Процесс расширения в двс кратко
Обновлено: 01.07.2024
Назначение и протекание процесса расширенияПроцесс расширения является единственным процессом рабочего цикла, в течение которого совершается полезная работа. Начинается он с началом снижения давления в цилиндре и заканчивается к моменту прихода поршня в НМТ.
Расширение происходит при изменении площади поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве и сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые уплотнения.
В начальной стадии расширение происходит с подводом теплоты, так как в это время заканчивается догорание и наблюдается рост температуры. Поэтому значение показателя политропы расширения n ниже показателя адиабаты расширения k, в некоторых случаях даже меньше 1. По мере движения поршня к НМТ процесс догорания затихает и начинает преобладать теплоотвод в стенки цилиндра. При этом n растет, приближаясь к значению k.
При некотором положении поршня отвод теплоты и в то же время продолжающийся, но ослабевающий подвод теплоты становятся равными: n = k.
При дальнейшем расширении отвод теплоты от рабочего тела начинает преобладать, и n становится больше k.
Таким образом, расширение следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы расширения n (рис. 20).
Рис. 20. Изменение в процессе расширения показателей Т, р, n2 и k2.
Из-за трудности использования переменных значений n при тепловых расчетах двигателей пользуются условным средним значением показателя политропы расширения.
В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние значения политропы расширения изменяются от 1,18 до 1,32. Рассматривая влияние различных факторов на процесс расширения, следует иметь в виду, что чем меньше значение n2, тем индикаторная диаграмма будет более пологой, что означает получение большей полезной работы цикла.
На процесс расширения оказывают влияние следующие факторы: 1. Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала сокращается время контакта рабочего тела со стенками цилиндра и утечки газа через зазоры между поршнем и цилиндром, что приводит к уменьшению значения n2.
2. Нагрузка. В карбюраторных двигателях с ростом нагрузки значение показателя n почти не изменяется, в дизелях этот показатель уменьшается вследствие увеличения фазы догорания.
3. Размеры цилиндров. При неизменном рабочем объеме цилиндра с увеличением отношения S/D значение показателя n уменьшается.
4. Конструкция камеры сгорания. С увеличением размеров камеры сгорания повышается отвод теплоты от рабочего тела, поэтому значение показателя n увеличивается.
5. Техническое состояние двигателя. При износе цилиндропоршневой группы возрастают утечки рабочего тела, что аналогично отводу теплоты. Поэтому в изношенных двигателях значение показателя будет выше, чем у двигателей, имеющих хорошее техническое состояние.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
В реальном двигателе процесс сгорания начинается до прихода поршня в ВМТ и не заканчивается после окончания подачи топлива в цилиндр, а продолжается на линии расширения. IV-я фаза процесса сгорания (догорание) оказывает значительное влияние на характер процесса расширения. Это влияние может быть проиллюстрировано с помощью кривой использования тепла ξ = f(V), данной на рис.
Рис. 1 Характер изменения коэффициента использования тепла ξ(V) в цилиндре малооборотного (1) и быстроходного (2) дизеляОсновная доля тепла подводится на участке z1z рабочего хода. Однако за счет догорания правее точки z коэффициент ξ продолжает увеличиваться, достигая максимума в точке М. При этом в начале процесса расширения (у точки z) из-за влияния догорания показатель политропы расширения составляет величину n2 = 1,0 ÷ 1,1.
При движении поршня от ВМТ к НМТ догорание уменьшается; в то же время, увеличивается поверхность охлаждения цилиндра и соответственно увеличивается отвод тепла. Наконец, в точке М количество подводимого тепла становится равным количеству отводимого тепла. При этом мгновенное значение показателя n равно показателю адиабаты: n = k.
При дальнейшем движении поршня к НМТ процесс расширения протекает с отводом тепла, величина ξ уменьшается. В конце расширения показатель n равен: n = 1,5 ÷ 1,6.
Как правило, в судовых дизелях максимум кривой ξ = f(V) находится между точками z и b. В точке b коэффициент использования тепла равен: ξв = 0,8 ÷ 0,9. Чем ближе максимум кривой к точке z, тем меньше температура в точке b и экономичнее цикл. У высокооборотных двигателей точка М может находиться вообще за пределами графика (кривая 2 на рис.). У этих двигателей догорание протекает на всем ходе расширения и не заканчивается в точке b; количество подводимого тепла на линии расширения больше отводимого. Экономичность цикла понижается за счет недожога топлива и высокой температуры отработавших газов.
