2.2. Рабочие процессы и показатели работы двигателей внутреннего сгорания

2.2.1. Процесс впуска

В начале процесса впуска камера сгорания заполнена отработавшими газами предыдущего цикла (остаточными газами). Давление остаточных газов в начале процесса впуска, в основном, зависит от гидравлического сопротивления выпускной системы, а также от частоты вращения коленчатого вала, повышаясь пропорционально росту этих факторов. При отсутствии глушителя в выпускной системе давление остаточных газов, МПа, в начале впуска 

Pr = (1,05… 1,20)p0,

где P0 — давление атмосферного воздуха, МПа, при температуре атмосферного воздуха Т0, К.

В расчетах принимают следующие значения параметров атмосферного
воздуха: р0 = 0,1 МПа (1 атм), Т0 = (273 + 15) К.

Для бензиновых ДВС термодинамическая температура остаточных
газов в начале впуска Тr = 900… 1100 К, для дизелей Тr = 700…900 К.

Свежий заряд, поступающий в цилиндр, имеет давление ниже атмосферного из-за сопротивления во впускном тракте. В цилиндре свежий заряд, смешиваясь с остаточными газами, образует рабочую смесь.

Качество очистки цилиндра от остаточных газов характеризуется
коэффициентом остаточных газов

коэффициентом остаточных газов

Коэффициент остаточных газов γr зависит от коэффициента наполнения ƞv, степени сжатия с, температуры Тr и давления Pостаточных газов:

коэффициентом остаточных газов

Коэффициент остаточных газов уменьшается при увеличении степени сжатия ε, коэффициента наполнения ƞv, повышении температуры остаточных газов Тr и снижении давления Pr остаточных газов. Для бензиновых двигателей коэффициент достаточных газов находится в пределах 0,06…0,18, для дизелей — 0,03…0,06. Чем больше коэффициент остаточных газов, тем хуже качество рабочей смеси и, следовательно, ниже мощность двигателя и его КПД.

Свежий заряд, поступая в цилиндр, подогревается от нагретых деталей двигателя. Этот подогрев ΔT составляет 10…35 К для бензиновых двигателей и 10…20 К для дизелей. Кроме того, в конце впуска температура уже рабочей смеси повышается за счет температуры остаточных газов, что может быть определено из уравнения теплового баланса:

 средняя теплоемкость

где Сv1 Cvr, C— средняя теплоемкость соответственно при постоян­ных объемах свежего заряда (в индексе V1,), остаточных газов ( Vr) и рабочей смеси ( Vа) в конце впуска, кДж/(кмоль К); Та — тер­модинамическая температура рабочей смеси в конце впуска, К; V1, Vr — количество молекулярных веществ свежего заряда и ос­таточных газов, кмоль.

Из-за незначительной разницы величин указанных теплоемко­стей их можно принять условно одинаковыми. Тогда с учетом за­висимости для коэффициента остаточных газов γиз уравнения теплового баланса находим

тер­модинамическая температура

Окончательно термодинамическая температура рабочей смеси в конце впуска составляет Та = 340…400 К для бензиновых двига­телей и 310…360 К для дизелей.

Подогрев приводит к уменьшению плотности свежего заряда и, следовательно, к уменьшению количества поступившей в ци­линдр топливной смеси по сравнению с теоретически возмож­ным, которое могло бы заполнить цилиндр при температуре и давлении свежего заряда, равных температуре и давлению атмосферного воздуха.

Степень наполнения цилиндра свежим зарядом оценивается коэффициентом наполнения.

Коэффициент наполнения — отношение количества молекуляр­ных веществ свежего заряда V1 поступившего в цилиндр, к теоре­тически возможному Vтеор для свежего заряда, заполняющего ра­бочий объем цилиндра при давлении P0 и температуре Т0 атмо­сферного воздуха:

Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения может быть выражен и через пара­метры свежего заряда:

Коэффициент наполнения

При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя изменяются величины Pr и ΔТ, причем нелинейно, поэтому для каждого двигателя существует та оптимальная частота вращения, при которой коэффициент наполнения ƞмаксимален, а мощ­ность двигателя пропорциональна ƞv. Для достижения наиболь­шей эффективности двигателя необходимо уменьшать сопротив­ление впуску свежего заряда и выпуску отработавшего газа. Систе­ма впуска должна обеспечивать минимальный подогрев свежего заряда. У дизелей с наддувом, т.е. с принудительной подачей воз­духа, это решается охлаждением подаваемого воздуха.

В режиме работы с максимальной мощностью величина коэф­фициента наполнения для бензиновых двигателей ƞv = 0,7…0,8; для дизелей ƞv = 0,78…0,92. Более высокий коэффициент наполне­ния для дизелей объясняется, главным образом, меньшим сопро­тивлением впускного тракта и меньшим подогревом свежего заряда.

Давление рабочей смеси в цилиндрах в конце впуска определя­ется зависимостью.

Фактическое давление

Фактическое давление Pa рабочей смеси в конце впуска состав­ляет 0,075…0,090 МПа для бензиновых двигателей и 0,085… 0,095 МПа для дизелей. Более высокое фактическое давление ра­бочей смеси для дизелей объясняется в основном меньшим со­противлением впускного тракта.