Глава 9

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

§ 1. Процессы, происходящие в надпоршневой полости при сжатии рабочего тела

Действительный процесс сжатия рабочего тела в надпорш­невой полости начинается после закрытия органов газораспреде­ления (40-70 °ПКВ после НМТ в зависимости от особенностей конструкции двигателя и частоты вращения коленчатого вала) и продолжается до начала воспламенения топлива (3-7 °ПКВ до ВМТ в двигателях с воспламенением топлива от сжатия и 0-15° ПКВ до ВМТ в двигателях с искровым зажиганием). Необходи­мость предварительного сжатия рабочего тела в действительном цикле двигателя определяется следующими факторами:

• действительная степень сжатия в традиционных ДВС оп­ределяет степень расширения продуктов сгорания после ВМТ, от которой зависит эффективность преобразования теплоты сгорев­шего топлива в механическую работу;

• от действительной степени сжатия зависит количество рабочего тела в надпоршневой полости, а соответственно и рабо­та газов за цикл;

• наличие предварительного сжатия при соответствующей форме камеры сгорания позволяет создать в надпоршневой по­лости необходимую интенсивность турбулизации рабочего тела, определяющую качество процессов смесеобразования, эффек­тивность сгорания топлива;

• величина действительной степени сжатия определяет на­дежность воспламенения топлива в двигателях с воспламенением топлива от сжатия.

Надежность воспламенения топлива в двигателях с воспла­менением топлива от сжатия зависит не только от действитель­ной степени сжатия, но и от величины рабочего объема, частоты вращения коленчатого вала, типа, формы и соотношения геомет­рических параметров камеры сгорания, типа системы охлажде­ния, температуры окружающей среды и других факторов. В сов­

318

ременных ДВС из условия надежности воспламенения топлива от сжатия действительная степень сжатия составляет 12-22.

В двигателях с искровым зажиганием предельное значение действительной степени сжатия определяется, в основном, дето­национной стойкостью топлива и составляет 7-12 при октановом числе топлива 76-98.

В надпоршневой полости ДВС при сжатии происходит из­менение давления и температуры смеси газов как вследствие уменьшения объема надпоршневой полости, так и вследствие теплообмена между смесью газов и стенками надпоршневой по­лости; поступления топлива при впрыскивании, испарения топ­лива с поверхности пленки на стенках надпоршневой полости и с поверхности капель топлива; перемешивания газов и паров топ­лива (гомогенизации топливовоздушной смеси), утечки газов че­рез поршневые кольца [1, 2, 3, 4]. Утечка рабочего тела через поршневые кольца в течение такта сжатия в технически исправ­ном двигателе не превышает 1 %. В эксплуатации с увеличением износов поршневых колец, канавок поршневых колец в поршне, зеркала цилиндра утечки рабочего тела возрастают и при дости­жении утечек, превышающих 5-10 % от потенциального заряда надпоршневой полости, двигатель подлежит ремонту.

Испарение топлива с поверхности капель при впрыске в надпоршневую полость или поступивших в надпоршневую по­лость с потоком воздуха через впускной клапан, испарение топ­лива с поверхности пленки на стенках надпоршневой полости также оказывает относительно незначительное влияние на изме­нение давления и температуры рабочего тела в надпоршневой полости. При внешнем смесеобразовании и коэффициенте избыт­ка воздуха а = 1,15, полном испарении цикловой подачи топлива снижение температуры топливовоздушной смеси в течение такта впуска и сжатия не превышает 20 К, объемная доля паров топли­ва в смеси - 1,5 % (табл. 3.1).

Более заметное влияние на протекание процесса сжатия ока­зывает теплообмен между рабочим телом и стенками надпоршне­вой полости. В начале такта сжатия температура рабочего тела обычно ниже, чем температура поверхности головки цилиндра (200-350 °С), выпускных клапанов (500-700 °С), днища поршня

319

S

(240-340 °С), цилиндра (100-300°С). Поэтому теплота от стенок надпоршневой полоти передается рабочему телу (участок а-b на рис. 9.1). Количество теплоты Q2, сообщаемое рабочему телу от стенок надпоршневой полости на этом участке, пропорционально площади под кривой а-b. Давление смеси газов в надпоршневой полости на участке а-b будет выше, чем в случае адиабатическо- го сжатия рабочего

тела в надпоршневой полости от точки а до точки с' (рис. 9.1). Если представить из- менение параметров рабочего тела на участке сжатия по- литропой с перемен- ным показателем сте- пени n (кривая 2), то показатель политро- пы сжатия n на этом участке также будет выше, чем среднее значение показателя адиабаты сжатия к_с для интервала темпе- ратуры Та - Тс.

В точке b темпе- ратура рабочего тела достигает значения, при котором подвод теплоты к рабочему телу от элементов по-

верхности стенок надпоршневой полости с температурой более высокой, чем температура рабочего тела, будет равен отводу теп- лоты от рабочего тела к элементам поверхности стенок надпорш- невой полости с температурой более низкой, чем температура ра- бочего тела, т.е. тепловые потоки будут равны. Показатель по-

Рисунок 9.1 - Схемы диаграмм процесса сжатия в системе координат р-V и T-S:

1. - адиабатический процесс сжатия реального ра­

бочего тела при среднем значении показателя адиабаты сжатия к_с в интервале температуры _Т - _Т•

¹ а ¹ с 5

2. - политропический процесс сжатия с отдачей те­

плоты Q2 от поверхности стенок надпоршне- вой полости к рабочему телу в начале такта сжатия, а затем с отдачей теплоты Q2 от рабо­чего тела к поверхности стенок;

3. - политропический процесс сжатия с подводом

теплоты Q3 от поверхности стенок надпоршне-

вой полости к рабочему телу в течение всего такта сжатия

320

литропы в точке b будет равен показателю адиабаты для темпера­туры рабочего тела в этой точке.

После точки b отвод теплоты от рабочего тела к поверх­ности стенок надпоршневой полости будет превосходить подвод теплоты к рабочему телу от отдельных элементов поверхности стенок с высокой температурой. Показатель политропы сжатия будет меньше, чем показатель адиабаты. Количество теплоты Q2, теряемое в стенки надпоршневой полости на этом участке про­порционально площади под кривой b-с (рис. 9.1). Соотношение между количеством теплоты Q2, передаваемой от стенок над­поршневой полости к рабочему телу и количеством теплоты Q2, теряемой от рабочего тела в стенки, зависит от диаметра цилинд­ра, частоты вращения коленчатого вала, типа системы охлажде­ния, температуры окружающей среды, давления наддува, нагруз­ки и других факторов. С уменьшением диаметра цилиндра и час­тоты вращения коленчатого вала количество теплоты Q2, переда­ваемое от стенок надпоршневой полости к рабочему телу, будет увеличиваться.

В двигателях с внешним смесеобразованием при повышен­ных частотах вращения коленчатого вала и нагрузках отдача теп­лоты Q3, от стенок надпоршневой полости к рабочему телу

может продолжаться до ВМТ (рис. 9.1). При этом показатель по­литропы будет увеличиваться.

Рассмотрим, для примера, особенности протекания процесса сжатия рабочего тела в надпоршневой полости быстроходного двигателя с внешним смесеобразованием с относительно невысо­кой геометрической степенью сжатия (в = 8,5) по осциллограм­мам изменения давления рабочего тела в надпоршневой полости для двух последовательных циклов: с зажиганием (а) и без зажи­гания (б) топливовоздушной смеси (рис. 9.2). Поскольку цикл без зажигания (б) топливовоздушной смеси следовал непосредствен­но за циклом с зажиганием (а) топливовоздушной смеси тепловой режим в надпоршневой полости на участках сжатия был иденти­чен.