При построении расчетного цикла дизеля кривая расширения условно принимается за политропу со средним показателем политропы n, постоянным для всего процесса расширения. По аналогии с процессом сжатия, средний показатель n принимается таким, чтобы площади под расчетной и истинной кривыми расширения в PV — диаграмме были равными. Величина среднего значения показателя политропы расширения зависит от линейных размеров двигателя, уровня его форсировки, нагрузки, частоты вращения коленчатого вала, физических характеристик топлива и ряда эксплуатационных факторов.
Увеличение линейных размеров цилиндра уменьшает относительную площадь поверхности охлаждения; теплоотвод уменьшается, что приводит к снижению показателя n. В том же направлении действуют форсировка двигателей наддувом и увеличение нагрузки цилиндра, повышение частоты вращения коленчатого вала, ухудшение физических характеристик топлива, вызывающее снижение скорости его сгорания, изменение эксплуатационных факторов — уменьшение угла опережения подачи топлива, ухудшение распыливания топлива, повышение температуры охлаждающей среды.
Повышение частоты вращения коленчатого вала при прочих равных условиях уменьшает время контакта газов и стенок цилиндра, что уменьшает отвод тепла. Одновременно уменьшаются протечки газа через кольца, увеличивается догорание. Все это способствует уменьшению показателя n.
Форсировка двигателя или увеличение нагрузки даже при постоянной частоте вращения приводит к увеличению температуры газа, росту теплоотвода и одновременному переносу сгорания на линию догорания. Возрастание IV-ой фазы оказывается определяющим, что и снижает показатель n. К развитию догорания приводит также ухудшение качества топлива и указанное выше изменение эксплуатационных факторов.
Значения средних показателей политропы расширения для номинальных режимов работы различных двигателей находятся в пределах:
- n = 1,15 ÷ 1,25 — высокооборотные двигатели с неохлаждаемыми поршнями;
- n = 1,25 ÷ 1,28 — среднеоборотные двигатели с охлаждаемыми поршнями;
- n = 1,27 ÷ 1,32 — малооборотные двигатели с охлаждаемыми поршнями.
Меньшие значения n у высокооборотных двигателей — из-за догорания на линии расширения и меньшего времени теплоотвода. Параметры цикла в конце процесса расширения находятся из соотношений:
Рb =Pz (Vz /Vb ) n =Pz/δ n Tb =Tz/δ (n 2 -1)Обычно температура в точке b менее Tв
К атегория:
Автомобили и трактора Публикация:
Процесс расширения в дизельном двигателе
Ч итать далее:
Тепловой баланс двигателя
Процесс расширения в дизельном двигателе
В процессе расширения тепловая энергия преобразуется в полезную механическую работу. Началом этого процесса условно считается момент достижения в цилиндре максимального давления цикла, что связано с окончанием процесса видимого сгорания. Процесс расширения изображается на индикаторной диаграмме линией zb. В действительном цикле вследствие догорания топлива на линии расширения, утечки газов через неплотности и отвод тепла через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость расширение протекает по политропе с переменным показателем п2.
В начале процесса расширения приток теплоты к газам вследствие интенсивного догорания значительно больше, чем теплоотдача показателя адиабаты. По мере уменьшения явления догорания значение показателя политропы п2 будет повышаться. Если выделяемая теплота при догорании равна тепловым потерям в стенки, то п2 = k.
При дальнейшем расширении газа тепловые потери в стенки будут больше, чем приток теплоты от догорания, а поэтому величина показателя политропы расширения будет увеличиваться. В дальнейшем для упрощения расчетов показатель политропы расширения принят постоянным и равным среднему значению за процесс расширения. Среднее значение показателя политропы расширения п2 для карбюраторных двигателей колеблется в пределах 1,25—1,33, а для дизельных 1,22— 1,25.
На величину среднего значения показателя политропы расширения оказывает влияние ряд факторов.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
При увеличении частоты вращения коленчатого вала показатель уменьшается, что объясняется увеличением скорости сгорания и уменьшением теплоотдачи в стенки. С увеличением нагрузки увеличивается температура газов и теплопередачи в стенки, а следовательно, и значение показателя. Интенсивность охлаждения цилиндров двигателя также способствует увеличению этого показателя.
