Влияние основных конструктивных и режимных факторов, технического состояния двигателя и условий окружающей среды на параметры в конце процесса сжатия

Качество протекания процесса сжатия в целом характеризуется величиной среднего показателя политропы сжатия n₁. Средний показатель политропы сжатия обычно меньше показателя адиа­баты. Все факторы, вызывающие увеличение суммарного тепло­вого потока, приводят к уменьшению показателя n₁, и наоборот, псе факторы, уменьшающие суммарный теплообмен, приближают процесс сжатия к адиабатическому и увеличивают n₁.

Величина и направление теплового потока при сжатии зависят:

— от разности температур сжимаемого заряда и окружающих его поверхностей;

— от продолжительности процесса сжатия;

— от относительной площади теплоотдающей поверхности, т. е. от отношения площади поверхности теплообмена к объему ци­линдра;

— от количества свежего заряда, приходящегося на единицу поверхности теплообмена;

— от интенсивности вихревого движения заряда. Следовательно, на среднее значение показателя политропы сжатия n₁ оказывают влияние следующие эксплуатационные фак­торы:

— режим охлаждения;

— режим работы двигателя, характеризующийся нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала;

— температура и давление воздуха на впуске'

— размеры двигателя;

— величина утечек рабочего тела в процессе сжатия.

Рассмотрим влияние этих факторов на n₁.

Режим охлаждения оказывает решающее влияние на темпера­туру деталей, окружающих рабочее тело. Чем выше температура охлаждающей среды, тем меньше суммарный тепловой поток от сжимаемого заряда к стенкам цилиндра и средний показатель политропы сжатия больше. Поэтому, например, двигатель с воз­душным, а также с высокотемпературным охлаждением характе­ризуются большими значениями n₁, чем двигатели с низкотемпе­ратурным охлаждением.

При высокой температуре окружающих рабочее тело деталей суммарный тепловой поток может оказаться направленным от стенок к заряду и тогда средний показатель политропы сжатия будет больше показателя адиабаты. Например, при высокотемпе­ратурном охлаждении и умеренной температуре воздуха на впус­ке показатель политропы сжатия может быть равным 1,40-1,42.

Снижение температуры охлаждающей среды, наоборот, при­водит к усилению теплоотвода от сжимаемого заряда и к умень­шению среднего показателя политропы сжатия, например, при пуске холодных двигателей, когда суммарный тепловой поток от заряда к холодным деталям настолько велик, что показатель политропы n₁ имеет малые значения (порядка 1,15—1,25). Сле­довательно, величины параметров рабочего тела в конце процес­са сжатия р_с и Т_с при пуске холодных двигателей будут ниже, чем при работе прогретых двигателей. Поэтому при сравнитель­но невысокой степени сжатия температура рабочего тела в конце процесса сжатия может оказаться недостаточной для самовоспла­менения топлива. В таких случаях необходимо предусмотреть специальные устройства для подогрева свежего заряда при за­пуске двигателя.

Режим работы. С увеличением нагрузки увеличивается подача топлива в цилиндры двигателя. Следовательно, возрастает коли­чество топлива, выделяющегося в цилиндрах в единицу времени, и увеличивается температура деталей, окружающих рабочее тело. Последнее, как уже отмечалось, вызывает увеличение среднего по­казателя политропы сжатия. Из этого следует, что давление и температура рабочего тела в конце процесса сжатия при работе дизельного двигателя на холостом ходу и малых нагрузках будут меньше, чем при работе двигателя на номинальной нагрузке при тех же частотах вращения коленчатого вала.

На рис. 6.3 представлено (по опытам Т. М. Мелькумова) изменение давления и температуры рабочего тела в конце процесса сжатия в зависимос­ти от цикловой подачи топлива, которая пропорциональна нагруз­ке или эффективной мощности двигателя.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала возраста­ет количество вводимого в двигатель за единицу времени тепла, следовательно, повышается температура его деталей. Одновремен­но с этим сокращается время контакта рабочего тела с деталями и уменьшается утечка заряда через зазоры между деталями. В ре­зультате совместного воздействия указанных факторов уменьша­ется суммарный тепловой поток, процесс сжатия приближается к адиабатическому и средний показатель политропы сжатия n₁ уве­личивается. На рис. 6.4 показана зависимость показателя n₁ от частоты вращения, полученная Н. Р. Бриллингом для быстроход­ного дизеля, а на рис. 6.5 представлены зависимости р_с и Т_с от частоты вращения, полученные профессором Т. М. Мелькумовым.

Из рассмотренного следует, что при работе дизельного двига­теля на холостом ходу и малых частотах вращения коленчатого вала давление и температура рабочего тела в конце сжатия бу­дут значительно ниже, чем на номинальных частотах и нагрузке. Поэтому для обеспечения надежного запуска и устойчивой рабо­ты двигателя на малых нагрузках степень сжатия должна быть выбрана больше той, которая обеспечивает надежное самовоспла­менение топлива на номинальном режиме.

 

Рис. 6.3. Влияние нагрузки на параметры воздуха в конце процесса сжатия

Рис. 6.4. Влияние частоты вращения коленчатого вала на среднее значение показателя политропы сжатия

Температура и давление воздуха на впуске. Увеличение темпе­ратуры воздуха на впуске приводит к увеличению температуры рабочего тела в течение всего процесса сжатия..Следовательно, отдача тепла от сжимаемого заряда к.окружающим его деталям увеличивается и поэтому средний показатель политропы сжатия n₁ уменьшится.

С увеличением давления воздуха на впуске р_к возрастает расход свежего заряда. Следовательно, площадь поверхности теплообмена, приходящаяся на единицу свежего заряда, умень­шится. Поэтому и теплоотвод, приходящийся на единицу свежего заряда, также уменьшится, что приводит к увеличению среднего показателя политропы сжатия.

Размеры двигателя. Весовой заряд воздуха изменяется пропор­ционально кубу линейного размера (т. е. пропорционально произведению — .), а площадь поверхности теплообмена — про­порционально квадрату линейного размера (т.е. пропорциональ­но произведению ). Таким образом, с увеличением размеров двигателя величина поверхности теплообмена, приходящаяся на единицу свежего заряда, уменьшается, что приводит к уменьшению относительного теплоотвода и к увеличению среднего показателя политропы сжатия. Поэтому у малоразмерных двигателей давле­ние и температура заряда в конце сжатия будет ниже, чем у дви­гателей с большими размерами цилиндров при одинаковой степе­ни сжатия и одинаковых параметрах воздуха на впуске. Этим, в частности, объясняются худшие пусковые качества малоразмер­ных двигателей.

.

Рис. 6.5. Изменение параметров воздуха в конце процесса сжатия в зависимости от частоты вращения коленчатого вала

Утечки заряда. По мере износа двигателя увеличиваются за­зоры между деталями цилиндро-поршневой группы и возникают утечки сжимаемого заряда. Поэтому давление и температура за­ряда в конце процесса сжатия у изношенного двигателя будут меньше, что особенно ухудшает условия запуска.

Материал поршня и головки цилиндров. Применение алюми­ниевых сплавов для поршней и головок цилиндров приводит к увеличению отвода тепла от заряда и, следовательно, к уменьше­нию среднего показателя политропы сжатия