ничения степени сжатия заключается в том, что увеличение е вызывает повышение давления конца сжатия и, соотвегсгвенно, максимального давления сгорания. В результате чрезмерные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм приводят к необходимостиутяжеления деталей этого механизма и двигателя в целом. Кроме того, повышенное максимальное давление на поршень увеличивает затрату мощности на преодоление сопротивлений трения в двигателе. При увеличении степени сжатия в области высоких ее значений (е = 20 и выше) использование теплоты повышается весьма незначительно. Таким образом, применение чрезмерно высоких степеней сжатия оказывается нерациональным.
Теплообмен в процессе сжатия и показатель политропы
Механическая работа, затрачиваемая извне на сжатие, расходуется на изменение внутренней энергии сжимаемого рабочего тела и сопровождается обменом теплоты с внешней средой (через.стенки). Это последнее обстоятельство и отличает протекание сжатия в действительном процессе от термодинамического цикла, в котором процесс сжатия принимается адиабатическим.
Для различных моментов протекания процесса сжатия направление теплового потока различно. В начальный период сжатия, после закрытия впускного клапана, продувочных или выпускных окон, температура заряда, заполнившего цилиндр, ниже температуры поверхностей, окружающих сжимаемое рабочее тело (гильзы цилиндра, головки и.,днища поршня). Поэтому в первой части хода сжатия сжимаемое рабочее тело дополнительно нагревается от этих поверхностей В этот период затрата внешней механической работы сопровождается получением теплоты от внешней среды, и, следовательно, показатель политропы п больше показателя адиабаты k. В процессе сжатия с повышением температуры сжимаемоготела уменьшается относительное количество теплоты, получаемое от стенок, поэтому показатель политропы непрерывно уменьшается, В тот бесконечно короткий период времени, когда средняя температура внутренних поверхностей цилиндра и температура сжимаемого» газа равны между собой, теплообмена не наблюдается, т. е. получается мгновенный адиабатический процесс {п - k). Дальнейшее повышение температуры газа изменяет направление теплового потока: сжатие начинает сопровождаться отдачей теплоты стенкам цилиндра и поршню, при этом показатель политропы становится меньше показателя адиабаты (rt<fe) и непрерывно уменьшается вследствие повышения температуры в цилиндре. Отдача теплоты во время второй части хода скатия частично ослабляется вследствие того, что относительная поверхность охлажденная, приходящаяся на 1 кг сжимаемого газа, постепенно уменьшается с приближением поршня к в м. т. На изменение величины /7j влияет также зависимость теплоемкости от температуры.
Таким образом, сжатие рабочего тела в действительном рабочем цикле представляет собой процесс с переменным показателем. Практически переменный показатель политропы заменяется некоторы.м средним показателем величина которого лежит в пределах 1,32-7-1,39. Эти цмфры указывают на то, что за весь период сжатия в ,бол,ьшинстве случаев пг>„;учается отдача некоторого количества теплоты. Однако общая отдача теплоты незначительна и поэтому процесс сжатия в двигателях протекает обычно очень близко к адиабатическому.
Основными факторами, влияющими на показатель ./Zj, являются интенсивность охлаждения двигателя, число оборотов коленчатого вала и размеры цилиндра. . ,м
Влияние охлаждения цилиндра совершенно очевидно: при пониженных температурах стенок отвод теплоты от сжимаемого газа более интенсивен, т. е. понижается средний показатель политропы сжатия. Вследствие этого.
например, двигатели с воздушным охлаждением характеризуются более высокими значениями п,, чем двигатели с жидкостным охлаждением.
Влияние числа оборотов сказывается на суммарном количестве теплоты,, которое отдается стенкам за период сжатия. Общая продолжительность процесса обратно пропорциональна числу оборотов коленчатого вала и* поэтому с увеличением числа оборотов средний показатель политропы сжатия увеличивается.