Рекламные предложения:
Читать далее: Тепловой баланс двигателя Категория: – Автомобили и трактора
В процессе расширения теплота преобразуется в полезную механическую работу. Процесс расширения протекает с интенсивным теплообменом между продуктами сгорания и стенками цилиндра.
Процесс расширения имеет более сложный характер, чем сжатие, поскольку происходит с переменным теплообменом, так как кроме охлаждения расширяющихся газов имеется подвод теплоты в результате догорания топлива. В начале процесса расширения подвод теплоты преобладает над его отводом через стенки цилиндра. Конечная фаза процесса расширения сопровождается интенсивным отводом теплоты.
При определении давления Pb и температуры Тb газа в конце такта расширения необходимо учитывать, что объемы газа в точках α ( Vа) и b (Vb,) равны между собой, т.е. Vb= Vа и в бензиновых
ДВС
Состояние продуктов сгорания при расширении, как и при сжатии, описывается уравнением политропического процесса, но с показателем политропы расширения n2
Откуда давление, МПа, газа в конце такта расширения для бензиновых ДВС
Термодинамическая температура, К, продуктов сгорания в конце такта расширения определяется из уравнения для газа
Откуда для бензиновых ДВС
В дизелях рабочий процесс протекает по смешанному циклу. Процесс расширения с изменением давления начинается ниже ВМТ, поэтому Vz больше объема камеры сгорания, и учитываться должна не степень сжатия е, а степень последующего расширения δ.
Расширение по политропическому закону начинается от точки z, поэтому аналогично бензиновому ДВС для дизелей получим выражения для давления рb и температуры Tb (см. рис. 2.5, б):
где — степень последующего расширения газа.
Интенсивность охлаждения газа при расширении является основным фактором, от которого зависит n2. При расчетах показатель n2 политропы расширения принимается средней постоянной величиной на всем протяжении данного процесса. Для дизелей n2= 1,15… 1,30; рb = 0,2…0,5 МПа; Тb= 1000… 1300 К. Для бензиновых ДВС n2 = 1,22… 1,35; рb = 0,2…0,6 МПа; Тb= 1 200… 1 800 К.
Расширение происходит при изменении плошали поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве и сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые уплотнения.
В начальной стадии расширение происходит с подводом теплоты, так как в это время заканчивается догорание и наблюдается рост температуры. Поэтому значение показателя политропы расширения n2 ниже показателя адиабаты расширения к2, в некоторых случаях даже меньше 1. По мере движения поршня к НМТ процесс догорания затихает и начинает преобладать теплоотвод в стенки цилиндра. При этом n2 растет, приближаясь к значению к2.
Когда читаешь очередную умную статью по теории ДВС — постоянно проскакивает мнение, что было бы замечательно придумать такой механизимь, чоп степень сжатия у двигателя была поменьше(для предотвращения детонации и уменьшения образования вредных веществ), а вот степень расширения побольше(для максимальной утилизации давления сгорающих газов)…
И вот вроде всё логично пишут — придраться особо не к чему.
А начинаешь разбираться сам — получается всё навыворот… :(
В прошлом моём опусе мы выяснили, что бензиновый двигатель должен иметь "степень сжатия" не менее 18 для того, чтобы можно было и на холостом ходу и на минимальной нагрузке воспламенять смесь после ВМТ для достижения минимального расхода и максимальной мощности(читай — для получения приемлемого КПД).
Сегодня я предлагаю сосредоточится на "степени расширения".
И чтобы нам не отвлекаться ПОКА на всяческое сгорание и прочую лабудень типа преобразования возвратно-поступательного движения в движение вращательное — я предлагаю поиграться вначале с голой ЦПГ(цилиндро-поршневой группой).
Возьмём поршень и цилиндр длиной… ну скажем 200 миллиметров. Поршень у нас будет двигаться внутри этого цилиндра на расстояние в 100 миллиметров. В цилиндр через впускной вентиль будет подаваться из огромного баллона сжатый воздух давлением в 100 атмосфер — ну а мы будем наблюдать за тем, что происходит:
Небольшое лирическое отступление.
Привычные нам термины типа "степень сжатия", "камера сгорания" имеют смысл только на двигателях внутреннего сгорания. В паровых и пневматических двигателях нет даже понятий таких. Зазор между днищем поршня и головкой блока в ВМТ(то, что обзывают "камерой сгорания" у ДВС) цилиндров может быть, а может и не быть — не принципиально. Соответственно — ничего в цилиндре при обратном ходе поршня сжиматься не должно, а потому цикла сжатия в этом двигателе нет и в помине.
