2.2. Процесс сжатия

К параметрам процесса сжатия определяющим состояние рабочего тела в характерных точках относятся:

• p_c – давление в конце процесса сжатия;

• T_c – температура в конце процесса сжатия.

Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнений политропы с постоянным показателем n₁:

, (1.9)

. (1.10)

Учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015÷0,005 с на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величину n₁ можно оценить по среднему показателю адиабаты k₁. Значение показателя адиабаты k₁ выбирается по номограмме (рис. 2) для соответствующих значений ε и T_a.

Значение показателей политропы сжатия n₁ в зависимости от k₁ устанавливается в следующих пределах:

для бензиновых двигателей…………..(k₁ – 0,00)÷(k₁ – 0,04)

для дизелей…………………………….(k₁ + 0,00)÷(k₁ – 0,02)

В современных автомобильных и тракторных двигателях давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах:

для двигателей с электронным впрыском…… p_c = 1,0÷2,5 МПа,

T_c = 600÷800 К

для карбюраторных двигателей……………… p_c = 0,9÷2,0 МПа

T_c = 600÷800 К

для быстроходным дизелей без наддува… p_c = 3,5÷5,5 МПа

T_c = 700÷900 К

Р ис. 2. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k₁

2.3. Процесс сгорания

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, а двигателях с воспламенением от сжатия – при V = const и р = const, т.е. по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 3).

Рис.3. Изменение давления в процессе сгорания:

а – бензиновом двигателе; б - в дизеле

Состояние рабочего тела в процессе сгорания характеризуют:

р_z – давление в конце видимого сгорания;

T_z – температура в конце видимого сгорания;

V_z – объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения, м³ (для дизеля).

Давление в конце видимого сгорания р_z зависит от характера осуществления цикла.

Для двигателей, работающих с подводом теплоты при V = const, давление р_z (МПа)

р_z = p_cµT_z/T_c, (2.11)

где µ – действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (см. прил.).

Степень повышения давления

λ = р_z/p_c. (2.12)

Для бензиновых двигателей λ = 3,2÷4,2.

Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты (дизели)

р_z = λ p_c, (2.13)

а степень предварительного расширения

. (2.14)

Для дизелей ρ = 1,2÷1,7.

Объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения V_z

V_z – V_c = V_c(ρ – 1) (2.15)

Температура газа T_z (К) в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики.

Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, уравнение сгорания имеет вид:

, (2.16)

где ξ_z – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания cz

Н_раб.см – теплота сгорания рабочей смеси (МДж/кмоль раб см);

– средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия, кДж/(кмоль·град);

– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кмоль·град);

Теплота сгорания рабочей смеси определяется:

при α ≥1

Н_раб.см = Н_и/[М₁(1 + γ_r)], (2.17)

при α <1

Н_раб.см = (Н_и – ΔН_и)/[М₁(1 + γ_r)], (2.18)

где Н_и – низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг). Для бензина Н_и = 44 МДж/кг, для дизельного топлива Н_и = 42,5 МДж/кг; М₁ – количество горючей смеси (кмоль гор. см/кг топл.) (см. прил.)

ΔН_и – потеря теплоты (МДж/кг) из-за неполного сгорания топлива

ΔН_и = 119,95(1 – α)L₀. (2.19)

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси (свежая смесь + остаточные газы) определяется по уравнению

, (2.20)

где – средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия [кДж/(кмоль·град)] принимается равной теплоемкости воздуха и определяется по формуле из табл. П.2;

– средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия [кДж/(кмоль·град)] определяется по табл. П.3 для бензина или по табл. П.4 для дизельного топлива.

Для двигателей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const уравнение сгорания имеет вид

, (2.21)

где λ = p_z/p_c – степень повышения давления; 2270 = 8,315·273.

Для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ =1,6÷2,5;

Для вихрекамерных и предкамеерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованием λ =1,2÷1,8.

В уравнения сгорания (2.16) и (2.21) входят две неизвестные величины: температура в конце видимого сгорания t_z и теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме или постоянном давлении при той же температуре t_z. Используя для определения и формулы табл. П.2, уравнения сгорания после подстановки в них числовых значений всех известных параметров и последующих преобразований можно привести к уравнениям второго порядка

At_z² + Bt_z – C = 0, (2.22)

где А, В и С – числовые значения известных величин.

Откуда

, °С и T_z = t_z + 273, K

Значения температуры и давления в конце сгорания для автомобильных и тракторных двигателей при работе с полной нагрузкой изменяются в следующих пределах:

для бензиновых двигателей………………. T_z = 2400÷3100 К

p_z = 3,5÷7,5 МПа

p_zд = 3,0÷6,5 МПа

для дизелей…………………………………. T_z = 1800÷2300 К

p_z = p_zд = 5,0÷12,0 МПа