Такт и процесс сжатия
Назначение такта и процесса сжатия состоит в том, чтобы в ходе сжатия рабочей смеси в цилиндре повысить ее температуру и давление и, тем самым, подготовить для более быстрого и полного сгорания. В такте сжатия поршень движется от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия начинается в тот момент, когда закрывается впускной клапан (точка «а» на индикаторной диаграмме). При этом выпускной клапан также закрыт. В процессе сжатия объем газа в цилиндре уменьшается, а давление и температура – растут (рис. 4.).
Температура и давление в конце такта и процесса сжатия (точка «с» на индикаторной диаграмме) в основном зависят от степени сжатия εа: чем больше степень сжатия, тем больше температура и давление в конце сжатия. Эта зависимость приведена на рис. 5.
Рис. 4. Линии процессов впуска (u – r0 – a0 – a) и сжатия (а – с)
Рис. 5.
Рис. 6. Влияние величины степени сжатия εа на давление и температуру смеси в конце процесса сжатия [9]
На температуру и давление смеси в процессе сжатия оказывает влияние теплообмен между газообразной смесью и стенками цилиндра и днищем поршня. В начале процесса сжатия абсолютная температура смеси составляет приблизительно 340…360 К. При этом температура стенок цилиндра находится в диапазоне 350…380 К (80…110 ºС), а температура поршня – 470…500 К (200…230 ºС). Поэтому в начале процесса сжатия из-за разности температур теплота будет переходить от цилиндра и поршня к газообразной смеси, что вызовет дополнительное повышение ее давления.
В конце процесса сжатия наступит обратное явление, так как абсолютная температура смеси составит 620…700 К (350…430 ºС), т.е. станет выше температуры цилиндра и поршня, поэтому газообразная смесь будет отдавать теплоту стенкам цилиндра и днищу поршня. Этот отвод теплоты вызывает некоторое падение давления и температуры смеси. Чем интенсивнее протекает теплообмен между горючей смесью и цилиндром с поршнем, тем меньше будут ее температура и давление в конце процесса сжатия. У авиационных поршневых двигателей давление в точке «с» pс достигает 9…12 кг/см2, а абсолютная температура Тс – 700 К (400 ºС). При неизменной степени сжатия на величину температуры и давления смеси в конце процесса сжатия оказывает влияние величина температуры и давления в конце процесса впуска: чем больше pа и Та, тем больше pс и Тс.
Увеличение степени сжатия двигателя εа дает при всех прочих равных условиях следующие преимущества:
1) увеличение мощности двигателя;
2
)
повышение экономичности двигателя
(снижении е удельного расхода топлива
– рис. 7.).
Рис. 7. Влияние степени сжатия εа на удельный расход топлива
Увеличение мощности двигателя происходит потому, что ростом степени сжатия повышаются температура и давление смеси в конце процесса сжатия, что улучшает сгорание смеси и увеличивает давление продуктов сгорания. Все это увеличивает механическую работу в процессе расширения рабочего тела в такте рабочего хода. Однако в авиационных поршневых двигателях легкого топлива повышение степени сжатия ограничено значениями εа = 7…8. Это объясняется тем, что при больших значениях степени сжатия появляется детонация горючей смеси (переход от нормального горения смеси со скоростью распространения фронта пламени, составляющей 20…30 м/с, к взрывообразному горению со скоростями 2000…2500 м/с), которая не только уменьшает мощность и экономичность двигателя, но и может вызвать разрушение его деталей.
Работа такта сжатия графически выражается площадью, расположенной под линией сжатия на индикаторной диаграмме (рис. 8., рис. 9.).
Рис. 8. Работа такта сжатия
Эта работа является отрицательной, так как сила, обусловленная действием давления в цилиндре на поршень, направлена в этом такте против движения поршня. Энергия, необходимая для выполнения этой работы берется из кинетической энергии маховика двигателя. Величина отрицательной работы сжатия тем больше, чем выше уровень кривой сжатия. На рис. 9. Представлен график тактов впуска и сжатия для двигателя, оснащенного нагнетателем.
Рис. 9. Такты впуска и сжатия при наддуве
Из сравнения графиков на рис. 8. и рис. 9. видно, что при наддуве достигается более высокое среднее и максимальное давление смеси в такте сжатия, однако в этом случае затрачивается и большая работа.