При рабочем ходе и расширения тоже может не быть, как ни глупо это прозвучит на первый взгляд. Опять таки не принципиально.
Простейший пневматический двигатель:
Резонный вопрос — а нахрена нам этот пневматический двигатель, если разбираемся мы с двигателем внутреннего сгорания? Дело в том, что я хочу пока немного абстрагироваться от процессов сгорания и разобраться подробнее — как вообще происходит преобразование давления газов в цилиндре в момент на выходном валу двигателя.
В цилиндр пневматического(парового) двигателя рабочее тело поступает "полностью готовое к употреблению". Нагрев, сжатие — все нужные издевательства над рабочим телом производят ДО ТОГО КАК подать его в цилиндр. ЦПГ занята только узкоспециализированным делом — преобразует ДАВЛЕНИЕ в механическую РАБОТУ.
Рассмотрим несколько возможных режимов работы нашего "двигателя":
1). Режим максимальной мощности.
Тот самый режим, когда РАСШИРЕНИЯ в цилиндре не происходит.
Давление в цилиндре поддерживается на одном уровне на всём ходу поршня от ВМТ до НМТ.
Диаграмма давления в цилиндре при движении поршня выглядит вот так:
В термодинамике режим протекающий при постоянном давлении обзывают "изобарным"…
Правда при более внимательном ознакомлении с терминологией оказывается что не только давление, но и масса газа должна быть постоянна…
В нашем случае постоянны и давление и температура и теплоёмкость и наверняка ещё куча других страшных слов, но масса РТ в цилиндре однозначно не константа. Я не нашёл как обозвать одним словом первый же режим нашего двигателя. Наверное не там искал.
Неважно. Я нихрена не понимаю в теплотехнике, но раз режим двигателя такой существует — то пускай теплотехника и страдает по этому поводу. А я буду объясняться на пальцах, раз термина нет… Сорри.
В двигателе внутреннего сгорания такой режим невозможен принципиально — просто невозможно так организовать сгорание топлива. В пневматическом(паровом) двигателе таких ограничений нет — рабочее тело подаётся из баллона(котла), который размерами значительно превосходит размеры нашего цилиндра. При этом, если задуматься — то и на данном режиме работы двигателя мы всё равно используем энергию РАСШИРЕНИЯ сжатого РТ. Просто расширяется в данном случае одномоментно ВСЁ рабочее тело в баллоне(или в котле) — выдавливая часть себя самого в цилиндр двигателя, выдавливая и поршень из цилиндра — совершая при этом полезную механическую работу.
Если объём "камеры сгорания" у нашего двигателя сделать 0 мм хода поршня(в ВМТ поршень упирается в головку блока цилиндров) — то при каждом рабочем ходе поршня у нас будет затрачиваться 100 условных единиц объёма рабочего тела. Если объём "камеры сгорания" сделать равным 1 мм хода поршня — то будет затрачиваться 101 условная единица объёма рабочего тела. Если 2 мм хода поршня — то будет затрачиваться 102 условных единиц объёма рабочего тела…
При прочих равных увеличение объёма "камеры сгорания" увеличивает только прямые потери рабочего тела — т.е. для данного режима оптимально когда объём "камеры сгорания" минимален. Сама "камера сгорания" никакой функциональной нагрузки на данном режиме работы двигателя не имеет.
После завершения рабочего хода через открывающийся выпускной клапан давление сбрасывается в атмосферу, а потом туда же вытесняется поршнем на обратном ходу и весь не нужный уже газ…
Понятное дело что энергия сжатого газа при таком режиме работы двигателя используется не полно — почти вся энергия той порции рабочего тела, что попала в цилиндр двигателя, будет выброшена в атмосферу при открытии выпускного клапана.
Потому в попытках полнее использовать зазря пропадающую энергию додумались выпускать давление не в атмосферу, а в ещё один двигатель… и в ещё один… Как то так:
Даже на паровозе режим максимальной мощности двигателя используют редко(тем не менее такой режим абсолютно штатный и никакого стресса для двигателя не представляющий) — слишком высокий расход рабочего тела и, соответственно, нерациональное использование горючего.
