2.3. Уравнение коэффициента наполнения

Если принять, что процесс наполнения совершается без дозарядки, то он завершится при давлении p_aи температуре T_a (см. рис. 1, точка а). В этот момент в цилиндре будет находиться число молей, которое рассчитывается по формуле

, (8)

а с учетом формулы (5)

.

Тогда число молей свежего заряда будет

(9)

Из уравнения состояния газа в точкеа

,

откуда число молей рабочего тела в точке а

(10)

Подставляя значения в уравнение (9) получим

(11)

Для определения числа молей заряда, который может теоретически разместиться в рабочем объеме цилиндра, уравнение состояния газа примет вид

,

откуда

(12)

Подставив значения Mи M_hв уравнение (4), получим

(13)

Выразив рабочий объем через V_a и V_cи умножив все выражение на V_c, получим

Тогда

(14)

Для двигателей с наддувом вместо давления p₀ и температуры T₀ окружающей среды подставляют давление p_kи температуруT_kзаряда, поступающего от компрессора:

(15)

Подставив в уравнения (14) и (15) выражения (6) и (7), получим

(16)

и

(17)

2.4. Факторы, влияющие на процессы газообмена

Если для четырехтактного двигателя принять, что процесс выпуска заканчивается в ВМТ, то согласно уравнению состояния газа

,

где р_r и Т_r — абсолютное давление и абсолютная температура остаточных газов соответственно;

V_c — объем камеры сгорания.

С учетом уравнения (5) увеличению коэффициента γ_r будут способствовать следующие факторы:

• увеличение сопротивления выпускного клапана и всей выпускной системы (приводят к увеличению р_r);

• теплопередача при сгорании и расширении и несоответствующий режиму работы состав смеси (приводят к уменьшению T_r);

• степень сжатия. Если учесть, что V_c = V_h/ (ε - 1), то следует, что чем больше ε, тем меньше γ_r. Поэтому у дизелей значение коэффициента остаточных газов меньше, чем у двигателей с принудительным воспламенением.

Что касается процесса наполнения, то из уравнений (14) и (16) видно, что коэффициент наполнения зависит от степени сжатия ε, давления в конце наполнения р_а, давления р₀ и температуры Т₀ окружающей среды, температуры Т_а в конце наполнения, коэффициента γ_r и температуры Т_r остаточных газов величины подогрева свежего заряда △T.

В зависимости от того, как повлияют на перечисленные параметры конструктивные особенности и эксплуатационные условия двигателя, изменится коэффициент наполнения η_v.

Подогрев свежего заряда

Во время впуска в двигатель свежий заряд подогревается от нагретых деталей на величину △T. По определению коэффициента наполнения его величина напрямую зависит от массы свежего заряда действительно поступившего в цилиндр, которая в свою очередь зависит от плотности воздуха.

Подогрев заряда способствует снижению η_v так как при этом снижается плотность заряда. Однако на бензиновых двигателях подогрев необходим для обеспечения лучшего испарения топлива. При этом надо иметь в виду, что подогрев следует осуществлять только до тех пор, пока увеличение мощности двигателя из-за лучшего испарения смеси будет компенсировать снижение той же мощности вследствие уменьшения η_v. В дизелях иногда для увеличения наполнения цилиндров по массе свежий заряд воздуха наоборот охлаждают.

Сопротивление на впуске

Сопротивление поступлению в цилиндр свежего заряда в первую очередь зависит от сопротивления проходной щели впускного клапана, ее формы, шероховатости впускных клапанов и впускного трубопровода, сопротивления карбюратора и воздухоочистителя. Чем больше сопротивление, тем меньше давление конца наполнения р_а и тем меньше η_v. Поэтому подбор рациональной формы и специальная обработка впускного тракта позволяют увеличить η_v. Сопротивление впускных систем у дизелей и двигателей, оснащенных впрыском бензина, меньше, чем у карбюраторных двигателей в виду отсутствия сопротивления дроссельной заслонки.

Сопротивление на впуске в большей степени влияет на величину η_v,чем сопротивление на выпуске, так как сопротивление на выпуске зависит от величины остаточных газов. Поэтому в двигателях без наддува стремятся к увеличению диаметра впускного клапана и делают его несколько больше по сравнению с выпускным. Иногда делают по два впускных и два выпускных клапана, реже — два впускных и один выпускной.

