Конспект лекции Процесс сжатия

§ 1.5. Процесс сжатия

Характер теплообмена. Степень сжатия.  Показатель политропы. Параметры конца процесса

Процесс сжатия происходит при перемещении поршня от начала закрытия выпускных органов (точка а) до ВМТ поршня (точка с). В дизелях можно допустить, что

в процессе сжатия не происходит изменения состава и массы рабочего тела. Объем и масса впрыскиваемого в конце хода сжатия топлива составляют незначительную величину, утечки рабочего тела через уплотнительные кольца в исправном судовом дизеле практически отсут­ствуют.

Задачей расчета сжатия является определение давления и температуры рабочего тела (смесь свежего заряда воздуха и ос­таточных газов) в конце сжатия р_с и Т_с.

Сжатие представляет собой сложный процесс, который сопровождается в начальной стадии подо­гревом рабочего тела от нагретых деталей цилинд­ра. По мере сжатия давле­ние и температура рабо­чего тела возрастают и в заключительной стадии направление теплового потока изменяется - тепло отводится от рабочего тела в стенки цилиндра.

Рис. 1.14 иллюстрирует качественную картину сжатия. Теоретическая кривая сжатия показана штриховой линией a-c. Так как в ходе сжатия температура возрастает, то показатель адиабаты сжатия к₁ несколько снижается (показано штриховой линией). Действительная кривая сжатия на рисунке показана сплошной линией а-с.

Сопоставление кривых сжатия показывает, что в начальной стадии сжатия в связи с подогревом рабочего тела действитель­ная кривая расположена выше теоретической. В некоторый мо­мент (точка 1 на рисунке) она пересекает теоретическую кри­вую. В этот момент температура рабочего тела и стенок цилин­дра равны и теплообмен отсутствует (квазиадиабатная точка), в дальнейшем линия сжатия проходит ниже теоретической из-за отвода тепла. В связи с отводом тепла давление и температура рабочего тела в конце сжатия в действительном цикле ниже, чем в теоретическом.

Для расчета параметров в конце сжатия используются уравнения политропного процесса

pVⁿ = const и TV^n-1 = const. (1.30)

Для точного описания действительного процесса сжатия показатель политропы п в уравнениях (1.30) должен быть пере­менным по ходу сжатия, как показано на рис. 1.14 (здесь n=п₁'). По опытным данным для судовых дизелей диапазон изменения п₁' - от 1,5 в начале сжатия, до 1,1 у ВМТ.

Расчет процесса сжатия с переменным показателем был бы чрезмерно сложным, поэтому в теории ДВС принято, что сжа­тие происходит по политропе с условным средним постоянным показателем политропы n_х. Для минимизации погрешности в определении параметров р_с и Т_с величину n_х выбирают таким образом, чтобы при расчете с выбранным значением постоянно­го показателя получалась та же работа сжатия, что и при истин­ном переменном показателе.

Наиболее простой метод определения среднего показателя политропы сжатия и состоит в следующем. При наличии экспе­риментальной индикаторной диаграммы по ней определяют давления в начале и конце сжатия - р_аэ и р_сэ. Запишем уравне­ния  политропного  процесса для  начала и  конца сжатия р_аэ V_aⁿ¹= р_cэ V_cⁿ¹.^.Прологарифмировав и преобразовав это уравнение, получим расчетную формулу в виде

 

Для двухтактных дизелей в уравнение (1.31) подставляется значение действительной степени сжатия. В расчетах при про­ектировании дизелей используют более сложную методику оп­ределения среднего показателя политропы сжатия.

По опытным данным в судовых малооборотных и средне­оборотных дизелях n₁=1,34-1,37, в высокооборотных – п₁=1,38-1,39. Значение среднего показателя политропы зависит от соотношения между количеством тепла, подведенно­го к рабочему телу в начале сжатия и отведенного в конце (см. рис. 1.14). В судовых дизелях с наддувом используется ин­тенсивное охлаждение поршней, поэтому у них теплоотвод пре­обладает, и  - среднее значение показа­теля адиабаты сжатия. В высокооборотных дизе­лях с неохлаждаемыми поршнями вследствие преобладания по­догрева рабочего тела при сжатии значения n₁ могут превышать k_1Cp, а в дизелях с воздушным охлаждением цилиндров даже достигать значения 1,42.