Зато и МАКСИМАЛЬНЫЙ крутящий момент такого двигателя — просто дурной по сравнению с ДВС такого же размера и массы.
Посмотрите на паровоз — что там из себя представляет непосредственно двигатель на общем фоне?!
Такому двигателю не нужен чрезмерный запас прочности — максимальное давление цикла на этом режиме равно среднему давлению цикла.
Размер ЦПГ теоретически не ограничен ничем. Можно сделать ЦПГ длиной 10 см, а можно 10 метров.
2). Режим частичной мощности.
Если обеспечивать давление в 100 атмосфер только на части пути поршня(например прерывать подачу РТ впускным клапаном) — то оставшийся путь поршень будет проходить при давлении, уменьшающемся пропорционально увеличению объёма "камеры сгорания".
Часть цикла до закрытия клапана у нас будет протекать по "изобарному" закону, другая часть — по "адиабатному".
Кривые давления в цилиндре при движении поршня будут выглядеть как-то так:
По мере того, как "адиабатный" процесс начинает превалировать над "изобарным" — мы не можем не заметить существенное уменьшение расхода рабочего тела над выполненной работой. Поскольку на приготовление рабочего тела мы затрачиваем энергию — то соответственно увеличивается эффективность(КПД) двигателя. На выполнение единицы работы затрачивается всё меньше энергии. Например при подаче 50% рабочего тела суммарная мощность на валу падает всего на 20%; 25% рабочего тела обеспечивают 50% мощности на валу и так далее… Максимум эффективности получается когда "камера сгорания" заполняется рабочим телом только в момент нахождения поршня в ВМТ и весь дальнейший рабочий цикл происходит за счёт максимально полного РАСШИРЕНИЯ рабочего тела, находящегося в цилиндре.
Объём потерь энергии можно элементарно просто оценить по конечному давлению газов в самой правой части графика. Чем выше давление в конце рабочего хода поршня — тем выше потери и тем меньше КПД.
Внимание!
Поскольку рабочее тело часть работы совершает, расширяясь уже непосредственно в цилиндре — то, как ни странно это прозвучит, объёмом "камеры сгорания" можно считать весь тот объём цилиндра, что заполняет РТ до момента закрытия впускного клапана. Тот зазор между поршнем и головкой блока цилиндров, что мы привыкли обзывать "камерой сгорания" просто является минимально возможным объёмом "КС".
Этот минимальный объём определяет максимальную(геометрическую) степень расширения нашего двигателя.
Но сама по себе СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ нашего двигателя константой не является!
Чем больше фактический объём "КС" — тем больше мощность двигателя, но тем меньше его эффективность в условиях конечной длины цилиндра. И наоборот.
Запомните этот важный момент. Он нам сильно пригодится в дальнейшем.
3). Режим малой мощности.
Если открывать впускной клапан нашего "двигателя" в ВМТ только на мгновение, и обеспечивать при нахождении поршня в ВМТ давление не 100 атмосфер, а ниже(например — 90, 50, 15) — то ВЕСЬ рабочий цикл будет протекать по "адиабатному" закону. Вырабатываемая двигателем работа уменьшается пропорционально уменьшению расхода рабочего тела, правда эффективность рабочего процесса уже не увеличивается, а начинает уменьшаться…
Кривые давления в цилиндре при движении поршня в этом режиме выглядят так:
На этом режиме объём зазора между поршнем и головкой блока цилиндров(то, что мы привыкли обзывать "камерой сгорания") начинает играть определяющую роль в протекающих процессах так как напрямую определяет мощность двигателя. Чем больше объём "камеры сгорания" в ВМТ — тем бОльший путь придётся пройти поршню для каждого удвоения объёма газов, ну а расстояние напрямую влияет на объём совершаемой РАБОТЫ.
Потому на этом режиме работы уже не прокатят прежние вольности с длиной ЦПГ — ведь длина рабочего хода поршня строго лимитирована объёмом "камеры сгорания" и требуемой СТЕПЕНЬЮ РАСШИРЕНИЯ рабочего тела.
Какие ещё выводы можно сделать на основании вышерассмотренных графиков?
1). Самый эффективный процесс в двигателе на основе цилиндро-поршневой группы — это несомненно "адиабатный". Мгновенный подвод(выделение) всей энергии в ВМТ при минимальном объёме "камеры сгорания" обуславливает создание максимального ДАВЛЕНИЯ газов, РАСШИРЕНИЕ которых в процессе движения поршня и выполняет механическую работу.
