Главная › Новости

Процесс сжатия в двигателе внутреннего сгорания

Опубликовано: 27.08.2018

Характер теплообмена при сжатии

Сжатие свежего заряда в цилиндре дизеля — сложный политропный процесс, зависящий от многих факторов: параметров начального состояния заряда, температурного уровня цилиндра, конструкции двигателя, плотности поршневых колец и т.д. В начальный период сжатия, как правило, температура заряда более низкая, чем температура стенок рабочего цилиндра. Поэтому сжатие протекает с подводом тепла от стенок цилиндра к заряду. Этот участок линии сжатия на диаграмме P-V (см. рис. ниже) идет круче адиабаты, показатель политропы сжатия n больше показателя адиабаты: n1 > k.

Рис. 1 Схема процесса сжатия на диаграммах: a) P-V и б) T-S

По мере сжатия заряда его температура повышается, передача тепла от стенок уменьшается. Когда температура заряда станет равной температуре стенок (точка m на рис.), то теплообмен прекращается; в этот момент показатель политропы сжатия становится мгновенно равным показателю адиабаты: n1 = k.

При дальнейшем сжатии температура заряда будет больше температуры стенок цилиндра, вследствие чего наблюдается отвод тепла от заряда к стенкам. На этом участке линия сжатия идет положе адиабаты, а показатель политропы сжатия меньше показателя адиабаты: n1 < k.

По экспериментальным данным, у судовых дизелей показатель n1 меняется от 1,5 — у нижней мертвой точки до 1,1 — у верхней мертвой точки. Однако при расчетах рабочих процессов по методу Гриневецкого-Мазинга полагают, что процесс сжатия осуществляется на всем ходе поршня при постоянном показателе политропы сжатия: n1 = const. При этом обеспечивается та же работа на сжатие, что и при переменном значении показателя n1 в реальном цикле.

Факторы, влияющие на показатель политропы сжатия

Среднее значение показателя политропы сжатия n1 зависит от конструкции двигателя и режима его работы.

При одинаковой средней скорости движения поршня в двигателях с большими линейными размерами показатель n1 будет больше, так как у этих двигателей меньше относительная площадь соприкосновения единицы объема заряда со стенками цилиндра. Поэтому относительный отвод тепла в больших двигателях — меньше, что выражается в более высоком показателе n1.

У двигателей с разделенными камерами сгорания относительная площадь поверхности теплообмена больше, чем у двигателей с камерами неразделенными. Интенсивный теплообмен между зарядом и стенками цилиндра в период пуска приводит к снижению n1 и ухудшению пусковых качеств. При снижении n1 уменьшаются параметры конца сжатия Pс, Tс температура в цилиндре может не достичь уровня, требуемого для самовоспламенения топлива.

Поэтому в предкамерных и вихрекамерных двигателях обычно предусматриваются специальные устройства для пуска. В дальнейшем, после пуска двигателя, эти устройства отключаются, так как показатель n1 повышается за счет подвода тепла к заряду от раскаленной вставки внутри цилиндра.

Конструктивные мероприятия, направленные на снижение температуры цилиндро-поршневой группы — охлаждение поршней водой или маслом, уменьшение толщины стенок поршня, втулки, крышки, любые другие меры по интенсификации охлаждения — снижают величину среднего значения показателя n1, уменьшают параметры конца сжатия Pс и Tс. При этом снижается и термический КПД цикла. Однако основная цель упомянутых мероприятий — повышение надежности работы цилиндропоршневой группы.

С увеличением частоты вращения двигателя показатель n1 возрастает, так как уменьшается продолжительность теплообмена между зарядом и стенками цилиндра, процесс сжатия приближается к адиабатному. При снижении частоты вращения происходит обратное явление — показатель n1 уменьшается, снижаются давление Pс и температура Tс, что может привести к нарушению самовоспламенения топлива.

При снижении нагрузки двигателя (уменьшении среднего индикаторного давления Pi) снижается температурный уровень стенок цилиндра, что приводит к увеличению теплоотвода от заряда к стенкам и к снижению показателя n1.

В условиях эксплуатации с понижением частоты вращения главного двигателя, работающего на винт, уменьшается и нагрузка. Оба фактора одновременно воздействуют в сторону интенсификации теплообмена при сжатии, что уменьшает показатель n1 и снижает параметры конца сжатия Pс и Tс. Особенно неблагоприятны последствия этого явления при не прогретом двигателе, когда возможна работа лишь на повышенных минимальных оборотах коленчатого вала. При снижении частоты вращения двигатель «глохнет».

При нормальных эксплуатационных условиях протечки свежего заряда через неплотности цилиндропоршневой группы при сжатии незначительны. Их влиянием на показатель n1 и параметры Pс, Tс можно пренебречь. Изменение степени сжатия также незначительно влияет на среднее значение политропы сжатия.

Экспериментальные исследования показали, что средние значения показателя политропы сжатия у различных двигателей находятся в пределах:

n1 = 1,34 — 1,37 — у мапооборотных и среднеоборотных ДВС с охлаждаемыми поршнями;

n1 = 1,38 — 1,42 — у высокооборотных ДВС с неохлаждаемыми поршнями.

Наибольшие значения n1 имеют двигатели, в цилиндре которых размещены специалные аккумуляторы тепла (раскаленные вставки). В этих двигателях показатель n1 может доходить до 1,8.

Среднее значение показателя n1 может быть найдено по известным параметрам работающего дизеля, исходя из формулы политропного процесса:

Pa /Pc = (Vc /Va )n1

Откуда:

n1 = 1g (Pa /Pc )/1g (Vc /Va ) = 1g(Pc /Pa)/1g ε

Текущие значения n1 можно найти, имея индикаторную диаграмму, снятую с работающего цилиндра. Разбив диаграмму на отдельные участки и определив давления на их границах, для каждого участка находится n1i:

η 1 i   =   1 g ( P i + 1 / P i ) 1 g ( V i + 1 / V i )

Степень сжатия и ее влияние на параметры конца сжатия

Процесс сжатия в цилиндре дизеля начинается лишь после закрытия газораспределительных органов. В 4-тактном двигателе — после закрытия впускного клапана, в 2-тактном — после закрытия всех продувочных и выпускных органов.

В 4-тактном двигателе впускной клапан закрывается после прохождения поршнем НМТ. Однако влияние этого запаздывания закрытия клапана на параметры процесса сжатия в большинстве двигателей незначительно. Поэтому в расчетах рабочего процесса 4-тактных дизелей обычно пользуются номинальным значением степени сжатия, равным:

ε = Va /Vc = (Vs +Vc )/Vc

Va — объем цилиндра в момент начала сжатия;

Vs — рабочий объем цилиндра;

Vc — объем камеры сжатия.

В 2-тактных двигателях пользуются двумя понятиями: действительной степенью сжатия и степенью сжатия, отнесенной к полному ходу поршня. Действительная степень сжатия равна:

ε = Va /Vc = (Vc +Vs(1-ψs))/Vc

где Ψs — доля потерянного хода поршня от НМТ до момента закрытия выпускного (продувочного) тракта.

Степень сжатия, отнесенная к полному ходу поршня (иногда ее называют «условная степень сжатия» ), может быть выражена следующим образом:

εп = (Vc +Vs)/Vc = 1+[(Va -Vc)/(1-ψs)Vc]

Параметры конца сжатия определяются из выражений:

Pc = Pa εn1 = Pa ε (Tc /Ta)

Как видно, параметры Pс и Tс возрастают с повышением Pа, Та, и n1. Значения степени сжатия (для 2-тактных ДВС имеется в виду действительная величина) находятся в пределах:

ε = 10 — 13 — у малооборотных дизелей;

ε = 8,5 — 14,5 — у среднеоборотных дизелей;

ε = 15 — 19 — у высокооборотных дизелей.

Нижний предел степени сжатия выбирается из условия возможности запуска холодного двигателя. Как известно, средняя температура самовоспламенения топлива составляет примерно 280° С (553° К). Для номинального режима выбирается степень сжатия, обеспечивающая минимальную температуру конца сжатия Tс min = 700-800° К.

Дополнительный „запас“ температуры Tс в 150-250° К необходим с учетом того, что при пуске холодного двигателя температура стенок цилиндра низкая, показатель n1 уменьшается до 1,2 — 1,25, наблюдается повышенный пропуск заряда через поршневые кольца. В результате параметры Pс и Tс имеют более низкие значения по сравнению с номинальным режимом.

С понижением степени сжатия двигателя ухудшаются не только его пусковые качества, но и снижается термический КПД. Несмотря на это, при форсировании двигателей наддувом приходится снижать ε, чтобы обеспечить механическую прочность двигателя — снизить давление сжатия Pс и соответственно — максимальное давление в цилиндре Pz. Давление сжатия обычно находится в пределах:

Pс = 3.0 — 5.0 мПа — у двигателей без наддува;

Pс = 4.0 — 10.0 мПа — у двигателей с наддувом.

Более высокие значения ε у высокооборотных дизелей объясняется их меньшими линейными размерами и соответственно более интенсивным теплоотводом. Верхние значения ε относятся к двигателям с разделенными камерами сгорания, где относительная поверхность теплоотвода больше. Чрезмерное повышение ε, несмотря на некоторое повышение термического КПД, нецелесообразно, так как приводит к высоким Pz, увеличению потерь на трение в двигателе и к утяжелению конструкции для обеспечения механической прочности.