4. Процесс сжатия Изучаемые вопросы:

Цель процесса сжатия, степень сжатия, как определяющий фактор, определение показателей конца сжатия

Процесс сжатия в ДВС служит для создания условий, которые необходимы, чтобы сгорание рабочей смеси топлива с воздухом происходило эффективно. Процесс сжатия в цилиндре дизеля выполняется с целью повышения индикаторного КПД цикла за счет роста параметров рабочего тела Р и Т и для обеспечения надежного воспламенения паров топлива, распыленного в цилиндре в конце хода сжатия.

При внешнем смесеобразовании и постороннем зажигании от запальной свечи, когда в цилиндре сжимается готовая рабочая смесь воздуха с жидким карбюрированным или газообразным топливом, в процессе сжатия должно происходить дополнительное перемешивание смеси для повышения однородности ее состава по всему объему цилиндра. Это облегчает и ускоряет распространение вспышки от электрической свечи по всему пространству сгорания и улучшает качество сгорания в смысле использования всего кислорода воздуха.

Как установлено при анализе идеальных циклов, в целях увеличения термического использования следует стремиться к повышению степени сжатия . В то же время параметры смеси в конце сжатия не должны превышать тех пределов, выше которых нарушается нормальное протекание процесса сгорания (за счет детонации или появления преждевременной вспышки).

В дизелях тоже весьма желательно, чтобы к концу хода сжатия в пространстве сжатия существовало вихревое движение сжимаемого воздуха. Наличие завихрения обеспечивает равномерное перемешивание впрыскиваемого топлива с воздухом. Принцип работы дизелей требует, чтобы температура конца сжатия обеспечивала самовоспламенение впрыснутого топлива. Практически величины степени сжатия быстроходных дизелей укладываются в пределы  = 12…14. Допустимые пределы степени сжатия бензиновых карбюраторных двигателей равны  = 5,5…8,5, а газовых двигателей -  = 6…9,5.

Сжатие является сложным процессом, на протекание которого влияют следующие факторы:

– переменный теплообмен как по величине, так и по направлению между зарядом и стенкой цилиндра;

– изменение по ходу поршня поверхности охлаждения цилиндра;

– испарение части топлива, впрыскиваемого в цилиндр незадолго до процесса сжатия (за 15…20^○ п.к.в. до ВМТ);

– утечка заряда из цилиндра через неплотности поршневых колец и некоторые другие факторы.

Для различных моментов протекания процесса сжатия направление теплового обмена различно. В начале сжатия температура заряда цилиндра ниже температуры нагретых деталей цилиндра, поэтому в первой части хода сжатия происходит передача теплоты от стенок к рабочей смеси, т. е. нагрев (Т0; dq>0). В этот период затрата внешней механической работы сопровождается получением теплоты, и, следовательно, величина мгновенного показателя политропы сжатия к - показателя адиабаты, но величина nпостепенно уменьшается по мере повышения температуры сжимаемого тела. В бесконечно короткий промежуток времени наступает момент, когда температуры рабочего тела и внутренней поверхности цилиндра равны, теплообмен отсутствует и имеет адиабатный процесс (n=к₁). Дальнейшее повышение температуры рабочего тела (Т>0) изменяет направление теплового потока: сжатие сопровождается отдачей теплоты стенкам цилиндра и поршню (dq<0) и n<k₁.

Таким образом, сжигание рабочего тела в действительном цикле представляет переменный процесс. Практически переменный показатель политропы заменяется средним показателем 1,2  n<1,6.

При расчете рабочего цикла для упрощения принимают, что процесс сжатия происходит по политропе с условным средним показателем n₁=const, величина которого обеспечивает получение такой же работы, как и при переменном мгновенном показателе n=var.

Величина n₁ находится в пределах n₁  k₁ (0,01…0,05). Средний показатель политропы сжатия может быть определен с индикаторной диаграммы.

По уравнению политропного сжатия после логарифмирования и преобразования получим

.

Величина n₁ зависит от ряда факторов:

– тактности – для четырехтактных ДВС n₁=1,36…1,42, для двухтактных ДВС – n₁= 1,35…1,39;

– быстроходности – n₁= 1,38…1,40;

– величины относительной поверхности охлаждения F_ц/V_s;

– температуры охлаждающей воды;

– конструкции камеры сгорания;

– технического состояния ЦПГ;

– пускового режима.

Геометрической степенью сжатия  называется отношение полного объема цилиндра V_a (в момент нахождения поршня в НМТ) к объему пространства сжатия V_c (положение поршня в ВМТ).

 = ; V V.

Действительный процесс сжатия в цилиндре начнется только после закрытия газораспределительных органов, поэтому действительная степень сжатия будет равна

.

Подставив выражение V_c , в конечном итоге получим: _д =. (1-) + .

Между геометрической и действительной степенью сжатия имеется следующая связь:

.

В соответствии с принятым в расчетах политропным процессом сжатия с n₁ =const, давление Р_c и температура Т_c в конце процесса сжатия определяются по уравнениям и.

, .

Для двухтактных дизелей вместо  необходимо подставить _ .

Абсолютная работа на линии сжатия может быть подсчитана по следующему выражению:

Q₁=L₁=V_sP₁ ,

где Р₁- среднее давление сжатия.

Выразим V_a из характеристического уравнения P_aV_a=8,314 M_aT_a:

,

и, подставив в Q₁, получим:

или через коэффициент наполнения .