Если пытаться подводить дополнительные порции энергии(изотермный процесс или его подобие) во время рабочего хода поршня, ограниченного в перемещении — то каждая последующая порция энергии будет выделяться во всё увеличивающейся "камере сгорания" и будет создавать всё меньший прирост ДАВЛЕНИЯ, а как мы уже выяснили — это чревато неполным расширением рабочего тела к концу рабочего хода поршня и увеличением потерь энергии с выхлопными газами. Часто мелькающее утверждение о том, что самым эффективным является двигатель на основе детонационного сгорания — полностью подтверждается. Но дело тут вовсе не в скорости сгорания топлива(на эту тему поговорим отдельно), а в механизме преобразования создаваемого ДАВЛЕНИЯ в МОМЕНТ и ПЕРЕМЕЩЕНИЕ(читай — в РАБОТУ) с помощью ЦПГ.
2). Ход поршня в цилиндре напрямую завязан на степень РАСШИРЕНИЯ объёма "камеры сгорания".
Расширение не может быть слишком маленьким — иначе значительная часть энергии будет выбрасываться в атмосферу вместе с высокими давлением и температурой выхлопных газов.
Расширение не может быть слишком большим — иначе давление рабочего тела приблизится к атмосферному давлению(а может даже стать ниже атмосферного!), а как мы знаем — поршень в цилиндре движется только за счёт разницы давлений. Чем больше разница давлений над поршнем и под поршнем — тем выше момент двигателя на валу. Самое минимальное давление в цилиндре при самой малой мощности двигателя в конце рабочего хода должно превышать давление атмосферы раза в два-три. Иначе поршень в конце хода начнёт создавать уже не РАБОТУ, а отрицательную работу — СОПРОТИВЛЕНИЕ. Следовательно СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ определяется в первую очередь максимальным давлением цикла в цилиндре. Чем выше максимальное давление в начале цикла расширения — тем выше можно задирать и степень расширения!
3). Если проанализировать график режима малой мощности — то мы увидим как стремительно падает давление цикла при движении поршня от ВМТ(читай — при увеличении объёма "камеры сгорания"). Даже при беглом рассмотрении графика понятно, что добиваться степени РАСШИРЕНИЯ свыше 10 не имеет особого смысла(борьба будет за сущие проценты КПД двигателя), а свыше 20 — вообще бессмысленно!
4). Высокая степень расширения требует огромного запаса оборудования по прочности. С ростом степени расширения пиковые механические и термические нагрузки стремительно растут, а средние — так же стремительно падают. В результате КПД двигателя растёт всё медленнее, а литровая мощность, как ни странно покажется — СНИЖАЕТСЯ всё опережающими темпами.
На практике при БЫСТРОМ расширении(как и при быстром сжатии) давление и температура падают по адиабатному закону, а не по изотермному, как на моих графиках.
Если вы помните — при степени сжатия 10 давление конца такта сжатия(так называемая "компрессия") равно не 10 атм, а атмосфер этак 17… Так и при обратном БЫСТРОМ расширении в десять раз давление со 100 атмосфер уменьшится не до 10 атмосфер, а до 6-7 и даже чуть меньше. Т.е. уже при степени расширения 10 неиспользованной остаётся не более 5% первоначальной энергии ДАВЛЕНИЯ.
На лицо противоречие — степень СЖАТИЯ нужна высокая(для обеспечения благоприятных условий ВОСПЛАМЕНЕНИЯ топлива), а степень РАСШИРЕНИЯ высокая не нужна.
Да её высокой и нет по факту.
В предыдущей статье я уже показал, что ФАКТИЧЕСКАЯ степень СЖАТИЯ обычной бензинки отличается от ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ в бОльшую сторону раза эдак в два за счёт поджига топлива до ВМТ.
Давайте посмотрим, что происходит в цилиндре обычной бензинки на такте расширения.
Возьмём для анализа стандартный график давления в цилиндре обычной бензинки со СС=8:
Как видно на графике в норме максимальное давление цикла возникает в цилиндре только в районе 25 градусов после ВМТ.
Выпускной клапан на бензинке открывается на 130 градусах после ВМТ:
Итого фактическое расширение, производящее механическую работу, в реальном бензиновом двигателе происходит на участке около 100 градусов по коленвалу.
