2. Процесс сжатия

1. Назначение процесса сжатия. Факторы, обусловливающие выбор величины степени сжатия.

Посредством сжатия свежего заряда достигают увеличения температурного перепада, при котором осуществляется дейст­вительный цикл, улучшаются воспламенение и горение топлива. Это позволяет получить большую работу при расширении про­дуктов сгорания и повысить экономичность двигателя.

Идея сжатия рабочей смеси перед ее сжиганием и последующим рабочим ходом обеспечила конкурентоспособность по­ршневого двигателя внутреннего сгорания.

Сжатие в двигателе происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ после закрытия впускного клапана (продувочных окон) и сопровождается теплообменом.

При проектировании дизеля степень сжатия выбирают исходя из следующих условий.

1. Степень сжатия должна быть достаточной для достижения в конце сжатия температуры воздуха, обеспечивающей надежное самовоспламенение топлива при наиболее неблагоприятных усло­виях эксплуатации, какими являются запуск двигателя при низ­кой температуре окружающей среды. Для этого температура воз­духа в конце сжатия должна быть выше температуры самовоспла­менения топлива на 100—300 К.

2. При выбранной степени сжатия должен быть обеспечен дос­таточно высокий КПД двигателя. Как известно, термический КПД цикла с увеличением степени сжатия непрерывно возрастает, по­этому с целью повышения экономичности двигателя желательно добиваться возможно более высоких значений степени сжатия. Из представленной на рис. 2 зависимости термического КПД от сте­пени сжатия видно, что с увеличением прирост уменьшается. В действительном же цикле реального двигателя с увеличением степени сжатия возрастает давление в процессах цикла и увеличи­ваются затраты энергии на преодоление сил трения в двигателе. В результате эффективный КПД двигателя при больших не только не возрастает, но даже уменьшается. Исследования показывают, что увеличение степени сжатия сверх 11—12 не дает за­метного увеличения эффективного КПД. Однако, для обеспечения

1. 

Рис. 2. Зависимость термического КПД идеального цикла от степени сжатия при различных и .

Однако, для обеспечения надежного протекания рабочего процесса при запуске дизелей применяют более высокие степени сжатия.

Выполненные дизели с неразделенными камерами сгорания имеют степень сжатия от 11 до 18. Для дизелей с разделенными камерами эта величина достигает 22.

2. Теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра в процессе сжатия.

В теоретических циклах теплообмен между рабочим телом и окружающей средой отсутствует и процесс сжатия протекает адиа­батически. В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер, он сопровождается непрерывным, переменным по вели­чине и направлению теплообменом между свежим зарядом воз­духа и окружающими его деталями цилиндро-поршневой группы, а также частичной утечкой заряда через неплотности в сопряжениях деталей.

В реальных двигателях процесс теплообмена представляет собой политропический процесс. На рисунке 3 показан примерный характер изменения показате­ля политропы в процессе сжатия и взаимное расположение поли­тропы и адиабаты сжатия.

2. 

3. 

Рисунок 3. Изменение показателя политропы и давления в процессе сжатия

В начале процесса сжатия температура свежего заряда ниже температуры поверхностей деталей, поэтому начальный период процесса сопровождается подводом теплоты к заряду. При этом значение показателя политропы сжатия n₁ больше показателя адиабаты k₁.

В дизельных двигателях численное значение показателя поли­тропы в начале сжатия достигает примерно 1,5—1,6 и более (в за­висимости от теплового состояния двигателя и температуры по­ступающего воздуха).

По мере движения поршня от н.м.т. к в.м.т. температура све­жего заряда непрерывно повышается и теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями вследствие уменьшения разности их температур снижается, следовательно, показатель политропы сжатия непрерывно уменьшается. Когда температуры сжимаемого заряда и стенок цилиндра сравняются, тепловой поток станет равным нулю и мгновенное значение показателя политропы сжатия будет равно показателю адиабаты.

Дальнейшее повышеие температуры сжимаемого заряда изменяет на­правление теплового по­тока и процесс сжатия сопровождается отводом тепла от рабочего тела к окружающим его дета­лям.

Кривая процесса сжатия в этом случае проходит более полого, чем адиабата сжатия, значение показателя политропы становится меньше показателя адиабаты , причем разность между ними увели­чивается по мере прибли­жения поршня к в.м.т.

Некоторое увеличение показателя политропы сжатия вблизи в.м.т. может происходить вследствие того, что поверхность теплообмена при этом положении поршня мала, а температура поверхностей, образующих камеру сгорания, сравнительного высока, и хотя тепло и отводится от рабочего тела к стенкам, но этот теплоотвод может оказаться количественно меньше, чем при более раннем (до в.м.т.) положении поршня.

Расчет процесса сжатия с переменным показателем политропы сопряжен со значительными трудностями. С целью упрощения расчета действительный процесс сжатия с переменным показателем политропы заменяют политропным процессом с некоторым постоянным показателем n₁, который называется средним показа­телем политропы сжатия. Численное значение n₁ выбирается та­ким, чтобы теплообмен в политропном процессе с выбранным показателем n₁ равнялся бы суммарному теплообмену в действитель­ном процессе сжатия.

Суммарный теплообмен в течение процесса сжатия, как прави­ли, невелик и составляет 1—3% от подводимого тепла и направлен от рабочего тела к окружающим его деталям двигателя.

Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия и в конце впуска связаны между собой уравнением политропы сжатия:

9