Процесс расширения в ДВС

В реальном двигателе процесс сгорания начинается до прихода поршня в ВМТ и не заканчивается после окончания подачи топлива в цилиндр, а продолжается на линии расширения. IV-я фаза процесса сгорания (догорание) оказывает значительное влияние на характер процесса расширения. Это влияние может быть проиллюстрировано с помощью кривой использования тепла ξ = f(V), данной на рис.

Рис. 1 Характер изменения коэффициента использования тепла ξ(V) в цилиндре малооборотного (1) и быстроходного (2) дизеля

Основная доля тепла подводится на участке z1z рабочего хода. Однако за счет догорания правее точки z коэффициент ξ продолжает увеличиваться, достигая максимума в точке М. При этом в начале процесса расширения (у точки z) из-за влияния догорания показатель политропы расширения составляет величину n2 = 1,0 ÷ 1,1.

При движении поршня от ВМТ к НМТ догорание уменьшается; в то же время, увеличивается поверхность охлаждения цилиндра и соответственно увеличивается отвод тепла. Наконец, в точке М количество подводимого тепла становится равным количеству отводимого тепла. При этом мгновенное значение показателя n2 равно показателю адиабаты: n2 = k.

При дальнейшем движении поршня к НМТ процесс расширения протекает с отводом тепла, величина ξ уменьшается. В конце расширения показатель n2 равен: n2 = 1,5 ÷ 1,6.

Как правило, в судовых дизелях максимум кривой ξ = f(V) находится между точками z и b. В точке b коэффициент использования тепла равен: ξв = 0,8 ÷ 0,9. Чем ближе максимум кривой к точке z, тем меньше температура в точке b и экономичнее цикл. У высокооборотных двигателей точка М может находиться вообще за пределами графика (кривая 2 на рис.). У этих двигателей догорание протекает на всем ходе расширения и не заканчивается в точке b; количество подводимого тепла на линии расширения больше отводимого. Экономичность цикла понижается за счет недожога топлива и высокой температуры отработавших газов.

При построении расчетного цикла дизеля кривая расширения условно принимается за политропу со средним показателем политропы n2, постоянным для всего процесса расширения. По аналогии с процессом сжатия, средний показатель n2 принимается таким, чтобы площади под расчетной и истинной кривыми расширения в PV — диаграмме были равными. Величина среднего значения показателя политропы расширения зависит от линейных размеров двигателя, уровня его форсировки, нагрузки, частоты вращения коленчатого вала, физических характеристик топлива и ряда эксплуатационных факторов.

Увеличение линейных размеров цилиндра уменьшает относительную площадь поверхности охлаждения; теплоотвод уменьшается, что приводит к снижению показателя n2. В том же направлении действуют форсировка двигателей наддувом и увеличение нагрузки цилиндра, повышение частоты вращения коленчатого вала, ухудшение физических характеристик топлива, вызывающее снижение скорости его сгорания, изменение эксплуатационных факторов — уменьшение угла опережения подачи топлива, ухудшение распыливания топлива, повышение температуры охлаждающей среды.

Повышение частоты вращения коленчатого вала при прочих равных условиях уменьшает время контакта газов и стенок цилиндра, что уменьшает отвод тепла. Одновременно уменьшаются протечки газа через кольца, увеличивается догорание. Все это способствует уменьшению показателя n2.

Форсировка двигателя или увеличение нагрузки даже при постоянной частоте вращения приводит к увеличению температуры газа, росту теплоотвода и одновременному переносу сгорания на линию догорания. Возрастание IV-ой фазы оказывается определяющим, что и снижает показатель n2. К развитию догорания приводит также ухудшение качества топлива и указанное выше изменение эксплуатационных факторов.

Значения средних показателей политропы расширения для номинальных режимов работы различных двигателей находятся в пределах:

  • n2 = 1,15 ÷ 1,25 — высокооборотные двигатели с неохлаждаемыми поршнями;
  • n2 = 1,25 ÷ 1,28 — среднеоборотные двигатели с охлаждаемыми поршнями;
  • n2 = 1,27 ÷ 1,32 — малооборотные двигатели с охлаждаемыми поршнями.

Меньшие значения n2 у высокооборотных двигателей — из-за догорания на линии расширения и меньшего времени теплоотвода. Параметры цикла в конце процесса расширения находятся из соотношений:

Рb =Pz (Vz /Vb ) n 2 =Pzn 2

Tb =Tz(n 2 -1)

Обычно температура в точке b менее Tв < 1100 + 1200°К — во избежания обгорания выпускных клапанов, головок поршней, пригорания поршневых колец.

Объем в точке b в расчетах теоретических циклов 2-х и 4-тактных дизелей принимается равным объему в точке а цикла: Vв = Va. Влияние действительных углов опережения открытия органов газообмена в дальнейшем учитывается при построении теоретической индикаторной диаграммы путем нанесения действительных моментов на диаграмму и ее исправления от руки.

Давление в точке b находится в пределах:

  • Рв  =(2,5 ÷ 3,5) Pк — малооборотные двигатели;
  • Рв  =(4,0 ÷ 5,5) Pк — высокооборотные двигатели с выпуском через клапаны (здесь Рк — давление надувочного воздуха).

Март, 05, 2015 1127 0
Читайте также