к зеркалу цилиндра, и газы из цилиндра попадают в картер двигателя.



Высота впускного окна принимается сначала на основании опыта, полученного на других двигателях. Данное допущение можно легко проверить с помощью примерной скорости потока газов в окнах.

Преобразовав уравнение 8.27, получаем формулу скорости потока:



Протекающая масса m выражается следующим образом:



Окончательная формула скорости потока гласит:



Экспериментальные значения скорости потока:

• мало- и среднеоборотные двигатели ω ≈ от 70 до 90 м/с (n = 100-500 мин⁻¹)
• высокооборотные двигатели ω ≈ 100 м/с

Если значение скорости потока, рассчитанное по уравнению 8.28, сильно отличается от ω, для высоты окна необходимо выбрать другое значение.

Опережение выпуска

Выпускные окна должны открываться перед впускными окнами, чтобы посредством опережения выпуска давление в цилиндре снижалось до величины давления продувки. Поэтому высота выпускного окна выбирается такой же, как и высота впускного окна, и при этом необходимо ориентироваться на схожие, уже созданные двигатели. Затем определяем значение «время-сечение» для опережения выпуска z_VA и сравниваем его с требуемым значением «время-сечение» для опережения выпуска z_Vae, рассчитанным по формуле 8.29. При недостаточном совпадении данных двух значений необходимо изменить высоту выпускного окна.

Вытекание отработавших газов во время опережения выпуска является нестационарным процессом, так как скорость изменяется со временем. Как только степень сжатия (давление в цилиндре к давлению позади выпускного окна) становится сверхкритичной, газы вытекают со скоростью звука. При расчете требуемого значения «время-сечение» для опережения выпуска принимаются следующие упрощенные предположения:

Объем газа V₁ является постоянным во время опережения выпуска.



V_h — рабочий объем;


V_c — объем камеры сгорания (камеры сжатия);
D — диаметр цилиндра;
h_A — высота выпускного окна.

Скорость выпуска газов из цилиндра во время всего процесса опережения выпуска примерно равна скорости звука.

В действительности во время опережения выпуска объем V₁ немного увеличивается, а скорость выпуска уменьшается, поэтому ошибки, возникающие из-за упрощенных предположений, немного компенсируются.

Формула требуемого значения «время-сечение» для опережения выпуска выглядит так:



Коэффициент истечения: μ≈0,9;
Температура газа в цилиндре: Т₁≈1000 К;
p₁, p_s — абсолютное давление;
Давление газа в цилиндре: p₁ = от 3 до 5 бар.

Сначала необходимо определить давление продувки p_s. Когда размеры впускных и выпускных окон определены, можно приступать к расчету давления продувки, как описано в следующем разделе. Если данное значение сильно отличается от эмпирически выбранного значения, необходимо изменить величину опережения выпуска и вновь выполнить расчеты. Данный метод постепенного приближения к правильным значениям является очень трудоемким, если необходимо выполнять расчеты вручную. Но так как на сегодняшний день для таких расчетов принято использовать электронные вычислительные системы, правильные значения можно быстро получить, после того как один раз была составлена соответствующая вычислительная программа.