В работе проведен анализ экологических требований, предъявляемых к тепловозным дизелям (Euro), приведен обзор существующих моделей рабочих процессов в цилиндрах тепловозных дизелей, проведена сравнительная характеристика и проанализирована возможность разработки многозонной модели, которая бы обеспечивала приемлемую для инженерных расчетов точность, адекватно описывала процессы при изменении параметров двигателя и требовала минимальное количество экспериментальных данных для интерпретации модели.
Проведенный анализ моделей образования и окисления сажевых частиц показывает, что ввиду существенной неоднородности топливовоздушной смеси в цилиндре необходима разработка такой многозонной модели, которая бы обеспечивала приемлемую для инженерных расходов точность, адекватно описывала процессы при изменении параметров двигателя и требовала минимальное количество экспериментальных данных для интерпретации модели.
Общая математическая модель процессов в дизеле представляется совокупностью моделей отдельных процессов и их взаимодействий. Процессы в рабочем цилиндре дизеля описываются квазистатической системой, одним из составляющих уравнений которой является уравнение первого закона термодинамики:
dQ=dU + dL (1)
Изменение количества теплоты, подводимой к рабочему телу
. (2)
Для определения изменения внутренней энергии рабочего тела в цилиндре дизеля dU условимся рассматривать смесь газов в цилиндре как состоящую из двух компонентов: воздуха и «чистых» (в дальнейшем термин употребляется без кавычек) продуктов сгорания. Тогда внутренняя энергия рабочего тела
, (3)
где 
и 
- массы воздуха и чистых продуктов сгорания;
и 
- удельные внутренние энергии воздуха и чистых продуктов сгорания.
Из выражения (3) следует, что
, (4)
Для идеального газа можно считать, что удельная внутренняя энергия 
определяется только температурой T,
. (5)
После подстановки уравнений (2), (5), в уравнение (1), учитывая то, что последнее слагаемое уравнения (1) 
- работа, совершаемая рабочим телом в цилиндре, состоит из работы перемещения поршня и работы перемещения газов через органы газораспределения, получим уравнение, разделив все члены которого на 
, и учитывая, что энтальпия газов 
, получаем уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной форме для рабочего процесса в цилиндре:
. (6)
В левой части уравнения (6) записана суммарная скорость изменения внутренней энергии рабочего тела в цилиндре за счёт изменения температуры и количества воздуха и чистых продуктов сгорания. В правой части записана сумма скоростей подвода (отвода) теплоты за счёт сгорания топлива, теплообмена со стенками цилиндра, работы перемещения поршня, притока энтальпии и убыли её при газообмене.
Уравнение (6) является общим для рабочего процесса в цилиндре. Для расчёта рабочего процесса уравнение решается совместно с уравнениями массового баланса. К системе уравнений также добавляется уравнение состояния. Полученные уравнения описывают рабочий процесс с учётом обратных течений (забросов) газов из выпускного коллектора в цилиндр и из цилиндра в ресивер продувочного воздуха. Уравнения не устанавливают явную зависимость между давлением, температурой газов и углом поворота кривошипа. Однако они позволяют, задавшись шагом изменения угла поворота кривошипа и решая уравнения совместно на каждом шаге, определить изменение параметров рабочего процесса в течение цикла.
Для решения уравнений рабочего процесса применительно к конкретному дизелю необходимо задать размеры цилиндра; сечения, коэффициенты расхода и фазы открытия органов газораспределения; угловую скорость вращения вала; цикловую подачу топлива и три условия: закон сгорания топлива в зависимости от угла поворота кривошипа f(φ), коэффициент теплоотдачи от газов к стенке цилиндра и условия на входе и выходе из цилиндра, и провести расчет для каждой зоны с учетом коэффициента избытка воздуха.
Развитие математического моделирования, использующего для идентификации экспериментальные данные, и автоматизированной обработки результатов натурных испытаний ДВС, в перспективе должно привести к созданию программно-аппаратурных комплексов, в которых моделирование процессов и их экспериментальное исследование являются органическими составляющими единой автоматизированной процедуры совершенствования рабочего процесса ДВС.
Работа выполнена при поддержке программы «Михаил Ломоносов II»