Это всего около 75% хода поршня.
Получаем ФАКТИЧЕСКУЮ степень РАСШИРЕНИЯ на уровне 6… :(
Если же вспомнить, что значительная часть топлива догорает значительно позднее пика давления — то ФАКТИЧЕСКАЯ степень расширения получается ещё меньше.
ФАКТИЧЕСКАЯ СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ имеет также мало общего с ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ, как и ФАКТИЧЕСКАЯ СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ(о чём я писал в предыдущей статье).
Именно поэтому неплохой рост КПД привычных ДВС наблюдается и при геометрической "степени сжатия" 12-14, когда даже теоретически весь прирост КПД должен исчисляться уже только процентами:
Забавный вывод? Сделаем себе ещё одну зарубку в голове! :)
Живые есть ещё?
Краткий итог первой части статьи — основная часть работы цикла преобразования давления газов выполняется при НАЧАЛЕ расширения рабочего тела, пока давление рабочего тела максимально превышает давление атмосферы. В ходе дальнейшего расширения выполняемая работа стремительно падает к нулю. Фактическая степень расширения рабочего тела свыше 10 имеет мало смысла.
Давайте теперь ещё раз вспомним о том, что нам необходимо каким-то макаром регулировать мощность двигателя. В идеале для изменения генерируемого момента нам нужно менять ОБЪЁМ двигателя — только при таком регулировании процессы сгорания остаются оптимальными на всех режимах — только так можно получить неизменно высокий КПД двигателя.
По факту же мы меняем СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ и ОБОРОТЫ двигателя.
Оборотов я касаться не буду — с ними всё более-менее ясно. Чем выше обороты — тем больше рабочих циклов — тем больше вырабатывается мощности при прочих равных. Процессы сгорания при изменении оборотов, конечно, меняются — но не критично.
А вот со степенью сжатия ситуация намного более запутанная.
И неудачная терминология только скрывает истинную картину происходящего.
У современного бензинового двигателя объём потребляемого воздуха меняется в зависимости от нагрузки раз эдак в 5 за счёт дросселирования. У современного дизеля картина та же самая абсолютно — только вместо дросселирования работает турбирование. Можете сами прикинуть как сильно меняется потребление воздуха на холостом ходу и на режиме максимальной мощности у дизеля со степенью сжатия 14 и давлением наддува на уровне 4-5 бар избытка.
Соответственно РЕАЛЬНАЯ СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ этих двигателей в процессе работы ЗНАЧИТЕЛЬНО меняется пропорционально количеству воздуха(смеси) в цилиндрах.
Это очень сильно меняет скорость сгорания топлива и, главное, очень заметно рассинхронизирует три основных процесса, протекающих в ДВС:
1). процесс сгорания;
2). процесс преобразования давления образующихся при сгорании газов в момент на поршне;
3). процесс преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала;
Про кривошипно-шатунный механизм детально поговорим в следующей статье — давно пора окончательно разобраться, что с ним не так, а сейчас давайте посмотрим — что происходит при изменении наполняемости цилиндра в разрезе рассмотренных выше процессов.
Чем меньше в цилиндр поступает воздуха — тем меньше температура и давление газов в ВМТ. Тем более вяло будет протекать воспламенение и сгорание топливно-воздушных смесей. Пик давления можно выставить в более-менее удачное положение, но тогда начало сгорания приходится отодвигать далеко до ВМТ, а окончание сгорания всё одно вылезет в зону НМТ. Максимальное давление цикла получается невысоким и растянутым во времени, а чем чревато для КПД КШМ затягивание выделения энергии с точки зрения процесса РАСШИРЕНИЯ(и преобразования ДАВЛЕНИЯ газов в РАБОТУ) — разобрано выше.
А ещё есть такие побочные негативные явления как неполное сгорание, повышенные теплопотери и значительное противодавление до ВМТ…
Так что при том, что степень расширения больше 10 не нужна — степень расширения меньше 10 недопустима в условиях реального двигателя, которому приходится работать не только в режиме "педаль в полик"…
Как ни крути — для максимального КПД ДВС идеальна ЦПГ с изменяемым объёмом КС. Читай — с изменяемой "степенью сжатия", что по сути — одно и тоже.
Как этого добиться в рамках конструктива обычного ДВС — тема последующих статей.
Читайте также: