Процесс расширения

Рис. 43. Диаграмма процес­са расширения

В процессе расширения внутренняя энергия продуктов сгорания трансформируется в механическую работу. Одновременно с этим реакции окисления, не успевшие закончиться в течение процесса сгорания, продолжаются в начале расширения. Дополнительное выделение тепла во время процесса расширения называется догоранием. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается политропой zb. В отличие от адиабатного расширения в теоретическом цикле, в действительном данный процесс сопровождается интенсивным теплообменом между газами, стенками и окружающей средой. При этом показатель политропы расширения имеет переменное значение.

В начале расширения идет интенсивное догорание топлива, а теплоотдача в стенки относительно невелика вследствие малых поверхностей стенок, омываемых горячими газами. Поэтому, показатель политргопы расширения n₂ меньше показателя адиабаты k₂ – n₂< k₂. По мере перемещения поршня к НМТ догорание становится менее интенсивным, а теплоотдача в стенки растет и показатель политропы расширения начинает возрастать. Приблизительно вы середине хода поршня тепловыделение от догорания становится равным теплоотдаче в стенки, т.е. процесс расширения становится псевдоадиабатическим – n₂= k₂. В конце расширения догорания уже нет, поверхности охлаждения увеличиваются, вследствие чего показатель политропы становится больше показателя адиабаты – n₂> k₂. В тепловом расчете используют понятие средний показатель политропы расширения, определяемый по формуле:

где n – частота вращения двигателя.

Средний показатель политропы расширения определяется по опытным данным и зависит от ряда факторов.

Значение n₂ возрастает при снижении частоты вращения (Рис. 43,а), увеличении коэффициента использования теплоты ξ, при увеличении отношения S/D при постоянном рабочем объеме V_h, в зависимости от интенсивности охлаждения.

Показатель политропы расширения лежит в пределах:

n₂=1.23…1.3 – для карбюраторных двигателей;

n₂=1,18…1,28 – для дизелей;

n₂=1,25…1,32 – для газовых двигателей.

Давление газов в конце расширения может быть определено из уравнения политропы , составленных для точекz и b индикаторной диаграммы.

С учетом того, что в бензиновых двигателях δ=ε получаем:

Величина давления в конце расширения лежит в пределах:

P_b=0.35…0.6 МПа – для бензиновых и газовых двигателей;

P_b=0,3…0,5 МПа – для дизелей.

Для определения температуры в конце расширения воспользуемся уравнением политропы , составленным для точекz и b индикаторной диаграммы:

Для бензиновых и газовых двигателей:

Величина температуры газов в конце расширения

T_b=1200…1700°К – для бензиновых двигателей;

T_b=1000…1200°К – для дизелей.

Процесс выпуска

Рис. 45. Диаграмма процесса вы­пуска

для четырехтактного двига­теля

Процесс выпуска служит для очистки цилиндра от отработавших газов. В четырехтактных двигателях процесс выпуска условно начинается в точке b^|, которая соответствует моменту открытия выпускного клапана. Это открытие происходит с опережением, за 40…80° пкв до прихода поршня в НМТ, что хотя и снижает полезную работу расширения, но способствует более качественной очистке цилиндра и уменьшению работы по выталкиванию отработавших газов из цилиндра. Закрытие выпускного клапана происходит с запаздыванием через 20…40°пкв после прохождения поршнем ВМТ. Таким образом длительность выпуска составляет 240…300°пкв.

Процесс выпуска можно разделить на две стадии

1 – предварение выпуска, начинающееся от момента открытия выпускного клапана ( точка b^| ) до НМТ;

2 – основной выпуск, происходящий при перемещении поршня от НМТ до момента закрытия выпускного клапана.

Предварение выпуска. Во время предварения выпуска поршень движется от ВМТ к НМТ. Благодаря своему избыточному давлению, газы вырываются из цилиндра с критическими скоростями, достигающими 600…700 м/с. Критическую скорость истечения газов можно определить по формуле:

Выход газов сопровождается характерным звуковым эффектом, для поглощения которого применяется глушитель. В этот период удаляется 60…70% отработавших газов.

Момент начала выпуска выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить хорошую очистку цилинд­ра, а с другой стороны, уменьшить затраты энергии на этот процесс. Если, например, клапан начнет открываться слиш­ком рано, то увеличится потеря полезной работы газов в период пред­варения выпуска. Если же клапан открывать поздно, то возрастает отрицательная работа во время выталкивания отработавших газов при движении поршня от НМТ к ВМТ.

Когда поршень подойдет к НМТ давление в цилиндре уменьшается практически в два раза. При этом критическое истечение газов заканчивается и начинается основной выпуск, происходящий под действием поршня. Скорость истечения газов снижается до 200…250 м/с, а к концу выпуска – до 60…100 м/с. Запаздывание закрытия выпускного клапана (точка r^| на индикаторной диаграмме) повышает степень очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газов.

К концу выпуска в цилиндре остается некоторое количество продуктов сгорания, переходящих из одного цикла в другой в качестве остаточных газов.

Температура остаточных газов определяется:

Т_r=700…900 °К – для дизелей;

Т_r=1000…1200 °К – для карбюраторных двигателей

Температура остаточных газов возрастает с увеличением нагрузки и частоты вращения.

P_r =0,11…0,12 МПа – давление остаточных газов.

При проектировании двигателя необходимо стремиться к снижению давления остаточных газов, чтобы избежать увеличения коэффициента остаточных газов. Кроме того, увеличение P_r приводит к ухудшению наполняемости цилиндра и протекания процесса сгорания.