Для понимания протекающих процессов обратимся сначала к индикаторной диаграмме газообмена четырехтактного двига­теля без наддува, изображенной на рис. 3.5.

Выпускной клапан открывается (Вып. о.), прежде чем пор­шень достигает нижней (наружной) мертвой точки, давление в цилиндре быстро падает. Во время выпуска давление из-за газодинамического сопротивления в выпускном клапане остается несколько выше, чем давление в выпускном трубопроводе. У дви­гателя без наддува перекрытие клапанов невелико, т. е. впуск­ной клапан открывается (Вп. о.), а выпускной — закрывается (Вып. з.) вблизи от верхней (внутренней) мертвой точки. Вслед­ствие уменьшения сечения выпускного клапана давление в ци­линдре в конце хода выталкивания повышается.

Поршень в конце хода выталкивания сжимает в цилиндре остаточные газы, последние расширяются в процессе хода впуска и занимают по достижении внешнего давления р₀ объем V_R. При ходе впуска линия изменения давления в цилиндре остается из-за сопротивления дросселирования ниже давления р₀. Однако давление в цилиндре в конце хода впуска возрастает прибли­зительно до р₀ (малая скорость поршня, динамическая дозарядка воздушного столба), впускной клапан закрывается лишь после н. м. т., так как иначе потери при дросселировании в конце про­цесса впуска были бы слишком велики.

Объем, определяемый точками пересечения линий впуска и сжатия с линией атмосферного давления или линией давления р₂

или р_вп у двигателей с наддувом, называют объемом наполне­ния V_н. Величиной объема V_н учитываются как потери рабочего объема за счет наличия остаточных газов, так и сопротивление дросселирования при впуске, но не учитывается нагревание при впуске.

Объемный коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения определяется объемным коэффи­циентом наполнения и повышением температуры заряда в про­цессе впуска.

Коэффициент наполнения

В уравнении (3.20) приняты следующие обозначения: Т_вп — тем­пература воздуха на впуске в цилиндр; Т_1ц — температура воз­духа в цилиндре в конце хода всасывания.

Чем выше температура наддувочного воздуха, тем меньше подогрев заряда при впуске, так как разность температур по от­ношению к горячим впускным каналам и стенкам цилиндра бу­дет меньше. Вследствие этого коэффициент наполнения при по­вышении температуры возрастает, как это представлено сле­дующей эмпирической формулой:

где Т_{вп 0} — температура на впуске при исходном состоянии; Т_вп — температура на впуске при измененной температуре;

?_н0 — коэффициент наполнения (безразлично, отнесенный ли к внешнему состоянию или к состоянию на впуске) при исходном состоянии; ?_н — коэффициент наполнения при измененной тем­пературе на впуске.

Коэффициент наполнения зависит от очень многих факторов (геометрия системы впуска, средняя скорость поршня, степень сжатия, температура стенок и др.). Его величина лежит обычно в пределах 0,7—0,9, однако у двигателей с наддувом и продувкой может превышать единицу.

Повышение температуры Т_1ц — Т_вп складывается из изме­нения температуры вследствие теплопередачи от стенок впуск­ного канала и цилиндра и изменения температуры вследствие завихрения. При определении количества свежего заряда указанным выше способом необходимо учитывать остаточные газы только по их объему при давлении р_вп, так как для определения объема заряда в конце хода впуска безразлично, рассматриваются ли объемы остаточного газа и свежего заряда раздельно или сов­местно.

Изменение давления в цилиндре во время газообмена четырех­тактного двигателя с наддувом схематически показано на рис. 3.6.

Если имеется положительный перепад давления между p₂ и р₃, то V_н будет и при обычном малом перекрытии клапанов больше, чем V_h; при сжатии до давления р₂, объем, занимаемый остаточными газами, уменьшился бы до величины, меньшей чем V_с. Если применяется большее перекрытие клапанов, то дости­гается хорошая очистка цилиндра от остаточных газов.

Из представленной на рис. 3.7 индикаторной диаграммы видно, что давление в цилиндре при положении поршня в и. м. т. в на­чале такта сжатия практически достигает величины давления наддува р₂ или р_вп.

В случае, если имеется определенное дросселирование на впуске, подбором фаз газораспределения все же добиваются того, что давления р_вп и р_1ц лишь немного отличаются друг от друга.

Предполагая, что остаточные газы полностью удалены из цилиндра (за счет большего перекрытия клапанов и большего продувочного перепада), можно написать:

Температура заряда цилиндра при положении поршня в н. м. т. может быть определена с помощью следующего эмпи­рического уравнения:

которое, правда, только в общем учитывает имеющее место уменьшение нагрева воздуха при высоких температурах посту­пающего воздуха. t_вп следует подставлять в °С

С помощью этого эмпирического уравнения мы можем в слу­чае четырехтактных двигателей с наддувом и продувкой изба­виться от несколько неопределенного коэффициента наполнения, содержащегося в уравнении (3.14):

Если принятое выше допущение о полном удалении остаточ­ных газов из цилиндра отпадает, то взаимосвязи становятся зна­чительно сложнее.

Для расчета температуры заряда цилиндра, включающего свежий заряд плюс остаточные газы, при положении поршня в н. м. т. для четырехтактных дизелей Цапф предложил следующие формулы, выведенные на основе расчета газооб­мена:

для двигателей без наддува, имеющих небольшое перекрытие клапанов

В уравнениях (3.26) и (3.27) приняты следующие обозначе­ния: t_вп — температура свежего воздуха на впуске двигателя, °С, с_m— средняя скорость поршня, м/с; t_cт — средняя температура поверхности внутренних стенок цилиндра (днище поршня, крышка и втулка цилиндра), °С; ? — коэффициент избытка воздуха; ?_пер — перекрытие клапанов, п. к. в.; р₂ ? р_вп — дав­ление наддува перед двигателем, кгс/см²; р₃ — противодавление выпускного газа, кгс/см².

Ограничения касаются только угла перекрытия клапанов и степени сжатия. Уравнения (3.26) и (3.27) справедливы при 11 < ? < 22, уравнение (3.27) — при ?_пер ? 110° п. к. в.

Границы влияния увеличения перекрытия клапанов и сте­пени сжатия в обоих случаях объясняются тем, что доля оста­точных газов при этом из-за продувки мертвого пространства уменьшается, но это не оказывает заметного влияния на темпе­ратуру заряда при положении поршня в н. м. т.

В тех случаях, когда ? > 22 и ?_пер > 110° п. к. в., для ? и ?_пер в уравнениях (3.26) и (3.27) следует подставлять просто указанные граничные значения.