4. Процесс сжатия в цилиндре поршневого двигателя

Процесс сжатия в ДВС предназначен для создания условий воспламенения и сгорания горючей смеси. В зависимости от принципа смесеобразования и воспламенения заряда требования, которые предъявляются к процессу сжатия, различны.

В ДВС с искровым зажиганием в цилиндре обычно сжимается однородная смесь воздуха и топлива, что облегчает воспламенение и ускоряет распространения пламени. Для улучшения показателей работы этих ДВС целесообразно увеличивать ε, однако это приводит к увеличению температуры Т_с в конце сжатия, что может привести к преждевременной вспышке смеси или появлению детонационного сгорания. Поэтому степень сжатия ε в ДВС с искровым зажиганием ограничивают, исходя из свойств топлива, состава горючей смеси, конструкции камеры сгорания и др.

В дизелях топливо впрыскивается в нагретый до высокой температуры воздух, поэтому для работы дизеля необходимо, чтобы температура в конце сжатия бала бы достаточна для воспламенения впрыснутого топлива.

Тем не менее, в дизелях степень сжатия также ограничивают, поскольку ее чрезмерное увеличение увеличивает давление в конце сжатия и, соответственно, максимальное давление сгорания р_z. Это приводит к увеличению нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма и к необходимости упрочнения и утяжеления его деталей. Кроме того, при увеличении ε увеличиваются потери на трение, что особенно отражается в ДВС с наддувом, в которых ε снижают (по сравнению с ДВС без наддува) до значений, обеспечивающих надежное воспламенение заряда. Использование высоких ε в дизелях, таким образом, не целесообразно, за исключением случаев, когда ДВС работает на топливах с низкой воспламеняемостью (различные растительные масла, биогаз и др. альтернативные топлива).

4.1. Определение параметров рабочего тела в конце сжатия

В разные периоды процесса сжатия направление теплового потока к рабочему телу и от него различно (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Изменение показателя политропы n₁ при сжатии:

───── - реальный процесс сжатия;

─ ∙ ─ ∙ ─ – адиабатный процесс n₁ = k;

─ ─ ─ ─ – политропный процесс n₁ = n

В начале сжатия температура рабочего тела ниже температуры стенок цилиндра, его головки, поршня и др. деталей, поэтому в первой части хода сжатия рабочее тело нагревается и затрата внешней работы сопровождается получением теплоты от внешней среды, и, следовательно показатель политропы сжатия будет больше адиабаты (n₁ > k). В определенный момент сжатия средние температуры рабочего тела и внутренних поверхностей стенок цилиндра выравниваются, теплообмен прекращается, и процесс сжатия становится адиабатным (n₁ = k). При дальнейшем сжатии заряда начинается теплоотдача от заряда к стенкам и деталям цилиндропоршневой группы, и показатель адиабаты становится больше показателя политропы сжатия (n₁ < k).

Отдача теплоты определяется следующими факторами:

- изменением контактных поверхностей, поскольку объем сжатия уменьшается с приближением поршня к В.М.Т;

- изменением состояния заряда;

- изменением теплоемкости заряда цилиндра, поскольку теплоемкость зависит от температуры.

Таким образом, сжатие рабочего тела в действительном (реальном) цикле является процессом с переменными показателями. Тем не менее, теплообмен в период сжатия незначителен и в большинстве случаев близок к адиабатному процессу.

Основными факторами, влияющими на показатель политропы n₁, являются.

1. Интенсивность охлаждения цилиндра (в ДВС с жидкостным охлаждением значения n₁ будут меньше по сравнению с ДВС с воздушным охлаждением).

2. Размеры цилиндра (в малоразмерных ДВС и, особенно, с разделенными камерами сгорания поверхность охлаждения больше и показатель n₁ будет меньше, чем в крупноразмерных ДВС).

3. Утечки газа через поршневые кольца, клапаны и т.д. снижают показатель n₁.

4. Частота вращения вала (скорость поршня) влияет на количество теплоты переданное заряду и отведенное от заряда, поэтому при увеличении частоты вращения показатель политропы n₁ увеличивается.

