Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

318

Глава 9

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

§ 1. Процессы, происходящие в надпоршневой

полости при сжатии рабочего тела

Действительный процесс сжатия рабочего тела в надпорш-

невой полости начинается после закрытия органов газораспреде-

ления (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). Необходи-

мость предварительного сжатия рабочего тела в действительном

цикле двигателя определяется следующими факторами:

 действительная степень сжатия в традиционных ДВС оп-

ределяет степень расширения продуктов сгорания после ВМТ, от

которой зависит эффективность преобразования теплоты сгорев-

шего топлива в механическую работу;

 от действительной степени сжатия зависит количество

рабочего тела в надпоршневой полости, а соответственно и рабо-

та газов за цикл;

 наличие предварительного сжатия при соответствующей

форме камеры сгорания позволяет создать в надпоршневой по-

лости необходимую интенсивность турбулизации рабочего тела,

определяющую качество процессов смесеобразования, эффек-

тивность сгорания топлива;

 величина действительной степени сжатия определяет на-

дежность воспламенения топлива в двигателях с воспламенением

топлива от сжатия.

Надежность воспламенения топлива в двигателях с воспла-

менением топлива от сжатия зависит не только от действитель-

ной степени сжатия, но и от величины рабочего объема, частоты

вращения коленчатого вала, типа, формы и соотношения геомет-

рических параметров камеры сгорания, типа системы охлажде-

ния, температуры окружающей среды и других факторов. В сов-

319

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, дето-

национной стойкостью топлива и составляет 7–12 при октановом

числе топлива 76–98.

В надпоршневой полости ДВС при сжатии происходит из-

менение давления и температуры смеси газов как вследствие

уменьшения объема надпоршневой полости, так и вследствие

теплообмена между смесью газов и стенками надпоршневой по-

лости; поступления топлива при впрыскивании, испарения топ-

лива с поверхности пленки на стенках надпоршневой полости и с

поверхности капель топлива; перемешивания газов и паров топ-

лива (гомогенизации топливовоздушной смеси), утечки газов че-

рез поршневые кольца [1, 2, 3, 4]. Утечка рабочего тела через

поршневые кольца в течение такта сжатия в технически исправ-

ном двигателе не превышает 1 %. В эксплуатации с увеличением

износов поршневых колец, канавок поршневых колец в поршне,

зеркала цилиндра утечки рабочего тела возрастают и при дости-

жении 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 по-

лость с потоком воздуха через впускной клапан, испарение топ-

лива с поверхности пленки на стенках надпоршневой полости

также оказывает относительно незначительное влияние на изме-

нение давления и температуры рабочего тела в надпоршневой

полости. При внешнем смесеобразовании и коэффициенте избыт-

ка воздуха   1,15, полном испарении цикловой подачи топлива

снижение температуры топливовоздушной смеси в течение такта

впуска и сжатия не превышает 20 К, объемная доля паров топли-

ва в смеси – 1,5 % (табл. 3.1).

Более заметное влияние на протекание процесса сжатия ока-

зывает теплообмен между рабочим телом и стенками надпоршне-

вой 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

320

(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



, 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

для интервала темпе-

ратуры Т

– Т

с

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-



1,2

1,4



Рисунок 9.1 – Схемы диаграмм процесса сжатия

в системе координат р-V и T-S:

– адиабатический процесс сжатия реального ра-

бочего тела при среднем значении показателя

адиабаты сжатия к

в интервале температуры

– Т

с

;

– политропический процесс сжатия с отдачей те-

плоты



от поверхности стенок надпоршне-

вой полости к рабочему телу в начале такта

сжатия, а затем с отдачей теплоты



от рабо-

чего тела к поверхности стенок;

– политропический процесс сжатия с подводом

теплоты



от поверхности стенок надпоршне-

вой полости к рабочему телу в течение всего

такта сж

тия

321

литропы в точке b будет равен показателю адиабаты для темпера-

туры рабочего тела в этой точке.

После точки b отвод теплоты от рабочего тела к поверх-

ности 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



теряемое в стенки надпоршневой полости на этом участке про-

порционально площади под кривой b–с (рис. 9.1). Соотношение

между количеством теплоты



, передаваемой от стенок над-

поршневой полости к рабочему телу и количеством теплоты



теряемой от рабочего тела в стенки, зависит от диаметра цилинд-

ра, частоты вращения коленчатого вала, типа системы охлажде-

ния, температуры окружающей среды, давления наддува, нагруз-

ки и других факторов. С уменьшением диаметра цилиндра и час-

тоты вращения коленчатого вала количество теплоты



, переда-

ваемое от стенок надпоршневой полости к рабочему телу, будет

увеличиваться.

В двигателях с внешним смесеобразованием при повышен-

ных частотах вращения коленчатого вала и нагрузках отдача теп-

лоты



, от стенок надпоршневой полости к рабочему телу

может продолжаться до ВМТ (рис. 9.1). При этом показатель по-

литропы будет увеличиваться.