После НМТ давление рабочего тела в надпоршневой полос­ти плавно нарастает и при выключенном зажигании (б) дос­тигает в ВМТ максимального з начения (абсолютное давление

321

р_с » 1,9 МПа). Среднее значение показателя по- литропы сжатия рабоче- го тела n_c при условии, что значение давления рабочего тела в НМТ (р_а » 0,086 МПа*) и в ВМТ (р_с) в условном по- литропическом процессе и в действительном про- цессе одинаковы, при- мерно равно 1,44. Столь высокие значения сред- него показателя полит- ропы сжатия на рас- сматриваемом режиме работы двигателя (п = = 5600 об/мин, р_е = 0,71 МПа) обусловлены по- вышенным разрежением в надпоршневой полости в НМТ (0,015 МПа*), предопределяющим до- зарядку надпоршневой

полости к моменту закрытия впускного клапана (ф₄ = 60 °ПКВ после НМТ), и интенсивным подогревом топливовоздушной сме- си от стенок надпоршневой полости. Данному режиму работы двигателя на рис. 9.1 соответствуют кривые 3.

В двигателях с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные и предкамерные дизели) на такте сжатия имеет место перетекание рабочего тела из надпоршневой полости в дополнительную каме­ру сгорания вследствие перепада давлений между надпоршневой полостью и полостью дополнительной камеры сгорания. Перепад давлений между надпоршневой полостью и полостью дополни­тельной камеры сгорания зависит от отношения площади попе­речного сечения соединительного канала к площади поршня f /F^, отношения объема дополнительной камеры сгорания к сум­

Рисунок 9.2 - Осциллограммы изменения давления в надпоршневой полости карбю­раторного двигателя ВАЗ-2103 при пол­ностью открытой дроссельной заслонке:

S/D = 80/76; £ = 8,5; п = 5600 об/мин; р_е = 0,71 МПа; а = 0,92; = 0,81;

1, 2 - отметки электрического разряда на электродах свечи зажигания и ВМТ; а, б - изменения давления в надпоршневой полости в двух последовательных циклах с зажиганием (а) и без зажигания (б) топливовоздушной смеси;

3 - отметка времени (Ах = 1 мс)

322

марному объему надпоршневой полости и дополнительной каме- ры сгорания (Рк._с /К_с), степени сжатия, скоростного режима рабо- ты двигателя, местных сопротивлений и других факторов. В предкамерных дизелях f F < 0,01-0,02, У_к._с /У_с = = 0,1-0,3; в вихрекамерных - f /F_п = 0,02-0,03, У_к._с /У_с = 0,6-0,8. Макси- мального значения перепад давления между полостью над- поршневого объема и полостью дополнительной камеры сгора- ния, а соответственно и максимальная скорость потока в соеди- нительном канале, достигает за 10-20 °ПКВ до ВМТ (рис. 9.3). При этом максимальное давление газов в камере сгорания смеща- ется за ВМТ. С уменьшением частоты вращения коленчатого ва- ла максимальное значение давления газов в надпоршневой по- лости и в камере сгорания будет смещаться к ВМТ. Г идравличе- ские потери в соединительном канале на перетекание в зависимо- сти от частоты вращения коленчатого вала (2000-5000 об/мин) изменяются в пределах 0,01-0,03 МПа.

Применение дополнительной камеры сгорания увеличивает площадь поверхности стенок надпоршневого объема (при поло- жении поршня в ВМТ) в предкамерных дизелях на 10-20 %, в вихрекамерных - на 20-30 %. Соответственно возрастают потери

теплоты от рабочего тела в стенки надпоршневой по- лости, понижается темпе- ратура и давление рабочего тела в конце такта сжатия (рис. 9.4). Представленные на рис. 9.4 данные опреде- лены по индикаторным диаграммам, снятым элек- тропневматическим инди- катором с клапанным дат- чиком при смещении про- цесса сгорания на такт расширения путем умень-

шения угла опережения впрыска топлива. Погрешность опреде- ления давления в надпоршневой полости при этом не превышала

0. 005 МПа.

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 n-10 ³, мин¹

Рисунок 9.4 - Изменение давления конца сжатия в дизеле ВАЗ-341 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала на режимах прокрутки

323