Давление и температура рабочего тела в конце сжатия мо­гут быть получены из уравнений политропных процессов, запи­санных в виде

Решим уравнения политроп относительно р_с и Т_с

В формулах (1.33 и 1.34) для двухтактных двигателей запи­сывается действительная степень сжатия.

Из полученных формул следует, что параметры рабочего тела в конце сжатия пропорциональны их значениям в начале сжатия и зависят от степени сжатия. В современных высокофор­сированных дизелях р_с на полной нагрузке достигает 120-140 бар при степени сжатия 12-14. Это обусловлено тем, что давле­ния р_с, р_а и р_s связаны между собой примерно пропорциональ­ной зависимостью. По этой же причине при уменьшении на­грузки дизеля р_с снижается, достигая значений 35-37 бар на ре­жиме малого хода (или холостого хода при работе с постоянной частотой вращения).

В отличие от давления, Т_с изменяется незначительно и для разных дизелей составляет 850-950 К ( при изменении нагрузки дизеля Т_с также существенно не изменяется). Постоянство Т_с объясняется тем, что температура в начале сжатия не изменяет­ся вследствие поддержания температуры надувочного воздуха в продувочном ресивере в узких пределах, так как Т_а примерно пропорциональна T_s.

При пуске холодного двигателя из-за усиленного теплоотвода в стенки цилиндра п₁ снижается до 1,2-1,25, поэтому тем­пература в конце сжатия будет низкой. В связи с этим степень сжатия при проектировании дизелей выбирают достаточной для обеспечения устойчивого самовоспламенения топлива на пуско­вых режимах. Нижний ее предел для судовых дизелей составля­ет ε_min =11, что обеспечивает Т_с не менее 800° К и гарантирует их надежный пуск при температуре воздуха в машинном отде­лении +7°С (это требование к судовым дизелям выдвигается классификационными обществами, в частности Российским Морским Регистром Судоходства). В высокооборотных дизелях с полуразделенными и разделенными камерами сгорания, имею­щими относительно большую суммарную поверхность теплоотвода для обеспечения пуска степень сжатия может со­ставлять 18-23.

Верхний предел для ε обусловлен необходимостью ограни­чения максимального давления сгорания, которое связано с ве­личиной давления надува В современных судовых дизелях с наддувом p_z = 140-180 бар и более, поэтому для его ограничения степень сжатия со­ставляет 14-15. По мере совершенствования конструкции, будет обеспечиваться прочность и надежность двигателя при больших значениях p_z, поэтому верхний предел ε может изменяться в сто­рону увеличения.

Отмеченное касается дизелей с обычной организацией ра­бочего процесса, когда топливо подается в цилиндр до ВМТ поршня и действительный цикл имеет своим аналогом идеаль­ный термодинамический цикл со смешанным подводом тепла. Некоторые дизелестроительные концерны (например, финский концерн «Вяртсиля») оптимизировали рабочие циклы судовых среднеоборотных дизелей с целью снижения образования в ци­линдрах экологически вредных оксидов азота. Для этого приме­няется позднее начало подачи топлива в цилиндр, а для сохра­нения КПД существенно повышается степень сжатия (см. раз­дел 1.1). Величина степени сжатия подбирается с таким расче­том, чтобы р_с достигло уровня p_z (180-190 бар). Вследствие поздней подачи топлива его сгорание происходит после ВМТ и р_z лишь незначительно превышает р_с. Рабочий цикл в этом слу­чае похож на идеальный цикл Дизеля.

Литература

1.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с.  Страницы 30-33

2.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2008.- 470 с.  Страницы 38-43

3.Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. - 360 с

Страницы 217-220