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
Коэффициент остаточных газов γr зависит от коэффициента наполнения ƞv, степени сжатия с, температуры Тr и давления Pr 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:
где Сv1 Cvr, Cvа— 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 γr из уравнения теплового баланса находим
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 может быть выражен и через параметры свежего заряда:
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 ƞv максимален, 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 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.