Процесс расширения

Процес сгорания поданного в цилиндр топлива завершается в начале такта расширения, когда поршень перемещается в НМТ. В связи с этим, несмотря на увеличение объема при перемещении поршня, для любых ПДВС за начало собственно процесса расширения принято принимать не ВМТ, а точку z расчетной диаграммы. Расширение, протекающее в течение рабочего хода поршня, является в безнаддувных двигателях единственным процессом, в котором совершается полезная работа, обеспечивающая на валу двигателя положительный крутящий момент. В общем случае от величины производимой в течение такта расширения работы зависит мощность, развиваемая двигателем.

В теоретических циклах карбюраторного и дизельного двигателей расширение газов протекает по адиабате (К=1,41). В действительных циклах имеет место догорание топлива, утечка газов через неплотности и отвод тепла в охлаждающую воду. В связи с этим, процесс расширения протекает по политропе с переменным показателем . В начале процесса расширения происходит догорание и за счет этого газы получают тепло, а в дальнейшем по мере увеличения хода поршня газы отдают тепло в стенки цилиндра.

В начале такта расширения теплота от сгорания топлива идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, поскольку перемещение поршня невелико и совершаемая газами положительная работа незначительна. Другая часть выделившейся при сгорании теплоты отводится через поверхности КС в систему охлаждения. Несмотря на увеличение надпоршневого объема, по мере вращения коленчатого вала давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением больших количеств теплоты, чем суммарные ее затраты на теплобмен и совершаемую работу. В связи с более длительным и замедленным тепловыделением в дизелях увеличение давления после прохождения поршнем ВМТ продолжается дольше, чем в двигателях с искровым зажиганием. Следствием выделения теплоты при сгорании, вызывающим увеличение давления заряда, являются отрицательные текущие значения показателя политропы n₂ в начале такта расширения.

Дальнейшее перемещение поршня в сторону НМТ сопровождается уменьшением тепловыделения, а также увеличением ее затрат на совершение работы и теплообмен. Результатом этого является замедление нарастания давления и достижение им своего максимума, полсе чего начинается резкое его понижение. В момент достижения давлением величины p_max мгновеное значение показателя политропы n₂ равно нулю и при дальнейшем расширении рабочего тела становится положительным.

По причине продолжающегося тепловыделения максимальное значение температуры Т_max в цилиндре достигается позже, нежели p_max. Очевидно, что при достижении T_max теплота, выделяющаяся при догорании топлива, численно равна (за вычетом потерь в стенки) совершаемой газами работе, т.е. в момент достижения T_max расширение становится квазиизотермическим и n₂ =1.

Далее, в некоторый момент количество выделяющейся теплоты становится равным теплопотерям в стенки и текущий показатель политропы n₂ станет равным показателю адиабаты k₂ (dq =0, ds =0); в дальнейшем работа производится за счет внутренней энергии РТ. При дальнейшем расширении значения показателя политропы будут превышать величину показателя адиабаты и энторпия продуктов сгорания начнет уменьшаться.

При увеличении числа оборотов двигателя показатель политропы уменьшается.

В тепловых расчетах принимают среднюю величину показатели политропы расширения .

Средним показателем политропы расширения называют такой постоянный показатель, при котором расширяющиеся газы совершают ту же работу, что и при переменном показателе.

Средняя величина показателя политропы расширения определяется аналитически или графически аналогично определению n₁.

Аналитически величина для карбюраторных двигателей определяется по формуле проф. В. А. Петрова

= 1,22+ , (47)

где n_N – число оборотов двигателя, мин^-1; 130 – коэффициент, учитывающий обороты и имеющий размерность .

Для автотракторных дизелей, учитывая более сильное догорание, реко-мендуется величину , полученную по формуле (47), уменьшить на 0,01-0,02.

Давление в конце расширения определяется из уравнения политропы

= ,

откуда

= . (48)

В карбюраторных двигателях давление в конце расширения будет

[МПа]

В дизельных двигателях , следовательно давление в конце расширения будет

= . [МПа] (49)

Температура газа в конце расширения определяется из следующих характеристических уравнений

= ;

= .

Разделив первое уравнение на второе, получим

= ,

но из формулы (48) следует, что

,

следовательно

= = . (50)

Для карбюраторных и газовых двигателей ρ=1, следовательно

. (51)