2.8. Процесс расширения продуктов сгорания топлива

Процесс расширения происходит во время такта – рабочий ход. В идеальном цикле расширение рабочего тела осуществляется по адиабате I (рис. 2.14) с показателем к₂=1,33- 1,35, при этом отсутствуют протечки рабочего тела из цилиндра и теплообмен с окружающей средой.

На участке уz расчетного цикла (см. рис. 2.14) осуществляется расширение рабочего тела, но с подводом тепла по изобаре р =idem, а на участке zb – расширение рабочего тела с отводом тепла в охлаждающую среду. Процесс расширения заканчивается в т. b (в четырехтактных дизелях это НМТ, а в двухтактных – уровень верхней кромки выпускных окон при контурных схемах газообмена, либо уровень верхней кромки продувочных окон при прямоточной схеме газообмена).

На процесс расширения в реальном двигателе влияют догорание топлива на линии расширения с подводом тепла, ассоциация молекул газа с подводом тепла, переменный односторонний теплообмен рабочего тела со стенками цилиндра с отводом тепла, протечки газа через уплотнительные кольца с отводом тепла.

Поэтому реальный процесс расширения является условно политропическим с переменным показателем политропы и изображается в координатах р – V кривой расширения II (см. рис. 2.14).

Рис. 2.14. Процесс расширения в теоретическом 1 и расчетном П циклах

Рассмотрим физические процессы, происходящие в цилиндре с рабочим телом при расширении. В начале хода расширения (т. z) происходит внутренний подвод тепла к газам из-за догорания топлива и ассоциации газов при малой поверхности отвода тепла от них. Поэтому кривая расширения идет положе адиабаты < к (≈1,1). Далее по ходу поршня влияние перечисленных факторов на процесс расширения изменяется и крутизна кривой расширения увеличивается, то есть показатель увеличивается. Наступает момент (т. 2) когда температуры газа и стенок выравниваются и процесс расширения в этот момент адиабатный =к₂. При дальнейшем расширении решающее влияние на характер кривой расширения оказывает отвод тепла от газов в стенки цилиндра и кривая расширения идет круче адиабаты > к₂ (=1,5).

При расчете процесса расширения аналогично процессу сжатия сделаем допущение: условно принимаем, что процесс расширения происходит по политропе с условным средним постоянным показателем , который определяется из условия, что работа расширения в условном процессе с постоянным равна работе расширения при истинном переменном .

Влияние различных факторов на показатель :

- частота вращения коленчатого вала двигателя; с увеличением увеличивается догорание топлива, показатель политропы расширения уменьшается;

- нагрузка двигателя; с увеличением нагрузки показатель политропы расширения возрастает;

- размеры цилиндра D и S; с увеличением размеров цилиндра показатель уменьшается;

- скорость сгорания топлива, зависящая от сорта топлива, качества его распыливания, коэффициента избытка воздуха при сгорании , качества смесеобразования, начальных температурных условий воздушного заряда цилиндра; с уменьшением скорости сгорания показатель уменьшается;

- техническое состояние топливной аппаратуры; с ухудшением технического состояния прецизионных элементов топливной аппаратуры показатель уменьшается;

Догорание топлива в процессе расширения является важным фактором, влияющим как на параметры процесса расширения, так и на экономичность дизеля. Догорание топлива приводит к снижению p_z и T_z, к увеличению p_b и T_b и к снижению экономичности работы дизеля. Среди эксплуатационных факторов, приводящих к догоранию топлива, основными являются засорение или загорание сопловых отверстий распылителя форсунки, закоксовывание продувочных окон цилиндровой втулки, уменьшение действительного угла опережения подачи топлива в цилиндр, перевод дизеля ни более тяжелый сорт топлива.

Давление и температура газов в конце расширения определяются по формулам

;

где - степень последующего расширения; ;

п₂ - показатель политропы расширения.

Показатель политропы расширения п₂ найдем из уравнения первого закона термодинамики для процесса расширения на участке zb

В результате имеем

К этому уравнению присоединяем уравнение

и полученную систему двух уравнений решаем методом последовательных приближений, принимая в первом приближении =1000 К в результате чего находим и п₂.

Поскольку расчет процесса выпуска отработавших газов на данном этапе не выполняется, то здесь перечислим периоды выпуска газов в четырехтактных и в двухтактных дизелях.

В четырехтактных дизелях процесс выпуска состоит из трех периодов:

- свободный выпуск газов bb′ (см. рис. 2.8)

- принужденный выпуск br

- продувка камеры сгорания r′r".

В двухтактных дизелях процесс выпуска состоит тоже из трех периодов:

- свободный выпуск bd ,включая предварение выпуска (см. рис. 2.9)

- принужденный выпуск (продувка рабочего цилиндра) d o s;

- потеря воздушного заряда sa (иногда дозарядка цилиндра);