Процесс наполнения. В начале каждого цикла в цилиндр ди­зеля при движении поршня к н. м. т. поступает свежий воздух под влиянием возникающего в цилиндре разрежения или за счет из­быточного давления, создаваемого в специальных нагнетателях.

В четырехтактных двигателях без наддува процесс наполнения начинается в точке r (рис. 200, а). В этот момент объем простран­ства сжатия V_c=V_r заполнен оставшимися после предыдущего цикла отработавшими газами в количестве М_r кмолей с темпера­турой Т_r° К и давлением р_r н/м², большим атмосферного р₀ вследствие сопротивления в выпускной системе двигателя на ве­личину ?р_r. При движении поршня вниз эти газы, называемые остаточными, сперва расширяются по политропе rr₀ до давления р₀ и только после этого в цилиндр начинает поступать атмосферный воздух. Практически можно пренебречь небольшими колебаниями и считать, что давление в процессе наполнения остается постоян­ным. В конце наполнения (точка а) поршень находится в н. м. т. и в объеме цилиндра V_a=V_c+V_s окажется М_r кмолей смеси, со­стоящей из остаточных газов в количестве М_r кмолей и L кмолей свежего воздуха, т. е. M_a = M_r + L. Температура заряда цилиндра будет T_а, а давление р_а<p₀ на величину ?p_а вследствие сопро­тивлений во впускной системе двигателя.

В четырехтактных двигателях с наддувом (рис. 200, б) давле­ние воздуха перед двигателем р_н обычно больше давления p_r0 в процессе выпуска е₀r₀ отработавших газов. Давление в цилиндре p_а в процессе наполнения rа будет выше p₀, но меньше, чем дав­ление перед двигателем р_н на величину ?p_н, зависящую от со­противлений впускной системы дизеля. При расчетах температуру окружающего воздуха принимают T₀ = 288?300° К, а давление p₀ = 0,103 Мн/м². У двигателя без наддува воздух перед поступле­нием в цилиндр проходит через впускной коллектор, соединитель­ные патрубки, канал в крышке цилиндра, омывает клапан, нагре­ваясь при этом на величину ?T₀ = 5?10° К. Температура воздуха, поступающего непосредственно в цилиндр, составит T₀’ =T₀ + ?T₀° К.

У двигателя с наддувом (рис. 201, а) параметры воздуха пе­ред нагнетателем будут р₀, Т₀, а за ним перед двигателем p_н, T_н.

Согласно опытным данным давление наддува р_н принимается:

—  для четырехтактных двигателей с механическим наддувом p_н=0,12?0,16 Мн/м², а с газотурбинным наддувом р_н=0,13?0,3 Мн/м²;

—   для двухтактных двигателей без наддува р_н = 0,115?0,125 Мн/м² и с наддувом р_н= 0,13?0,18 Мн/м².

Считая, что сжатие в нагнетателе происходит по политропе, находят температуру воздуха за нагнетателем

где n_н — показатель политропы сжатия, принимается для порш­невых нагнетателей равным 1,4—1,6, ротативных 1,7—2 и цент­робежных 1,6—1,7.

Далее воздух по пути в цилиндр нагревается на величину ?T_н = 10?20° К и входит в цилиндр с температурой Т_н' = Т_н + ?T_н°К. Для увеличения массового заряда воздух после нагне­тателя охлаждается в воздухоохладителе (рис. 201, б), благодаря чему повышаются литровая мощность и экономичность и сохраня­ется в допустимых пределах тепловая нагрузка двигателя при его форсировке. Потери давления воздуха в охладителе принимают ?p_охл = 0,0015 ? 0,005 Мн/м². Приняв по приведенным рекомендациям давление воздуха р_н перед двигателем, определяют давление и температуру его после нагнетателя:

Понижение температуры воздуха в охладителе ?T_охл = 20?60° К, и тогда температура воздуха перед двигателем Т_н = Т_н” — — ?T_охл?K и далее с учетом подогрева воздуха на пути в ци­линдр

Воздух, поступая в цилиндр в количестве L кмолей с темпера­турой Т₀ (или T_н), перемешивается с М_r кмолями остаточных газов, имеющих температуру Т_r° К, и к концу наполнения (точка а) температура смеси Т_r >Т_а>Т₀' (или T_н').

Количество тепла, переданное воздуху остаточными газами,

Количество тепла, воспринятое воздухом Q₂ =c_?вL (Т_а—Т₀’), где с_?r и c_?в — средние мольные теплоемкости остаточных газов и воз­духа, дж/(кмоль?град).

Так как Q₁ = Q₂, то с_?r М_r(Т_r — Т_а) = c_?в L(Т_а — T₀’).

Без особой погрешности можно принять с_?r = c_?в и тогда получим

По этой формуле определяют температуру заряда в конце напол­нения для дизелей без наддува. Для ДВС с наддувом следует пользоваться формулой

По опытным данным, для четырехтактных двигателей Т_а = 300?340° К и для двухтактных Т_а = 310?380° К. Температурой Т_r задаются в пределах 600—800° К для тихоходных двигателей и 700—1000° К для быстроходных. Ошибка в оценке Т_r мало влияет на Т_а, так как Т_r должно быть умножено на Малую величину ?_r, представляющую собой отношение количества остаточных газов М_r к действительному количеству свежего воздуха L, поступив­шего в процессе наполнения.

Величина ?_r характеризует степень очистки цилиндра от про­дуктов сгорания и в расчетах принимается по опытным данным:

—  для четырехтактных двигателей без наддува ?_r == 0,03?0,05 и с наддувом ?_r = 0,02?0,4;

—  для двухтактных двигателей с продувкой: контурной ?_r = 0,08?0,15, пямоточно-клапанной ?­_r = 0,08?0,12; кривошипно-камерной ?_r = 0,3?0,4 и прямоточно-щелевой ?_r =0,04?0,08.

Можно рекомендовать также для определения ?_r следующие формулы:

где р_r — давление остаточных газов в цилиндре, которое прини­мают для тихоходных ДВС 0,102—0,106 Мн/м² и для быстроход­ных ДВС 0,105—0,115 Мн/м².

При проектировании двигателя стремятся принять по возмож­ности меньшее значение ?_r, так как при этом увеличивается масса заряда свежего воздуха и процесс сгорания совершается лучше. Коэффициент ?_r уменьшается с увеличением степени сжатия ?, температуры Т_r и давления выпуска.

Вследствие повышения температуры от Т₀ до T₀’ (или от T_н до T_н') и понижения давления от р₀ (или р_н) до р_а в рабочий объем цилиндра V_s входит воздух в процессе наполнения в коли­честве L кмолей, меньшем, чем могло бы поместиться L_s кмолей при температуре Т₀ (или Т_н) и давлении р₀ (или р_п) перед дви­гателем.

Отношение количества свежего воздуха L кмолей, действи­тельно поступившего в цилиндр, к теоретически возможному коли­честву L_s кмолей называется коэффициентом наполнения ци­линдра ?_н = L / L_s. Как выше отмечалось, количество молей газа в конце наполнения (точка а) М_а=М_r+L или М_а = L (1 + M_r / L)  , и окончательно М_а = L (1 + ?_r).

Из уравнения состояния в точке а р_аV_а = 8314 М_аТ_а имеем

Приравняв правые части приведенных равенств

Количество кмолей воздуха L_s, теоретически возможное в объеме V_s при T₀ и р₀, находят из уравнения состояния

Выражение для ?_н действительно и для ДВС с наддувом при условии замены р₀ и Т₀ на р_н и Т_н — давление и температуру воздуха перед двигателем. У двухтактных двигателей расчет ра­бочего процесса производится обычно для полезной части хода поршня V_s(1—?_s), где ?_s— доля хода поршня, занятая окнами (принимается для продувочных окон 0,08 - 0,14 и для выпускных 0,16—0,25). Коэффициент наполнения, отнесенный к полезному ходу поршня,

Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня, равен

Коэффициент наполнения находится в пределах: для четырех­тактных двигателей без наддува 0,75—0,9 и с наддувом 0,7—0,85, для двухтактных 0,75—0,90.

Из формулы (130) видно, что увеличение коэффициента оста­точных газов ?_r ведет к уменьшению ?_н. С уменьшением степени подогрева воздуха уменьшается значение Т_а, что увеличивает ?_н.

Однако наибольшее влияние на величину ?_н оказывает значение давления p_a в конце наполнения, с увеличением которого ?_н возрастает. По практическим данным, давление в конце наполне­ния р_а для четырехтактных тихоходных двигателей равно (0,85— 0,95) р₀ и быстроходных (0,80—0,85) р₀, для двухтактных тихо­ходных двигателей (0,85—0,94) р_н и быстроходных (0,85—1,05) р_н.

Охлаждение воздуха при наддуве не приводит к заметному из­менению ?_н.

Давление продувочного воздуха р_п может быть принято для двухтактных тихоходных двигателей 0,115—0,125 Мн/м² и быстро­ходных 0,12—0,14 Мн/м².

В газодизелях в процессе наполнения в цилиндр поступает смесь газа с воздухом. Коэффициент избытка воздуха в смеси со­ставляет ? =1,4?2,2, подогрев све­жего заряда от стенок двигателя ?T = 20?50° К- Давление и темпе­ратуру остаточных газов принимают соответственно равными 0,108— 0,125 Мн/м² и 970—1270° К. Давле­ние р_а в начале сжатия принимают равным 0,098—0,08 Мн/м².

Процесс сжатия. В теоретиче­ском цикле предполагается, что у двухтактных двигателей сжатие начинается с момента закрытия окоп (выпускных или продувочных, в зависимости от того, какие из них выше), а у четырехтактных — с н. м. т. и продолжается до прихода поршня в в. м. т. При этом созда­ются условия, необходимые для наиболее эффективного протекания последующего сгорания топлива.

В современных ДВС процесс сжа­тия отклоняется от идеального адиабатного ас' (рис. 202) и про­исходит по политропе с непрерывно меняющимся показателем п₁ на всем протяжении сжатия (кривая ас) вследствие теплообмена между зарядом и стенками цилиндра. В начале сжатия происхо­дит приток тепла от стенок цилиндра к заряду и n₁>k, затем в не­который момент температуры заряда и стенок сравняются, возни­кает адиабатное состояние заряда n = k (точка b), после чего температура воздуха становится выше температуры цилиндра и направление теплообмена меняется (n₁<k). Для упрощения при расчетах циклов принимают процесс сжатия протекающим по неко­торой политропе с постоянным показателем n₁, значения которого принимают равными для высокооборотпых двигателей 1,38—1,42, малооборотиых 1,32—1,37 и газожидкостпых 1,3—1,38.

С увеличением быстроходности сокращается время теплооб­мена заряда со стенками цилиндра и n₁ возрастает. При охлажде­нии поршней n₁ понижается. Если материал поршней более теп­лопроводный, то n₁ будет также уменьшаться. У двигателей с малыми размерами цилиндра n₁ будет меньше, чем у двигателя с большими размерами. Это же наблюдается у Двигателей с ус­ложненными формами камер сгорания. Охлаждение наддувочного воздуха повышает n₁.

Параметры заряда р_а и Т_а в начале сжатия были определены при рассмотрении процесса наполнения. Давление р_с и температуру Т_с конца сжатия находят из соотношения параметров в политропном процессе ас,

Степень сжатия для тихоходных двигателей ? =13?1n4, сред­ней быстроходности ? =14?5, быстроходных ? = 15?18, с наддувом ? = 11?13 и газожидкостных ? = 11 ?18.

Температура заряда Т_с в конце сжатия должна быть не менее 750—800° К.

Анализ идеальных циклов ДВС показал, что их экономичность увеличивается с повышением ?. Однако при этом увеличивается давление газов, повышается температура и вследствие этого воз­никают повышенные напряжения в деталях двигателя. В этом случае приходится применять более качественный материал, увели­чивать размеры деталей, что удорожает и утяжеляет конструкцию.

Среднее значение давления р_с в конце сжатия у судовых дизе­лей без наддува составляет 3—5 Мн/м², с наддувом 3,6—10 Мн/м² и у газожидкостных 3—3,5 Мн/м².

Процесс сгорания. Процесс воспламенения и сгорания в дви­гателе происходит примерно по следующей элементарной схеме.

Топливо впрыскивается в цилиндр во время, хода сжатия, причем момент начала впрыска устанавливается всегда до в. м. т., при­мерно за 10—40° угла поворота коленчатого вала (точка 1 на рис. 203). Капли топлива, имеющие температуру 329—343° К, пе­ремешиваются в цилиндре с нагретым в результате сжатия до 873—1073° К воздухом, нагреваются и частично испаряются, об­разуя смесь с воздухом определенной концентрации. Сложные мо­лекулы топлива разлагаются на промежуточные продукты окис­ления и происходит подготовка топлива к воспламенению в тече­ние некоторого промежутка времени ? =0,001?0,005 сек, которое называтся периодом задержки самовоспламенения. Величина т зависит от свойств применяемого сорта топлива, степени сжатия, конструкции двигателя, качества распыливания топлива и многих

других факторов. Коленчатый вал за время т повернется на угол 5—30°. В период задержки самовоспламенения в цилиндре скапли­вается около 30—40% всего количества топлива, впрыскиваемого за цикл. Это топливо почти полностью испаряется и образует многочисленные очаги воспламенения. Опережение впрыска вы­бирают с таким расчетом, чтобы процесс сгорания заканчивался ближе к в. м. т. При этом наибольшее давление сгорания р_z до­стигает наивыгоднейшего для данного двигателя значения, опре­деляемого обычно при доводочных испытаниях. Увеличение опе­режения впрыска вызывает по­вышение давления p_z.

Самовоспламенение насту­пает примерно за 5—10° до в. м. т. по ходу сжатия (точка 2). Происходит интен­сивный процесс окисления го­рючих элементов топлива с вы­делением тепла. Сгорание со­провождается быстрым повы­шением температуры и давле­ния в цилиндре. Средняя ско­рость нарастания давления w_ср, характеризующая интен­сивность процесса сгорания, представляет собой отношение прироста давления ?р с мо­мента самовоспламенения до момента достижения наибольшего давления в цилиндре р_z, к при росту угла поворота вала ??° за это время

При малой скорости w_ср двигатель работает спокойно и мягко. Увеличение ?_cp приводит к жесткой работе двигателя, а иногда даже появляется стук. Оказывает влияние на w_ср также ско­рость подачи топлива в процессе видимого сгорания.

По опытным данным, мягкая работа двигателя обеспечивается при w_cp =0,2?0,6 Мн/м² на 1°?. В быстроходных двигателях w_ср достигает 0,8—1,0 Мн/м² на 1°?. Наиболее интенсивное сгорание начинается с момента достижения наибольшего давления р_z (точка 3). Топливо, впрыскиваемое в цилиндр, встречает среду с высокой температурой и практически сгорает сразу после по­ступления в цилиндр. В этот период происходит интенсивный рост температуры, которая к окончанию подачи топлива (точка 4) достигает максимального значения в цикле Т_z. Заканчивается про­цесс сгорания через 20—5° поворота коленчатого вала после в. м.т. Дальше в процессе расширения происходит нежелательное, но не­избежное почти у всех двигателей незначительное догорание топ­лива. Период догорания у тихоходных двигателей короче, чем у быстроходных. Завершается догорание к середине или к концу процесса расширения. Догорание на линии расширения ведет к увеличению потерь тепла в охлаждающую воду и повышению температуры отработавших газов. Для уменьшения этих потерь активизируют процессы смесеобразования и сгорания.

Началом горения в расчетах считают момент прихода поршня в в. м. т. и окончанием — приход поршня в точку z (рис. 199).

Расчет процесса сгорания принято проводить исходя из 1 кг сжигаемого топлива, состав которого колеблется в пределах: уг­лерод 84—88%, водород 12—14%, кислород 0,1—2,5% и сера 0,01-4%.

При расчетах можно принять, что в 1 кг дизельного топлива среднего состава содержится 0,87 кг углерода, 0,126 кг водорода и 0,004 кг кислорода.

Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива за вычетом потерь на испарение находящейся в топливе влаги и воды, получаемой при сгорании водорода топлива, назы­вается низшей теплотой сгорания Q_н кдж/кг. Для топлива указан­ного состава Q_н = 41 900 кдж/кг. Количество воздуха и образую­щихся газов принято измерять в киломолях.

Продуктами полного сгорания горючих элементов топлива яв­ляются СО₂, Н₂О и О₂. Из расчетных реакций сгорания горючих элементов топлива следует, что для полного сгорания С кг углерода, Н кг водорода и S кг серы необходимо C / 12 + H / 4 + S / 32  кмолей кислорода.

Учитывая, что в 1 кг топлива содержится O / 32 кмолей кислорода, подсчитанное количество следует уменьшить на величину O / 32  кмоль. Таким образом для полного сгорания 1 кг топлива теоретически необходимое количество кмолей кислорода состав­ляет

Так как кислород является составной частью воздуха, поступаю­щего в цилиндр, и по объему составляет примерно 21%, то ко­личество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива,

Ввиду незначительного промежутка времени смесеобразо­вания в цилиндре топливо недостаточно хорошо перемешива­ется с воздухом и полного сгорания при подаче в цилиндр теоре­тического количества воздуха L₀ невозможно добиться. Поэтому необходимо подавать воздух в цилиндр с некоторым избытком.

Отношение действительно поступившего в цилиндр количества воздуха L к теоретически необходимому L₀ называется коэффици­ентом избытка воздуха ? = L / L₀ .

Действительное количество воздуха

L = ?L₀.   (135)

Величина а зависит от особенностей двигателей, вида смесеоб­разования и применяемых сортов топлива и принимается для дви­гателей с наддувом равной 1,5—2,1; для тихоходных двигателей без наддува ? = 1,8 ? 2,1 и быстроходных ?  = 1,3 ? 1,7. При охлаж­дении наддувочного воздуха значение ? несколько увеличивают, но оно должно быть не более 2,4.

В начале процесса сгорания в цилиндре находится L кмолей воздуха. При горении топлива происходит увеличение количества кмолей продуктов сгорания вследствие увеличения суммарного ко­личества молекул газообразных продуктов сгорания. К концу сго­рания число кмолей газа

Отношение количества молей продуктов сгорания М к количе­ству молей свежего заряда L называется теоретическим коэффициентом изменения ?₀ = M / L.

Действительным коэффициентом молекулярного изменения называют отношение

где М_r — количество кмолей остаточных газов в цилиндре.

Разделив числитель и знаменатель на Ь, получают окончатель­ное выражение

Для современных двигателей ? = 1,03?1,04. Из-за несовершенства смесеобразования топливо полностью на участке сz'z (рис. 204) не успевает сгорать и догорает в процессе расширения. Таким обра­зом на участке сz'z тепло выделяется в количестве Q<Q_н. Однако и это количество тепла Q не может быть полностью использовано в процессе сгорания, так как часть его поглощается стенками ци­линдра и теряется с продуктами сгорания. По указанным выше причинам из всего тепла Q_н, выделяемого на участке сгорания сz'z, только часть его, а именно Q_н', < Q_н полезно используется па увеличение внутренней энергии газа и на совершение внешней работы. Отношение

называется коэффициентом использования тепла при сгорании.

Значение коэффициента ? для судовых тихоходных двигателей составляет 0,85—0,90, а для быстроходных 0,66—0,85. Использо­ванное тепло 1 кг топлива Q_н' = ?Q_н. В начале сгорания (точка с в теоретическом цикле) в рабочем цилиндре будет находиться L кмолей свежего воздуха и М_r кмолей остаточных газов, которые образуют смесь с температурой Т_с ?К.

Внутренняя энергия, которой обладает данная смесь в точке с,

где с_?m' и с_?т" — средние мольные теплоемкости при постоянном объеме сжатого воздуха и продуктов сгорания (остаточных га­зов). В практических расчетах для упрощения можно считать, что смесь состоит из двухатомных газов, так как содержание в ней остаточных газов незначительно и теплоемкость смеси

Внутренняя энергия

В конце сгорания (точка z) в цилиндре будет находиться М₂ = М + М_r кмолей продуктов сгорания с температурой Т₂? К.

Внутренняя энергия газов в точке z

где с_{? m см} — средняя мольная теплоемкость смеси «чистых» про­дуктов сгорания и избыточного воздуха.

В зависимости от принятого коэффициента избытка воздуха

Средняя мольная теплоемкость «чистых» продуктов сгорания

с_?m = 20,4+ 0,0036T­_c.

На участке сгорания z'z некоторое количество тепла идет на совершение внешней механической работы L_z'_z, совершаемой га­зом при расширении от V'_z до V_z и постоянном давлении р_z.

Заменим V_z’=V_с; р_z = ?р_с, где ? = p_z / p_c -  степень повышения давления при сгорании (принимается для тихоходных дизелей равной 1,3—2,0 и для быстроходных 1,5—2,5). Тогда

Из уравнений состояния газа в точках с и z имеем

На оснований первого закона термодинамики уравнение тепло­вого баланса процесса сгорания имеет вид

Решая уравнения (142) относительно Т_z, определяют темпера­туру газа в конце сгорания. По опытным данным, для тихоходных двигателей Т_z= 1700?2000° К и для быстроходных Т_z = 2000?2200° К. Давление газа в конце сгорания находится из выраже­ния р_z = ?p_c. По опытным данным, р_z= 4,5?6 Мн/м² для тихоход­ных и p_z = 6,0?11 Мн/м² для быстроходных двигателей.

При определении объема газа V_z в конце сгорания пользуются уравнениями состояния газа для точек с и z: р_сV_с = 8314 М₁Т_С и р_zV_z = 8314 М₂T_z. Разделив первое выражение на второе, получим

В газожидкостных ДВС обычно осуществляется смешанный термодинамический цикл. При этом величину ? к выбирают в пре­делах 1,5—2,0. Значение р_z для тихоходных двигателей составляет около 6,5 Мн/м², а для быстроходных около 7,5 Мн/м². Коэффи­циент ?_z можно принимать в пределах 0,8—0,85. Температура в конце сгорания Т_z = 2000?2250° К. Степень предварительного рас­ширения ? = 1,4?1,5. Коэффициент избытка воздуха в конце сго­рания ?₂ составляет 1,3—1,8.

Процесс расширения. Процесс расширения (zе) в теоретиче­ском цикле начинается в момент окончания процесса сгорания (точка z на рис. 204) и продолжается при движении поршня вниз.

Оканчивается расширение у четырехтактных двигателей в и. м. т., а у двухтактных — в момент от­крытия выпускных окон. Пара­метры газа в начале расширения (точка z) V_z, Т_z, р_z, а в конце (точка е) V_е, Т_е, р_е. Процесс рас­ширения протекает с теплооб­меном.

В начале расширения газ по­догревается за счет тепла дого­рающего топлива. На всем про­тяжении хода расширения газ отдает тепло более холодным стенкам цилиндра. Поэтому про­цесс расширения протекает политропно с непрерывно меняю­щимся показателем политропы n₂ в пределах от 1,1 до 1,5. В рас­четах n₂ принимают некоторым средним и постоянным на всем протяжении хода расширения. Выбор значения n₂ производят по опытным данным.

Для судовых тихоходных дизелей n₂ =1,28 ? 1,32, быстроходных п₂= 1,20 ?1,24 и газожидкостных n₂= 1,2 ? 1,28.

Параметры газа в конце расширения находят из соотношений в политропном процессе zе:

По опытным данным, для судовых двигателей параметры газа в конце расширения следующие: для тихоходных р_е=0,25 ? 0,35 Мн/м², T_е=900 ? 1100° К и для быстроходных р_е=0,3 ? 0,5 Мн/м² и Т_е= 1000 ? 1200° К.

Процесс выпуска. В процессе выпуска производится удаление из цилиндра отработавших газов и завершается рабочий цикл. В двухтактных двигателях выпуск газов начинается в момент от­крытия выпускных окон (или выпускного клапана в дизелях с прямоточно-клапанной продувкой), а в четырехтактных — в мо­мент начала движения поршня с н. м. т. вверх. В период выпуска газы преодолевают вредные сопротивления со стороны выпускного клапана, в трубопроводе и глушителе. Поэтому давление в ци­линдре р_r в процессе еr (см. рис. 200) выше атмосферного, причем оно не остается постоянным, но в расчетах его принимают некоторым средним, постоянным.

По практическим данным, можно принимать р_r=0,105 ? 0,125 Мн/м² (меньшие значения относятся к тихоходным двигателям, а большие — к быстроходным).