Действительный цикл двигателя состоит из ряда последовательных процессов, которые взаимосвязаны и зачастую перекрывают друг друга. В них происходит изменение количества и состава рабочего тела, а также теплообмен между рабочим телом и деталями, формирующими камеру сгорания.
Газообмен- совокупность процессов выпуска и впуска, обеспечивающих смену рабочего тела.
Качество очистки цилиндра от отработавших газов и эффективность наполнения его свежим зарядом определяют показатели рабочего процесса двигателя. В действительном цикле начало и конец процессов газообмена (впуска и выпуска) не соответствуют началу и концу тактов впуска и выпуска.
Процессы газообмена взаимосвязаны друг с другом и оказывают существенное влияние на другие процессы, происходящие в действительном цикле. Например, создание направленного движения заряда в цилиндре путем профилирования и расположения впускных каналов в головке цилиндров способствуют улучшению смесеобразования и сгорания.
Для повышения эффективности газообмена необходимо обеспечить возможно большую пропускную способность проходных сечений клапанов f, см2, называемую «время—сечение ». Графически она представляет площадь под кривой текущей площади проходного сечения клапана между мертвыми точками в зависимости от времени.
Работа газообмена (насосные потери) в двигателях без наддува и при газотурбинном наддуве отрицательна. При применении приводного компрессора работа газообмена положительна, однако возрастают затраты его на привод.
Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта расширения за 40...70° поворота коленчатого вала (ПКВ) до прихода поршня в НМТ (точка b' на рис. 1.2). При этом давление в цилиндре двигателя без наддува составляет 0,4...0,6 МПа. Выпуск отработавших газов вначале происходит со скоростью истечения газов через клапанную щель 500...700 м/с. В НМТ завершается период свободного выпуска, в течение которого из цилиндра удаляется 50...70 % отработавших газов.
При движении поршня от НМТ к ВМТ выпуск отработавших газов происходит вытеснением поршнем — принудительный выпуск.
В начале выпуска из-за резкого изменения давления образуется волна давления в системе выпуска, которая распространяется в сторону открытого конца трубопровода. Здесь она отражается, теряя часть энергии, и затем в виде волны разрежения перемещается в обратном направлении к выпускному клапану и снова отражается, и т.д.
Момент начала выпуска (открытия выпускного клапана) выбирают исходя из компромисса между необходимостью обеспечения хорошей очистки цилиндра при минимальной затрате работы на принудительный выпуск (желательно открывать раньше) и уменьшения потерь полезной работы газов в период предварения выпуска (желательно открывать позже).
Газообмен в период перекрытия (одновременного открытия) клапанов в области ВМТ имеет свои особенности. В двигателях без наддува для лучшей организации газообмена впускной клапан открывается за 10... 30° ПКВ до прихода поршня в ВМТ, а выпускной клапан закрывается после прохождения поршнем ВМТ через 10...50° ПКВ. В двигателе с наддувом эти углы увеличивают. Желательно, чтобы в этот период рк > р > рр. Тогда через впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной удаляются отработавшие газы, т.е. происходит продувка цилиндра, позволяющая обеспечить хорошую очистку цилиндра от отработавших газов и увеличить поступление свежего заряда в процессе впуска.
В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя рк > рр. При газотурбинном наддуве давление на впуске рк может быть больше, равно или меньше давления на выпуске рр.
В двигателях без наддува обычно рк < рр. Однако при настройке впускной и выпускной систем путем согласования волновых явлений можно при перекрытии клапанов обеспечить рк > рр.
При р > рр часть свежего заряда может переместиться из цилиндра в выпускной трубопровод. К тому же при рр > рк отработавшие газы могут возвращаться в цилиндр, а смесь свежего заряда и отработавших газов — во впускной трубопровод, т.е. будет происходить обратное течение газов. Оно может возникать в двигателе с искровым зажиганием на режимах холостого хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта и при этом рр / рк > 2.
Процесс впуска свежего заряда начинается во время перекрытия клапанов. При отсутствии наддува свежий заряд поступает в цилиндр под действием разрежения при перемещении поршня к НМТ, а при наддуве он нагнетается в цилиндр компрессором.
После начала открытия впускного клапана (точка А), когда рк > р, начинается наполнение цилиндра свежим зарядом. Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя, определяется разностью между давлением окружающей среды или давлением после компрессора и давлением в цилиндре р, которая изменяется в процессе впуска.
После прохождения поршнем НМТ в ходе процесса сжатия при условии рк > р впуск свежего заряда будет продолжаться до момента рк = р (точка В). Эта фаза впуска называется дозарядкой. Она обусловлена действием сил инерции и волновыми явлениями в системе впуска. В итоге впускной клапан закрывают после прохождения поршнем НМТ через 35...85° ПКВ.
При малой частоте вращения инерция свежего заряда небольшая, а время, отводимое на процесс впуска, велико. Поэтому при р > рк происходит запаздывание закрытия впускного клапана и поршень вытесняет часть заряда из цилиндра обратно во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс.
В процессе впуска внутренние поверхности впускного трубопровода, канала в головке и камеры сгорания имеют температуру больше, чем свежий заряд и нагревают его. Поэтому масса свежего заряда уменьшается и наполнение цилиндра снижается.
Параметры процессов газообмена. В цилиндр двигателя поступает свежий заряд, который после завершения газообмена, смешиваясь с отработавшими газами, оставшимися в цилиндре после закрытия впускных и выпускных клапанов, образует рабочую смесь.
Условно будем считать, что свежий заряд поступает в цилиндр и заполняет рабочий объем Vh, а остаточные газы — объем камеры сгорания Vc.
Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания характеризует коэффициент остаточных газов γ — отношение количества молей остаточных газов Мr к количеству молей свежего заряда М1ц, заполнившего цилиндр после завершения процесса впуска: γ = Мr / М1ц.
Так как Vc = Vh /(ε - 1), то с увеличением ε уменьшается γ. Поэтому у дизелей γ значительно меньше, чем у двигателей с искровым зажиганием. В двухтактных двигателях γ выше из-за ухудшения процессов продувки и наполнения.
Качество процесса наполнения цилиндра свежим зарядом характеризует коэффициент наполнения ηV — отношение действительного количества свежего заряда М1ц, заполнившего цилиндр после завершения газообмена, к тому количеству свежего заряда МТ, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем цилиндра Vh при атмосферных условиях р0, Т0 (в четырехтактных двигателях без наддува) или при рК, ТК (в четырехтактных двигателях с наддувом и двухтактных двигателях): ηV = М1ц /МТ
Для бензинового двигателя при определении ηV учитывают только воздух. Влияние топлива, содержащегося в смеси, на ηV не существенно.