Рассмотрим, для примера, особенности протекания процесса

сжатия рабочего тела в надпоршневой полости быстроходного

двигателя с внешним смесеобразованием с относительно невысо-

кой геометрической степенью сжатия ( = 8,5) по осциллограм-

мам изменения давления рабочего тела в надпоршневой полости

для двух последовательных циклов: с зажиганием (а) и без зажи-

гания (б) топливовоздушной смеси (рис. 9.2). Поскольку цикл без

зажигания (б) топливовоздушной смеси следовал непосредствен-

но за циклом с зажиганием (а) топливовоздушной смеси тепловой

режим в надпоршневой полости на участках сжатия был иденти-

чен.

После НМТ давление рабочего тела в надпоршневой полос-

ти плавно нарастает и при выключенном зажигании (б) дос-

тигает в ВМТ максимального з начения (абсолютное давление

322

 1,9 МПа). Среднее

значение показателя по-

литропы сжатия рабоче-

го тела n

при условии,

что значение давления

рабочего тела в НМТ

(р

 0,086 МПа

) и в

ВМТ (р

) 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 (n =

= 5600 об/мин, р

= 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 (

 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 каме-

ру сгорания вследствие перепада давлений между надпоршневой

полостью и полостью дополнительной камеры сгорания. Перепад

давлений между надпоршневой полостью и полостью дополни-

тельной камеры сгорания зависит от отношения площади попе-

речного сечения соединительного канала к площади поршня (f

), отношения объема дополнительной камеры сгорания к сум-

НМТ



р,

МПа

0,3

0,4

0,1

0,2

ВМТ

Рисунок 9.2 – Осциллограммы изменения

давления в надпоршневой полости карбю-

раторного двигателя ВАЗ-2103 при пол-

ностью открытой дроссельной заслонке:

S/D = 80/76;  = 8,5; n = 5600 об/мин;

= 0,71 МПа;  = 0,92; 

= 0,81;

1, 2 – отметки электрического разряда на

электродах свечи зажигания и ВМТ;

a, б – изменения давления в надпоршневой

полости в двух последовательных циклах

с зажиганием (a) и без зажигания (б)

топливовоздушной смеси;

3 – отметка времени ( = 1 мс)

323

марному объему надпоршневой полости и дополнительной каме-

ры сгорания (V

к.с

), степени сжатия, скоростного режима рабо-

ты двигателя, местных сопротивлений и других факторов. В

предкамерных дизелях f

 0,01–0,02, V

к.с

= = 0,1–0,3; в

вихрекамерных – f

= 0,02–0,03, V

к.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. Гидравличе-

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.

Рисунок 9.4 – Изменение давления

конца сжатия в дизеле ВАЗ-341

в зависимости от частоты

вращения коленчатого вала

на режимах прокрутки



–

, мин

–

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

3,4

3,8

4,2

4,6

МПа

324

§2 Моделирование процесса сжатия в двигателях

с неразделенными (полуразделенными)

камерами сгорания

Полуразделенные камеры сгорания используются для ин-

тенсификации процессов смесеобразования и сгорания. Дополни-

тельную камеру сгорания при этом выполняют в головке цилинд-

ра или в днище поршня и ее объем составляет 40–80 процентов от

суммарного объема V

(объема дополнительной камеры сгорания

и надпоршневого объема), площадь горловины дополнительной

камеры сгорания – 30–70 процентов площади поршня F

. При

этих соотношениях объемов (V

к.с

), площади горловины допол-

нительной камеры сгорания и площади поршня (f

) перепады

давлений рабочего тела между надпоршневой полостью и по-

лостью камеры сгорания в конце такта сжатия относительно не-

большие ( 0,1 МПа). Интенсивность теплообмена (коэффициент

теплоотдачи 

или удельный тепловой поток q



) при этом замет-

но возрастает вследствие увеличения интенсивности турбулиза-

ции рабочего тела только в конце такта сжатия (50–10 ПКВ до

ВМТ) [4]. Поэтому при моделировании изменения давления и

температуры рабочего тела на такте сжатия как в ДВС с неразде-

ленной камерой сгорания, так и в ДВС с полуразделенной каме-

рой сгорания будем исходить из равновесного состояния рабоче-

го тела в надпоршневой полости.

Из системы уравнений (4.17–4.19) для общего случая массо-

обмена и теплообмена в надпоршневой полости [5] применитель-

но к процессам в надпоршневой полости на такте сжатия измене-

ние давления в надпоршневой полости





























ут

pк

dp , (9.1)

где dМ

ут

– уменьшение массы рабочего тела в надпоршневой по-

лости, обусловленное утечкой рабочего тела через клапаны,

поршневые кольца в течение расчетного промежутка времени d

(в технически исправном двигателе эти потери рабочего тела

пренебрежимо малы); к – показатель адиабаты (

ССк



) для

реального рабочего тела при значении температуры в начале рас-

325

четного промежутка времени; dQ

– потери теплоты от поверх-

ности стенок надпоршневой полости к рабочему телу или от ра-

бочего тела в стенки надпоршневой полости в течение расчетного

промежутка времени; dV

– изменение объема надпоршневой по-

лости, обусловленное перемещением поршня в течение расчетно-

го промежутка времени.

