Фактический рабочий процесс двигателя

Рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что поступившая в рабочий цилиндр топливо-воздушная смесь сгорает выделяя при этом тепло, часть которого преобразуется в механическую работу. Эта работа вращает коленвал двигателя и используется далее для передвижения автомобиля и привода его рабочих органов.

Рабочий процесс реального двигателя в значительной степени отличается от идеального двигателя благодаря следующим причинам:

• в цилиндре находится не только чистый заряд топливовоздушной смеси, но и отработавшие газы от предыдущего рабочего цикла;
• смесь сгорает не полностью;
• сгорание обеспечивается только при постоянном давлении или только при постоянном объеме;
• происходит теплообмен между газами и поверхностью камеры сгорания;
• при впуске и выпуске возникают гидравлические потери;
• часть газов проникает из камеры сгорания в картер двигателя через недостаточно герметичные поршневые кольца;
• существуют потери на трение в кривошипно-шатунном механизме.

Изменение давления во время фактического рабочего процесса в двигателе обычно показывается с помощью так называемой индикаторной диаграммы, которая графически изображает зависимость давления в цилиндре двигателя от величины перемещения поршня или изменения объема, занимаемого газами. С помощью индикаторной диаграммы можно определить отклонения от рабочего процесса всего двигателя.

Рис. Индикаторная диаграмма четырехтактного бензинового двигателя и диаграмма подвода теплоты при постоянном объеме

На рисунке представлена индикаторная диаграмма вместе с диаграммой подвода теплоты при постоянном объеме. Изменения в давлении или объеме, обозначенные красной цифрой 1, способствуют газообмену, т.е. подаче свежей смеси в камеру сгорания и выпуску из цилиндра отработавших газов. Изображение на диаграмме p-V называется циклом смены заряда смеси. При впуске и выпуске гидравлические потери и потери теплоты через стенки ведут к сильному отклонению от идеального циклического процесса.

В особенности это характерно для обычных безнаддувных бензиновых двигателей, так как нагрузка на двигатель меняется в зависимости от массы свежего заряда смеси (регулирование количества рабочей смеси). Для изменения количества смеси в системе впуска используется дроссельная заслонка. В закрытом положении она снижает давление в системе впуска, меняя, соответственно, плотность свежего заряда смеси, вследствие чего при данном рабочем объеме количество рабочей смеси в камере сгорания снижается. С дросселированием связано повышение эффективности при смене заряда, характеризуемое увеличением замкнутой площади на диаграмме в координатах p-V, так как давление в цилиндре во время впуска продолжает понижаться.

Поскольку в дизельном двигателе нагрузка регулируется с помощью изменения подачи количества топлива в сжатый воздух в цилиндре (регулирование качества рабочей смеси), дроссельная заслонка в этом случае не нужна, а потери на входе здесь значительно меньше.

Рис. Цикл смены заряда топливо-воздушной смеси в четырехтактном бензиновом двигателе с управлением нагрузкой с помощью дроссельной заслонки

На рисунке детально представлен цикл смены заряда топливовоздушной смеси. Кроме того, указаны моменты открытия и закрытия впускного и выпускного клапанов.

Согласно уравнению для расчета работы по изменению объема:

представленная на рисунке площадь замкнутого участка, ограниченного кривыми, представляет собой работу, выполненную для смены заряда рабочей смеси. Можно увидеть, что повышение давления во время впуска свежего заряда приводит к снижению величины работы по смене заряда. Это возможно только тогда, когда количество свежего заряда управляется не посредством плотности или дросселирования, а закрытием впускного клапана только при наличии достаточной массы свежей смеси в цилиндре. Для этого необходима возможность регулировать момент закрытия впускного клапана, то есть менять фазы газораспределения. В этом случае речь идет об управлении нагрузкой без дросселя. При этом дозирование свежего заряда смеси происходит непосредственно на клапане, соответственно, характеристики хода впускного клапана должны зависеть от нагрузки, то есть быть бесступенчатыми и изменяющимися.

Рис. Цикл смены заряда топливовоздушной смеси в четырехтактном бензиновом двигателе с управлением нагрузкой без дроссельной заслонки

На рисунке представлен полученный цикл смены заряда смеси для раннего закрытия впускного клапана, что, например, необходимо при частичной нагрузке. Можно увидеть, что площадь замкнутого участка, ограниченного кривыми, в цикле смены заряда, то есть совершенная работа при смене заряда, становится меньше.

К другой возможности управления нагрузкой без дросселя в бензиновом двигателе относится переход к управлению качеством смеси с помощью непосредственного впрыска топлива. В этом случае добавляются термодинамические преимущества непосредственного впрыска топлива в циклическом процессе и снижение отношения потерь при смене заряда к экономии топлива более, чем на 20% в некоторых рабочих областях по сравнению с традиционным карбюраторным бензиновым двигателем.