5. Повышение плотности заряда ρ_к (наддув) приводит к уменьшению удельной поверхности охлаждения и увеличивает показатель n₁.

Средний показатель n₁ можно определить по методу Е.К. Мазинга, который характеризуется составлением баланса теплоты в процессе сжатия согласно уравнению:

Q_ac = U_c – U_a + L_ac, (4.1)

где Q_ac – теплота, отданная заряду от стенок на участке а – с цикла; U_c и U_a внутренняя энергия рабочего тела (заряда) в точках «а» и «с», соответственно; - работа политропного сжатия на участке а – с термодинамического цикла.

Поскольку за 1 цикл количество сжимаемого рабочего тела составляет М_1ц кмоль свежего заряда и М_r кмоль остаточных газов, тогда уравнение (4.1) можно представить в следующем виде:

,

где u_с.з и u_п.с - внутренняя энергия 1 кмоля свежего заряда и остаточных газов, соответственно; χ – коэффициент использования теплоты.

Деля последнее уравнение на М_1ц∙g_Тц и проведя преобразования, получим:

. (4.2)

В частном случае, когда свежий заряд состоит только из воздуха (к этому случаю можно отнести ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива, например дизель) и α > 1,0, при использовании значений внутренней энергии 1 кмоль продуктов сгорания топлива среднего состава при α = 1,0 (см. табл. 1.2), выражение (4.2) можно привести к виду:

, (4.3)

где u_с.з – внутренняя энергия 1 кмоль свежего заряда при соответствующей температуре точки цикла (указана в индексе), а u_о - внутренняя энергия 1 кмоль продуктов сгорания при α = 1,0 и соответствующей температуре точки цикла (указана в индексе).

Количество теплоты подведенной к свежему заряду q₁ и к продуктам сгорания q₂ в процессе сжатия определяют по формулам:

; (4.4)

, (4.5)

где величины r_α и r_o получают по формулам (1.41) и (1.42).

В уравнении (4.3) установлена связь между показателем политропы n₁ и температурой Т_с.

Другой связью между этими показателями служит уравнение:

. (4.6)

Уравнения (4.3) при и (4.6) составляют систему:

, (4.7)

Систему (4.7) решают, определяя n₁ и Т_с методом последовательных приближений, принимая во внимание, что, согласно формуле (1.44) внутренняя энергия , поэтому , , и .

Среднюю молярную теплоемкость свежего заряда (воздуха) определяют по формуле (1.37) и табл. 1.2 для соответствующей температуры Т_c.

Теплоемкость продуктов сгорания (при α > 1) для бинарной газовой смеси (дизель) определяют по формулам (1.41), (1.42) и (1.43), используя данные табл. 1.2, в виде:

, (4.8)

где - объемная доля продуктов сгорания при α = 1,0 в общем количестве продуктов сгорания при α > 1,0 а r_α = .

По аналогии можно вычислить n₁ и Т_с для ДВС, работающем при α < 1,0, по формулам (1.30), (1.32) и (1.30) в соответствии со значениями в табл. 1.2.

После получения Т_с и показателя политропы n₁ определяют р_с рабочего тела в конце сжатия по уравнениям:

. (4.9)

Примерные значения параметров рабочего тела в конце сжатия при работе двигателя на номинальном режиме показаны в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Расчетные значения параметров

ДВС	n1	рc, МПа	Тс, К
ДВС с искровым зажиганием: - жидкостное охлаждение; - воздушное охлаждение	1,36 - 1,39 1,39 - 1,42	1,5 - 3,5 2,0 - 2,2	550 - 750 600 – 800
Газовые ДВС	1,37 - 1,39	1,2 - 2,0	650 – 750
Дизели: - без наддува; - с наддувом	1,35 - 1,42 1,32 - 1,37	3,0 – 5,0 5,5 – 9,9 и более	800 – 950 700 – 1100

При снижении частоты вращения коленчатого вала меньше номинальной показатель политропы n₁ будет уменьшаться.