В силу вышеперечисленных причин при эксплуатации нельзя допускать чрезмерного загрязнения воздухоочистителя, увеличения тепловых зазоров в приводе клапанов и значительный износ кулачков распределительного вала.

Частота вращения коленчатого вала

С повышением частоты вращения коленчатого вала сопротивление впускной системы возрастает пропорционально квадрату частоты вращения. Поэтому давление р_а в цилиндре в конце наполнения снижается, что характерно как для карбюраторных двигателей, так и для дизелей (рис. 8).

Понижение р_а при малых частотах вращения коленчатого вала происходит из-за обратного выброса во впускную систему вследствие запаздывания закрытия впускного клапана (выброс тем больше, чем меньше частота вращения коленчатого вала).

Рис. 8. Влияние частоты вращения коленчатого вала на коэффициент наполнения (полная нагрузка): 1 — в дизеле; 2 — в карбюраторном двигателе

Нагрузка на двигатель

С ростом нагрузки увеличивается развиваемая мощность двигателя. Влияние нагрузки на коэффициент наполнения у дизелей и карбюраторных двигателей различно (рис. 9).

В дизеле для увеличения мощности в цилиндры впрыскивается большее количество топлива, что приводит к росту температуры деталей двигателя и, как следствие, к увеличению подогрева (△T) свежего заряда. Поэтому в дизелях с ростом нагрузки наблюдается некоторое снижение η_v.

Рис. 9. Влияние нагрузки (N_e) на коэффициент наполнения (полная нагрузка): 1 — в дизеле; 2 — в карбюраторном двигателе

В карбюраторных двигателях для увеличения нагрузки поворачивают дроссельную заслонку, создавая тем самым меньшее сопротивление на впуске. При этом увеличивается количество свежего заряда, а следовательно и давления р_а конца наполнения. Вследствие увеличения массы свежего заряда его подогрев на впуске снижается. Поэтому зависимость коэффициента наполнения от нагрузки в карбюраторных двигателях близка к линейной.

Условия окружающей среды

Развиваемая двигателем мощность зависит от массы воздушного заряда. Чем ниже температура окружающей среды и выше атмосферное давление, тем больше масса свежего заряда заполнит цилиндры двигателя. С повышением давления заряда снижаются относительные потери на впуске и значение отношение р_а/р₀ увеличивается, что приводит к росту η_v. Этим объясняются более высокие значения η_v у двигателей с наддувом по сравнению с двигателями без наддува.

С другой стороны установлено, что с ростом Т₀ растет и η_v, в соответствии с формулой (13). Однако при этом снижается плотность воздуха, а значит и подача свежего заряда за один цикл:

.

Отсюда следует, что увеличение коэффициента наполнения η_v,не всегда означает, что в цилиндры поступает большая масса свежего заряда. Поэтому следует различать относительную характеристику наполнения, каковой является коэффициент η_v, и массовое наполнение, которое характеризуется абсолютным количеством свежего заряда (G_B), поступающего в двигатель в течение одного часа.

Часовой расход воздуха G_B прямопропорционально зависит от плотности воздуха.

Степень сжатия

C ростом степени сжатия г коэффициент наполнения η_v будет уменьшаться пропорционально величине ε/(ε – 1). В действительности эта связь сложнее, так как с ростом степени сжатия изменяются и другие величины, влияющие на значение η_v. Экспериментально было установлено, что рост ε на значения η_v значительного влияния не оказывает.

Параметры остаточных газов

Температура остаточных газов Т_r на коэффициент наполнения η_v влияет незначительно. Однако увеличение давления остаточных газов р_r приводит к увеличению плотности и массы отработавших газов (например, при увеличении частоты вращения коленчатого вала), что снижает массовое наполнение цилиндра свежим зарядом. К росту Т_r приводят увеличенные тепловые зазоры в приводе выпускных клапанов, загрязнение глушителя или нейтрализатора отра­ботавших газов.

Параметры газообмена приведены в табл. 3.