Процесс сжатия
В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышаются температура и давление рабочего тела, что обеспечивает надежное воспламенение и эффективное сгорание топлива.
Изменение давления в процессе сжатия показано на рис. 13.
Условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с переменным показателем n 1 , который в начальный период сжатия (участок ad) превышает показатель адиабаты к1 (идет подвод теплоты от более нагретых стенок цилиндра к рабочему телу), в какой-то момент времени точка d принимает значение, равное значению к1 (температуры стенок и рабочего тела выравнивались), а далее (участок dc) имеет меньшее значение, чем к1 (идет отвод теплоты от рабочего тела в стенки цилиндра).
В связи с трудностью определения переменной величины n 1 и усложнением расчетов обычно принимают, что процесс сжатия происходит по политропе с постоянным показателем n 1 (кривая аа" с'с).
Расчет
процесса сжатия сводится к определению
среднего показателя
политропы сжатия п1
параметров
конца сжатия (рс
и Тс)
и теплоемкости
рабочего тела в конце сжатия
(tc—
температура смеси в конце сжатия,
°С).
Величина n 1 устанавливается по опытным данным в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя, степени сжатия, размеров цилиндра, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов. Учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015 — 0,005с на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величину n 1 , можно оценить по среднему показателю адиабаты k1.
Рис 13.Изменения давления в процессе сжатия.
Значения показателей политропы сжатия n 1 в зависимости от k1 устанавливаются в следующих пределах:
Для бензиновых двигателей ……………. (k1-0,00) – (k1 – 0,04) Для дизелей …………. (k1 + 0,02) - (k1 - 0,02)
При одинаковых значениях ε и Та значение n 1 для бензиновых двигателей обычно ниже, чем для дизелей, так как в процессе сжатия топливовоздушной смеси происходит испарение топлива с поглощением теплоты. Кроме того, наличие паров топлива повышает теплоемкость смеси. Оба фактора снижают величину n 1 .
Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем n 1 :
В современных автомобильных и тракторных двигателях давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах:
Для двигателей с электронным впрыском ...... рс= 1,0 — 2,5 МПа. Для карбюраторных двигателей рс = 0,9 — 2,0 МПа и
Тс = 600 — 800 К Для быстроходных дизелей без наддува рс = 3,5 — 5,50 МПа и
ТС=700 — 900 К
Для дизелей с наддувом значения рс и Тс повышаются в зависимости от степени наддува.
Реакции окисления и продукты сгорания
Процесс сгорания — основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
Изменение давления в процессе сгорания топлива в двигателе с воспламенением от искры показано на рис. 15, а в дизеле — на рис. 16. Кривые c'fc"zд схематически показывают действительное изменение давления в цилиндрах двигателей в процессе сгорания. В реальных двигателях процесс сгорания, точнее — догорания топлива, продолжается и за точкой zд на линии расширения.
На характер протекания процесса сгорания оказывает влияние большое число различных факторов: параметры процессов впуска и сжатия, качество распиливания топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя и т. д. Зависимость параметров процесса сгорания от целого ряда факторов, а также физико-химическая сущность процесса сгорания моторных топлив пока что изучены недостаточно полно.
С целью упрощения термодинамических расчетов автомобильных и тракторных двигателей принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит при V=const, т. е. по изохоре (рис. 15, прямая cc"z), а в двигателях с воспламенением от сжатия — при V=const и р=const, т. е. по циклу со смешанным подводом теплоты (рис. 16, прямые сс" z'/ и z'z).
Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания (точки z и zд), а для дизеля — и объема Vz.
Температура газа Tz в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики, согласно которому
Рис. 15. Изменение давления в процессе сгорания
в двигателе с воспламенением от искры
Применительно к автомобильным и тракторным двигателям:
сгорание при α ≥ 1,
,
сгорание при α < 1,
—
потери теплоты вследствие теплоотдачи,
догорания топлива на линии расширения
и диссоциации,
Рис.16. Изменение давления в процессе сгорания в дизеле
кДж; Uz — внутренняя энергия газов в конце видимого сгорания, кДж; Uc — внутренняя энергия рабочей смеси в конце сжатия, кДж; Lcz — теплота, идущая на работу расширении газов от точки с до точки z (для двигателей с воспламенением от искры Lcz = 0),кДж.
Тепловой баланс на участках cz можно записать в более краткой форме:
,
где
.
Коэффициент
выражает
долю низшей теплоты сгорания топлива,
используемую на повышение внутренней
энергии газа (Uz—
Uс
)
и на
совершение работы Lcz.
По опытным данным величина при работе двигателей с полной нагрузкой изменяется в пределах
Для двигателей с электронным впрыском ...................................... 0,90 — 0,96
Для карбюраторных двигателей ............................................... 0,80 — 0,95
Для быстроходных дизелей с неразделенными камерами сгорания.0,70 – 0,88
Для дизелей с разделенными камерами сгорания ………………...0,65 — 0,80
Для газовых двигателей ……………………………………...0,80 — 0,85
Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V= const, уравнение сгорания имеет вид:
,
где
— теплота сгорания рабочей смеси;
—
средняя мольная теплоемкость рабочей
смеси в конце процесса сжатия;
—
средняя
мольная теплоемкость продуктов сгорания.
Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты при V= const и р=const, уравнение сгорания имеет вид:
,
где
—
степень повышения давления.
В
уравнения сгорания входят две неизвестные
величины:
температура в конце видимого сгорания
tz
и
теплоемкость
продуктов сгорания при постоянном
объеме
или постоянном давлении 
при этой же температуре tz.
Используя
для определения
или
табличные
значения уравнения
сгорания решаются относительно tz
методом
последовательных
приближений (подбором значений tz).
При
использовании для
определения
или
приближенных формул уравнения
сгорания после подстановки в них числовых
значений
всех
известных параметров и последующих
преобразований принимают
вид уравнения второго порядка
,
где А, В и С — числовые значения известных величин.
Откуда
,
°С и Tz
= tz+273
К.
Определение давления pz в конце сгорания зависит от характера осуществляемого цикла.
Для двигателей, работающих с подводом теплоты при V= const, давление (МПа)
а степень повышения давления
Для
бензиновых двигателей 
= 3,2
÷ 4,2, для газовых двигателей
= 3 ÷ 5.
Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты при V= const и р=const:
а степень предварительного расширения
.