Заняття 7. Процес стиску

1. Розглянути процес стиснення в циліндрах двигуна внутрішнього згорання, його показники.

2. Ознайомитись із особливостями теплообміну підчас стиску.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах

1. Дійсний процес стиску робочого тіла в надпоршневій порожнині починається після закриття органів газорозподілу (40–70° ОКВ після НМТ залежно від особливостей конструкції двигуна і частоти обертання колінчатого вала) і продовжується до початку запалювання палива (3–7° ОКВ до ВМТ у двигунах із запалюванням палива від стиску і 0–15° ОКВ до ВМТ у двигунах з іскровим запалюванням). Необхідність попереднього стиску робочого тіла в дійсному циклі двигуна визначається наступними факторами:

· дійсний ступінь стиску у традиційних ДВЗ визначає ступінь розширення продуктів згоряння після ВМТ, від якого залежить ефективність перетворення теплоти згорівшого палива в механічну роботу;

· від дійсного ступеня стиску залежить також маса робочого тіла в надпоршневій порожнині, а відповідно і робота газів за цикл;

· наявність попереднього стиску при відповідній формі камери згоряння дозволяє створити в надпоршневій порожнині необхідну інтенсивність турбулізації робочого тіла, що визначає якість процесів сумішоутворення, ефективність згоряння палива;

· величина дійсного ступеня стиску визначає температуру заряду, а відповідно і надійність запалювання палива в двигунах із запалюванням палива від стиску.

Надійність запалювання палива в двигунах із запалюванням палива

від стиску залежить не тільки від дійсного ступеня стиску, але і від величини робочого об’єму, частоти обертання колінчатого вала, типу, форми і співвідношення геометричних параметрів камери згоряння, типу системи

охолодження, температури навколишнього середовища й інших факторів. У сучасних ДВЗ при умові надійного запалювання палива від стиску дійсний ступінь стиску складає: у карбюраторних двигунах 6,5…11,0; газових двигунах 7,0…12,0; дизелях без наддуву 15…21; дизелях з наддувом 11…16.

У двигунах з іскровим запалюванням граничне значення дійсного ступеня стиску визначається, в основному, детонаційною стійкістю палива.

У надпоршневій порожнині ДВЗ при стиску відбувається зміна тиску і температури суміші газів як внаслідок зменшення об’єму надпоршневої порожнини, так і внаслідок теплообміну між сумішшю газів і стінками надпоршневої порожнини; надходження палива при вприскуванні, випаро-вуванні палива з поверхні плівки на стінках надпоршневої порожнини і з поверхні крапель палива; перемішування газів і пари палива (гомогенізація

паливоповітряної суміші), витікання газів через поршневі кільця [1, 2, 3, 4].

Витікання робочого тіла через поршневі кільця протягом такту стиску в технічно справному двигуні не перевищує одного відсотка свіжого заряду. В експлуатації зі збільшенням зносу поршневих кілець, канавок поршневих кілець, гільзи циліндра витік робочого тіла зростає і при досягненні витоку, що перевищує 5% від свіжого заряду надпоршневої порожнини, двигун підлягає ремонту.

Випаровування палива з поверхні крапель при його вприскуванні у надпоршневу порожнину або крапель, що надійшли в надпоршневу порожнину з потоком повітря через стискний клапан, випаровування палива з поверхні плівки палива на стінках надпоршневої порожнини має відносно

незначний вплив на зміну тиску і температури робочого тіла в надпоршневій порожнині. При зовнішньому сумішоутворенні і коефіцієнті надлишку повітря 1,15, повному випаровуванні циклової подачі палива зниження температури паливоповітряної суміші протягом тактів стиску і стиску не

перевищує 20 К, а об’ємна частка пари палива в суміші – 1,5 % (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Концентраційні межі запалювання горючих сумішей

2. Більш помітний вплив на протікання процесу стиску має теплообмін між робочим тілом і стінками надпоршневої порожнини. На початку такту стиску температура робочого тіла звичайно нижча, ніж температура поверхні головки циліндра (200–350 °С), випускних клапанів (500–700 °С), днища поршня (240–340 °С), циліндра (100–300 °С). Тому тепло від стінок надпоршневої порожнини передається робочому тілу (ділянка а–b на рис. 2.1). Кількість теплоти, що передається робочому тілу від стінок надпоршневої порожнини на цій ділянці, пропорційна площі під кривою а–b. Тиск суміші газів у надпоршневій порожнині на ділянці а–b буде вищий, ніж у випадку адіабатичного стиску робочого тіла у над поршневій порожнині від точки а до точки с´ (рис. 2.1). Якщо подати зміну параметрів робочого тіла на ділянці стиску політропою з перемінним показником політропи n (крива 2), то показник політропи стиску n на цій ділянці також буде вищий, ніж середнє значення показника адіабати стиску кс для інтервалу температури Та – Тс’.