Неплотность поршневых колец и клапанов также влияет на величину показателя политропы сжатия, вызывая его понижение. В двигателях с большими геометрическими размерами цилиндра средний показатель политропы сжатия обычно несколько выше вследствие того, что относительная поверхность охлаждения, приходящаяся на 1 /сг • сжимаемого газа, изменяется обратно пропорционально диаметру цилиндра.
Влияние нагрузки на процесс сжатия крайне незначительно. Точно так же весьма незначительна и зависимость показателя политропы от степени ежа ти я дв и гател я.
Параметры конца сжатия и конца впуска связаны между собой уравнением политропы сжатия. Обычно эта связь выражается в следующем виде : давление конца сжатия
температура конца сжатия
n = (109>
Тепловой баланс в процессе сжатия
Средний показатель политропы сжатия в частном случае адиабаты сжатия можно получить, применяя метод Е. К. Мазинга, заключающийся в составлении баланса теплоты в процессе сжатия.
На основании первого принципа термодинамики
Qc=Uc-U-\-AL,c, (ПО
где и и - внутренняя энергия сжимаемого рабочего тела в точках с и а цикла;
= ОЯц - количество теплоты, получаемой от стенок между точками а и с цикла вследствие внешнего теплообмена;
работе политропического сжатия рабочего тела между точками а и с цикла. Количество сжимаемого рабочего тела составляет кгмоль свежего заряда и Mj. кг моль остаточных газов.
В соответствии с этим уравнение (110) выразится в развернутом виде следующим образом:
где и и и" -внутренняя энергия 1 /сг жоль свежего заряда и остаточных газов;
•& - количество теплоты, характеризующее теплообмен в период сжатия, выраженное в долях теплотворной способности топлива Н„.
При этом предполагается, что впускной клапан закрывается в н. м. т., а давление в цилиндре при этом положении поршня равно р.
с а
Ге"--273. (115)
Полученная система уравнений решается методом подбора.
Если процесс сжатия принимают адиабатическим, то = О, и, следова-
тельно, член также равен нулю, и =
В двигателях с разделенными камерами сгорания, состоящими из двух и более полостей, соединенных узкими каналами, изменение параметров рабочего тела в процессе сжатия значительно сложнее. В таких камерах сжимаемое рабочее тело перетекает из одной камеры в другую, в результате чего давления в отдельных камерах в один и тот же момент различны. Различие в давлениях определяется также неодинаковыми условиями охлаждения рабочего тела в отдельных камерах и каналах. Изменение количества рабочего тела и теплообмена приводит к тому, что показатели политропических кривых, описывающих изменение давления при сжатии в ра.личных камерах, также отличаются один от другого и всегда имеют меньшие значения, чем в двигателях с неразделенными камерами, вследствие более интенсивной отдачи теплоты. Более подробно процессы сжатия в двигателях с разделенными камерами рассмотрены в гл. XI.
Ввиду сложности учета конструктивных особенностей камер сгорания (форма, условия теплообмена и др.) при тепловом расчете двигателей с разделенными камерами расчет параметров рабочего тела в конце сжатия обычно проводят так же, как для двигателей с неразделенными камерами, и лишь в дальнейшем вводят экспериментальные поправки в конечные результаты теплового расчета.
После преобразования левой части уравнения и почленного деления на Ml
Uc-{-iuc-u,-iv:-i\+-{)-{T,-T,:,! (Ill)
В частном случае, когда свежий заряд считают состоящим только из воздуха и когда а>1, при применении табличных значений внутренней энергии 1 кг моль продуктов сгорания топлива среднего состава при а = 1, выражение (U1) удобнее преобразовать, воспользовавшись формулами (69), (70) и (72).
Тогда
где и - внутренняя энергия свежего заряда при температуре соответствующей точки цикла, указанной индексом; Uq - внутренняя энергия продуктов сгорания при а = 1 и температуре соответствующей точки цикла, указанной индексом;
Га и Го выражаются формулами (69) и (70).
Уравнение (111) дает одну связь между средним показателем политропы «i и температурой (температура известна). Второй связью между этими величинами является уравнение (109)