Для конечного значения расчетного промежутка времени 

(конечного значения угла поворота кривошипа  = 1–5 ПКВ)

давление, температура рабочего тела, количество теплоты, пере-

данное от поверхности стенок к рабочему телу или от рабочего

тела к поверхности стенок надпоршневой полости в конце рас-

четного промежутка времени:

i+1

= p

+  p

; (9.2)







 ; (9.3)

т (i+1)

= Q

т i

 Q

т i

, (9.4)

где p

, p

i+1

– значения давления в начале и конце расчетного про-

межутка времени; R – газовая постоянная для 1 кг рабочего тела.

Отдача теплоты Q

т i

от поверхности стенок надпоршневой

полости к рабочему телу или от рабочего тела в стенки надпорш-

невой полости в течение расчетного промежутка времени опре-

деляются по зависимости (4.36). Средние за цикл значения тем-

пературы Т

ст j

и коэффициента теплоотдачи 

т j

для отдельных

элементов поверхности стенок надпоршневой полости принима-

ются по экспериментальным данным или по эмпирическим зави-

симостям для подобных двигателей. Если не учитывать влияние

утечки рабочего тела dМ

ут

через неплотности клапанов и порш-

невых колец, теплообмен между рабочим телом и поверхностями

надпоршневой полости, то зависимость (9.1) приводится к урав-

нению адиабаты в дифференциальной форме с переменным пока-

зателем адиабаты к. В двигателях с частотой вращения коленча-

того вала свыше 1000 об/мин параметры рабочего тела в конце

такта сжатия могут быть определены с погрешностью, не превы-

шающей 1–5 % и при неизменном значении показателя адиабаты,

соответствующем среднему значению температуры рабочего тела

326

в интервале изменения температуры рабочего тела от начала сжа-

тия (от НМТ или момента закрытия органов газораспределения –

точка V на рис. 9.1) до конца такта сжатия без воспламенения

топливовоздушной смеси (точка с на рис. 9.1):

рр 

(9.5)

или

с V

рр



 ; (9.6)





ас

ТТ (9.7)

или

1





с V

ТТ , (9.8)

где к



– средние значения показателя адиабаты сжатия в ин-

тервале изменения температуры Т

– Т

и Т

– Т

Среднее значение показателя адиабаты сжатия в интервале

изменения температуры рабочего тела Т

– Т

или Т

– Т

опреде-

ляется методом последовательных приближений. Принимаем в

первом приближении среднее значение показателя адиабаты сжа-

тия к

= 1,31–1,36 и определяем температуру рабочего тела в

конце такта сжатия





ас

ТТ .

Затем находим среднее значение показателя адиабаты сжатия во

втором приближении в интервале изменения температуры Т

–Т

с1

8314

bа



 , (9.9)

где a, b – постоянные коэффициенты в интерполяционных зави-

симостях молярной теплоемкости от температуры для опреде-

ленного состава рабочего тела в интервале значений температур

–Т

с1

Расчет продолжаем до совпадения последнего значения по-

казателя адиабаты сжатия с предыдущим.

Более точно значения параметров рабочего тела в конце так-

та сжатия могут быть определены, если имеются эксперимен-

тальные средние значения показателя политропы сжатия n

для

327

подобного двигателя и подобного режима работы (по частоте

вращения коленчатого вала и нагрузке).

Принцип построения алгоритма расчета процесса сжатия,

примерно, тот же, что и в ранее рассмотренных случаях на участ-

ках газообмена. Поскольку протекание процессов в надпоршне-

вой полости на участках сжатия, сгорания-расширения непос-

редственно не взаимосвязано с процессами газообмена, рацио-

нально рассматривать их, начиная с момента закрытия впускных

клапанов или окон и до момента начала открытия органов газо-

распределения с учетом особенностей протекания процессов сго-

рания-расширения.

Рассмотрим алгоритм расчета процессов сжатия, сгорания-

расширения в разделе 11.

§3. Моделирование процесса сжатия в двигателях

с разделенными камерами сгорания

В ДВС с разделенными камерами сгорания и площадью по-

перечного сечения соединительного канала, составляющей 1–3 %

от площади поршня, в конце такта сжатия при повышенных час-

тотах вращения коленчатого вала имеет место значительный пе-

репад давления между надпоршневой полостью и полостью до-

полнительной камеры сгорания (рис. 9.3). Поэтому на каждом

расчетном шаге необходимо определять изменение параметров

состояния и количество рабочего тела для каждой из полостей в

отдельности.

В начале первого расчетного промежутка времени (в НМТ

или в момент закрытия органов газораспределения – точка а или

точка V на рис. 9.1) давление рабочего тела в надпоршневой по-

лости и полости дополнительной камеры сгорания практически

одинаковы, поскольку у НМТ массообмен между полостями бу-

дет незначительным, но значения температуры рабочего тела в

этих полостях будут существенно различаться. Температура ра-

бочего тела в полости камеры сгорания Т

будет, примерно, рав-

на температуре Т

остаточных газов (Т

 Т

), а в надпоршневой

полости температура рабочего тела Т

будет определяться соот-

ношением массы свежего заряда и остаточных газов, подогревом