Экспериментальные значения  для дизелей с различными камерами сгорания

Тип камеры сгорания	
Неразделённые (с непосредственным впрыскиванием топлива) и без организованного завихривания воздуха.	1,8…2,2
Полуразделённые с организованными завихриваниями воздуха.	1,6…1,8
Разделённые.	1,4…1,6

При необходимости определения степени предварительного расширения при подводе тепла при постоянном давлении (ρ) можно воспользоваться соотношением λρ = μT_z/T_c .

Параметры рабочего тела в конце сгорания в двигателях с принудительным воспламенением рассчитываются в предположении, что все топливо сгорает при постоянном объеме.

В этом случае работа газов в процессе сгорания равна нулю и уравнение баланса энергии запишется как:

μ u_z'' - u_c/ (1+ γ_r) - u_c^''γ_r / (1+ γ_r) = ξ χ H_u /M₁ (1+ γ_r),

после преобразований получим:

ξ χ H_u /[M₁ (1+ γ_r)] + [(u_c+ γ_r u_c^'')/ (1+ γ_r)] = μ u_z'' (43)

Как и в предыдущем уравнение (43) решается путем подбора удовлетворяющей его температуры. Расчетное давление в конце сгорания определяется с помощью уравнения состояния или из выражения :

λ = μ(T_z /T_c ) и (p_z)_расч = λp_c . (44)

Расчетное давление получено в предположении мгновенного сгорания топлива, оно несколько завышено по отношению к реализуемым на практике давлениям. Это обстоятельство учитывают поправочным коэффициентом φ_р = 0,8 – 0,9, тогда действительное давление определится как:

(p_z)_действ = φ_р (p_z)_расч (46)

Для бензиновых двигателей принимают _z = 0,85…0,92; для газовых – 0,8…0,85.

Обычно температура рабочего тела в конце изохорного сгорания находится в пределах 2500…2800 К (применительно к режимам полных нагрузок).

Для двигателей с внешним смесеобразованием МПа

Процесс расширения (описание политропой)

В термодинамическом цикле процесс расширения принят адиабатическим, однако в действительном цикле расширение продуктов сгорания сопровождается теплообменом со стенками, догоранием топлива, рекомбинацией диссоциированных компонентов продуктов сгорания с выделением тепла. Интенсивность этих процессов меняется в течение процесса расширения. Здесь сказывается

Интенсивность теплообмена со стенками зависит от перепада температур и площади открытой поршнем поверхности стенок рабочей камеры. По мере расширения температура рабочего тела снижается, площадь же теплообмена увеличивается. Взаимодействие этих факторов дает сложную картину теплообмена. Однако, в начальной части расширения интенсивность теплообмена и суммарное количество отданного в стенки тепла оказываются больше нежели в заключительной.

Интенсивность догорания и рекомбинации также не постоянны. Догорание быстрее проходит при высоких температурах, т.е. в начале расширения. Рекомбинация заметна лишь при некотором снижении температуры и ускоряется по мере ее снижения. Возможна «закалка». Суммарное тепловыделение максимально в начале расширения и затухает по мере приближения к НМТ. Суммарная теплота, подведенная в процессе расширения Q_zb = (ξ_b – ξ_z)χH_u ,

ξ_b – коэффициент использования теплоты в точке b цикла.

Наиболее простым способом описания процесса расширения является описание его политропой с показателем n₂. Принятое значение показателя должно обеспечить правильные результаты вычислений параметров рабочего тела в конце расширения (точка b индикаторной диаграммы).

Строго говоря, показатель политропы расширения должен быть переменным. В начале расширения в связи с тепловыделением правильное описание кривой расширения дает политропа с показтелем меньше показателя адиабаты (n₂< k₂), далее по мере расширения показатель растет и к концу расширения становится больше показателя адиабаты (n₂> k₂).Здесь сказывается отсутствие тепловыделения и наличие отдачи тепла в стенки. Однако, в связи с трудностью использования переменного показателя как и при расчете процесса сжатия принято использовать политропу с постоянным средним значением показателя.

