Процесс расширения и его особенности в действительном цикле

ТЕПЛООБМЕН В ПРОЦЕССЕ РАСШИРЕНИЯ

В процессе расширения производится преобразование тепла, выделившегося при сгорании топлива, в механическую работу.

Процесс расширения в поршневых двигателях внутреннего сго­рания сопровождается: догоранием топлива, непрерывным тепло­обменом между рабочим телом и деталями цилиндра при пере­менных перепадах температур, переменной поверхности теплооб­мена и при переменных давлениях, утечкой газов через неплотно­сти в сопряжении поршень—цилиндр, диссоциацией и рекомбина­цией продуктов сгорания.

Догорание топлива и рекомбинация продуктов диссоциации приводят, несмотря на увеличение объема рабочего тела и отвод от него тепла, к увеличению температуры газов в начале про­цесса расширения. Как видно из рис. 7.1, температура достигает максимального значения после достижения максимального давле­ния в цилиндре р_z. Это свидетельствует о. том, что в начальной стадии процесс расширения протекает с подводом тепла и показа­тель политропы расширения на этом участке процесса ниже пока­зателя адиабаты k (в начале n₂  имеет отрицательные значения, до­ходя до нуля при р_{z макс}  и при Т _макс достигает значения n₂=1).

Рис. 7.1. Изменение давления и температуры в цилиндре по углу поворота коленчатое вала

По мере дальнейшего перемещения поршня от в.м.т. к н.м.т. за­вершается процесс догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации, увеличивается влияние отвода тепла от рабочего те­ла к стенкам цилиндра. При этом показатель политропы расши­рения увеличивается, приближаясь к показателю адиабаты. При некотором положении поршня подвод тепла становится равным отдаче тепла в стенки цилиндра, а мгновенное значение показате­ля политропы расширения становится равным значению показа­теля адиабаты. В конце процесса расширения преобладает отвод тепла и показатель политропы расширения монотонно растет по мере приближения поршня к н.м.т.

Рис. 7.2. Изменение показателя политропы в процессе расширения

Таким образом, процесс расширения в двигателях внутреннего сгорания сопровождается явлениями, обуславливающими сложный характер его протекания. На рис. 7.2 показано изменение давления в цилиндре и показателя политропы расширения в зависимости от изменения объема над поршнем.

Ввиду трудности практического использования переменных значений показателя политропы расширения в расчетах действительный процесс расширения заменяют условным, происходящим с некоторым постоянным значением п₂.

Величина среднего показателя политропы расширения должна выбираться из условия, чтобы суммарный теплообмен в расчетном цикле был таким же, как и в действительном.

Для политропического процесса при среднем показателе п₂ давление и температура конца процесса расширения определяются по формулам:

;                                                 (7.1)

                                                             (7.2)

где  - степень последующего расширения.

Для ДсИЗ , поэтому

;                                            (5.15

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЕЛИЧИНУ СРЕДНЕГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПОЛИТРОПЫ РАСШИРЕНИЯ

На величину среднего показателя политропы расширения влияют различные факторы, основными из которых являются обо­роты коленчатого вала двигателя, нагрузка, геометрические разме­ры, цилиндра, тип камеры сгорания, режим охлаждения, характер протекания процесса сгорания и др.

Скоростной режим.. С увеличением частоты вращения колен­чатого вала двигателя уменьшается время, отводимое на процесс расширения. Это вызывает уменьшение теплоотдачи от рабочего тела к стенкам цилиндра и увеличение утечки газа через неплот­ности. Кроме того, при неизменном угле опережения впрыска топ­лива увеличивается догорание топлива в процессе расширения. Все эти явления направлены на уменьшение отводимого от рабо­чего тела тепла, поэтому средний показатель политропы расшире­ния уменьшается.

Режим нагрузки. С увеличением нагрузки при постоянном чис­ле оборотов коленчатого вала двигателя увеличивается цикловая подача топлива, что при постоянном угле опережения впрыска топлива приводит к увеличению догорания на линии расширения (к увеличению подвода тепла к рабочему телу) и уменьшению среднего показателя политропы расширения.

Техническое состояние двигателя. При увеличении износа цилиндро-поршневой группы увеличиваются утечки рабочего тела, что влияет аналогично отводу тепла. Поэтому в двигателях, имеющих значительный износ этих деталей, показатели политро­пы расширения выше, чем у двигателей с хорошим техническим состоянием.

Отложение нагара, накипи способствует ухудшению отвода тепла от рабочего тела и, следовательно, приводит к снижению значений среднего показателя политропы расширения.

При повышении давления воздуха на впуске при неизменной цикловой подаче топлива увеличивается действительный весовой заряд цилиндра, а поверхность, приходящаяся на единицу весово­го заряда, уменьшается, что приводит к относительному уменьше­нию отвода тепла от рабочего тела и, следовательно, уменьшению среднего показателя политропы расширения.

Обычно с ростом давления наддува увеличивается цикловая подача топлива, что приводит к увеличению догорания топлива на линии расширения и к дополнительному уменьшению среднего показателя политропы.