У точці b температура робочого тіла досягає значення, при якому теплові потоки будуть рівні. Підведення теплоти до робочого тіла від елементів поверхні стінок надпоршневої порожнини з температурою більш високою, ніж температура робочого тіла, буде дорівнювати значенню відведення теплоти від робочого тіла до елементів поверхні стінок надпоршневої порожнини з температурою більш низькою, ніж температура робочого тіла. Показник політропи у точці b буде дорівнювати показникові адіабати для температури робочого тіла в цій точці.

Після точки b відведення теплоти від робочого тіла до поверхні стінок надпоршневої порожнини буде перевищувати підведення теплоти до робочого тіла від окремих елементів поверхні стінок з високою температурою. Показник політропи стиску буде меншим, ніж показник адіабати. Кількість теплоти, що втрачається в стінки надпоршневої порожнини на цій ділянці, пропорційна площі під кривою b–с (рис. 2.1). Співвідношення між кількістю теплоти, переданої від стінок над поршневої порожнини до робочого тіла, і кількістю теплоти, що втрачається від робочого тіла у стінки, залежить від діаметра циліндра, частоти обертання колінчатого вала, типу системи охолодження, температури навколишнього середовища, тиску наддуву, навантаження й інших факторів. Зі зменшенням діаметра циліндра та збільшенням частоти обертання колінчатого вала кількість теплоти, що передається від стінок надпоршневої порожнини до робочого тіла, буде збільшуватися.

У двигунах із зовнішнім сумішоутворенням при підвищених частотах обертання колінчатого вала і навантаженнях має місце тільки віддача теплоти від стінок надпоршневої порожнини до робочого тіла протягом всього такту стиску (рис. 2.1). При цьому показник політропи збільшується. У дійсному циклі процес стиску супроводжується такими факторами:

відбувається теплообмін між газами і стінками циліндра;

гази просочуються крізь нещільності між поршнем і циліндром.

Тому дійсний процес стиску не адіабатний, а політропний і описується рівняннями політропи:

pV^(n_1)=const; TV^(n_1-1)=const,

де n1 - показник політропи стиску.

У дійсному циклі показник змінний. Річ у тому, що на початку стиску (рис.2.2, а, ділянка 1), поки газ холодний, температура стінок камери згоряння ТСТ вища, ніж температура T газу в циліндрі, тому теплообмін іде від стінок циліндра до газу (+Q) і n1>k (k - показник адіабати) (рис. 2.2, б). У процесі стискування наступає мить, коли n1=k (точка (d). Після цього (ділянка 2) теплообмін іде від газу до стінок циліндра (-Q) і n1<k. Тому політропа стиску проходить, як показано на рис. 4.9, а, і перетинається з адіабатою у точці d. Для спрощення розрахунків беруть середнє за процес стале значення показника n1, яке для автомобільних При виборі середнього значення враховують, що показник n1 зале-жить від режиму роботи, експлуатаційних умов і технічного стану ДВЗ:

а) чим більша частота обертання колінчастого вала, тім більший n1, оскільки зменшується час на теплообмін і витікання газів через не-щільності у парі поршень - циліндр;

б) збільшення діаметра циліндра приводить до зростання n1, оскільки відносна поверхня охолодження, що припадає на одиницю об'єму циліндра, стає меншою;

в) інтенсифікація охолодження знижує n1, тому в ДВЗ з рідинним охолодженням n1 менший, ніжу ДВЗ з повітряним охолодженням;

г) чим складніша форма камери згоряння, тим менший n1, оскільки зростають втрати теплової енергії на створення вихрового руху свіжого заряду;

ґ) нещільність поршневих кілець сприяє зменшенню n1;

д) при наддуві n1 більший, оскільки густина свіжого заряду зростає

і відповідно зменшується поверхня охолодження, що припадає на оди-ницю його маси. двигунів лежить у межах

n1=1,34+1,38.

3. Після встановлення значення показника n ₁ тиск р_с і температура Т_с наприкінці стиску, тобто в точці с індикаторної діаграми, обчислю­ються за рівняннями політропи стиску.

Значення параметрів процесу стиску для автомобільних двигунів наведені в табл. 3.1 [1; 2; 7].

Звідки

.

Таблиця 3.1