Тогда параметры рабочего тела в конце расширения для дизеля определятся из уравнения политропы с учетом предварительного расширения как:

p_b = (V_z / V_b)ⁿ²p_z = p_z /δⁿ² (47)

T_b = T_z /δ^n2-1 (48)

Значение δ может быть определено также из соотношения ε=ρδ.

Для бензиновых двигателей с изохорным подводом тепла:

p_b = p_z / εⁿ² (49)

T_b = T_z /ε^n2-1 (50)

Значение принимаемого показателя политропы могут рассчитываться или приниматься из опытных данных. Обычные значения показателя:

для бензиновых двигателей n₂ = 1,22 – 1,28,

для дизелей без наддува n₂ = 1,15 – 1,26.

Показатель адиабаты продуктов сгорания k₂ = 1,3 – 1,33, видим, что средний показатель политропы расширения всегда меньше показателя адиабаты, т.е. догорание и рекомбинация оказывают большее влияние, чем теплоотдача в стенки.

Для правильного выбора значения показателя из приведенных диапазонов необходимо учитывать влияние различных факторов на показатель.

Изменение скорости сгорания. При изменении скорости сгорания при прочих равных условиях изменяется количество топлива успевающего сгореть в период видимого сгорания, т.е. изменяется ξ_z. При уменьшении скорости сгорания уменьшается ξ_z и на линии расширения выделяется большее количество тепла и для учета этого фактора необходимо принимать меньшие значения показателя политропы расширения.

Скоростной режим. С ростом частоты вращения уменьшается время, отводимое на сгорание. В связи с этим увеличивается количество тепла, выделяемого на линии расширения. Далее как в предыдущем.

Размеры цилиндра. При увеличении размера цилиндра уменьшается площадь теплообмена, приходящаяся на единицу массы рабочего тела. что ведет к уменьшению относительных теплопотерь в стенку. Показатель политропы уменьшается.

Влияние наддува. Здесь также уменьшается площадь теплообмена, приходящаяся на единицу массы заряда, уменьшаются относительные теплопотери.

Определение среднего показателя политропы расширения

В отдельных случаях, особенно при расчете двигателей с наддувом, целесообразно определять значение политропы расширения расчетным путем. Это может быть сделано с использованием уравнения первого закона термодинамики, записанного для процесса расширения:

Q_zb = U_b – U_z + L_zb (51)

Ранее было принято, что в процессе расширения также выделяется некоторое количество тепла и это сказывается на протекании расширения, т.е. на значении показателя политропы. С использованием принятых ранее коэффициентов использования тепла ξ_z.и ξ_b.тепловыделение на линии расширения может быть записано как:

Q_zb = (ξ_b – ξ_z)χH_u . (52)

Изменение внутренней энергии продуктов сгорания в процессе расширения является разностью:

U_b – U_z = (M₂ + M_r) u_b'' - (M₂ + M_r) u_z''= (M₂ + M_r) (u_b'' - u_z'') (53)

Работа газов при расширении с использованием уравнения состояния определится как:

L_zb = [1/(n₂ – 1)](P_zV_z – P_bV_b) = (M₂ + M_r)[R/(n₂ – 1)](T_z – T_b) (54)

После подстановки (52), (53), (54) в (51), имея в виду, что

(M₂ + M_r) = M₁ (μ₀ + γ_r), делим полученное выражение на M₁ (μ₀ + γ_r) и получаем далее:

(ξ_b – ξ_z)χH_u /[ M₁ (μ₀ + γ_r)] = [R/(n₂ – 1)](T_z – T_b)+ (u_b'' - u_z'') (55)

В этом уравнении 2 неизвестных - T_b и n₂, в качестве второго уравнения для двигателей с принудительным воспламенением или дизелей берутся соответственно

T_b = T_z /ε^n2-1 или T_b = T_z /δ^n2-1 (56)

Уравнения (55) и (56) решаются методом подбора.

Из анализа (55) следует, что показатель политропы расширения зависит от количества подведенной в процессе расширения теплоты, она пропорциональна величине (ξ_b – ξ_z), состава продуктов сгорания и температурных пределов цикла, т.к. от этого зависят значения теплоемкости газовой смеси.

По экспериментальным данным ξ_b = 0,82 – 0,87, в комбинированных двигателях может достигать 0,92.