Влияние степени сжатия на основные показатели двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние степени сжатия на основные показатели двигателя

Н.А. Семернин, магистр, ст. преподаватель

С.А. Нармаганбетов, магистрант,

Г.У. Куралбек, студент

А.Н. Семернин, канд. техн. наук, проф.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, г. Тараз

В статье приведены сведения о геометрической и действительной степени сжатия для различных двигателей внутреннего сгорания. Степень сжатия является важнейшим конструктивным параметром двигателя, определяющим его экономичность и мощность. Результаты проведенного анализа показывают, что при разработке поршней автоматически регулирующих степень сжатия, необходимо учитывать все факторы, которые влияют на параметры рабочего процесса двигателя.

Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, геометрическая и действительная степень сжатия, надпоршневой зазор, мощность.

N.A. Semernin, S.A. Narmaganbetov, G.U. Kuralbek, A.N. Semernin. Impact degree of compression for major engine indicators

The article presents information on the geometric and the actual compression ratio for various internal combustion engines. The compression ratio is an important design parameter of the engine, determining its efficiency and power. The analysis results show that the design of the pistons automatically controls the degree of compression, it is necessary to take into account all the factors that affect the parameters of the workflow engine.

Keywords: internal combustion engines, geometric and actual compression ratio, clearance above the piston, power.

Развитие и совершенствование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) невозможно без решения ряда проблем. Наиболее важными из них являются применение высокого наддува; обеспечение надежного пуска при низкой температуре; использование топлив различного фракционного состава [1].

Значительное повышение литровой мощности форсированием ДВС высоким наддувом не должно привести к увеличению механических и тепловых напряжений и ухудшению показателей по эффективному удель-ному расходу топлива. Этого можно достичь только при соответствующем снижении степени сжатия. С другой стороны, благоприятные условия для обеспечения надежного пуска при низкой температуре и использования топлив различного фракционного состава могут быть созданы, например, при увеличении степени сжатия.

Анализ исследований, проведенных в различных странах, позволяет сделать вывод о том, что эти противоречивые требования можно удовлет-ворить при создании ДВС с переменной степенью сжатия [2, 3].

В настоящее время имеется много конструктивных схем, обеспечиваю-щих изменение степени сжатия. Применение таких поршней обеспечивает работу двигателя на холостом ходу и при пуске с высокими степенями сжатия (20-22), а при полных нагрузках - с пониженной степенью сжатия (6-8).

Геометрическая и действительная степени сжатия

Степень сжатия является важнейшим конструктивным параметром двигателя, определяющим его экономичность и мощность. Ее выбирают в зависимости от формы камеры сгорания, способа смесеобразования, марки применяемого топлива, а также с учетом наличия или отсутствия наддува, быстроходности двигателя, типа системы охлаждения и других факторов.

Минимальную степень сжатия еmin для двигателей с воспламенением от сжатия принимают исходя из условия надежного воспламенения топлива при пуске двигателя в условиях низких температур. В этом случае величину еmin можно вычислить, зная минимальную температуру воздуха в конце сжатия, необходимую для воспламенения топлива, поданного в камеру сгорания. В дизелях без наддува степень сжатия меньше 14 не применяют.

Максимальная степень сжатия еmax определяется прочностью конструк-ции двигателя, т.е. ее способностью выдерживать высокие механические и термические нагрузки. Следует иметь в виду, что с увеличением степени сжатия термический КПД двигателя возрастает, однако, при е более 18-20 рост термического КПД значительно уменьшается. При этом наблюдается быстрое снижение механического КПД двигателя, вследствие повышения максимального давления сгорания [3].

Таким образом, в современных дизелях, без наддува степень сжатия находится в пределах 14-20. Ниже приведены значения е для различных дизелей. сжатие двигатель сгорание

С неразделенными камерами сгорания и объемным

смесеобразованием ………………………………………….. 14-17

Вихрекамерные и предкамерные……………………………. 16-20

Исключение составляют многотопливные двигатели, работающие на низкоцетановых топливах, отличающихся плохой воспламеняемостью. Степень сжатия у них может быть 20 и выше [3].

Следует различать геометрическую е и действительную ед степени сжатия. Геометрическая степень сжатия представляет собой отношение объема цилиндра Va двигателя к объему камеры сгорания Vc:

еmax= Vа/Vc; е=(Vc + Vh)/Vc, (1)

где Vh - рабочий объем цилиндра.

Геометрическая степень сжатия в реальных двигателях является условной величиной, так как характеризует отношение объемов вжимаемых газов в начале и конце такта сжатия теоретического цикла, т.е. при положениях поршня в нижней (н.м.т.) и верхней (в.м.т.) мертвых точках.

Значения е и ед для некоторых дизельных и карбюраторных двигателей приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 следует, что геометрическая степень сжатия больше от действительной на 12-15%.

В действительности же процесс сжатия начинается спустя некоторое время после прохождения поршнем н.м.т.

На величину действительной степени сжатия влияют также и техноло-гические допуски на детали цилиндропоршневой группы, от которых зависят надпоршневой зазор и объем камеры сгорания. Например, у четырехтактных дизелей Ярославского моторного завода (ЯМЗ) при существующих техноло-гических допусках на изготовление упомянутых деталей надпоршневой зазор колеблется в пределах 1,2-2 мм, а объем камеры в поршне может изменяться на ± 1 см3. Вследствие этого отклонения степени сжатия доходят до 1,5 (рис. 1) [3].

Таблица 1

Основные параметры двигателей внутреннего сгорания

1- геометрической; 2- действительной

Рис. 1. Зависимость степени сжатия е от надпоршневого зазора h и фаз газораспределения для четырёхтактных дизелей

Следует также иметь в виду, что в реальных двигателях процесс сжатия заканчивается не в в.м.т., а несколько раньше, так как с целью создания наилучших условий для протекания процесса сгорания топливо в цилиндр двигателя подается за несколько градусов до прихода поршня в в.м.т. Этот момент ориентировочно можно считать концом сжатия, после которого резко нарастает давление от воспламенения топлива. Для разных двигателей угол опережения впрыска меняется в довольно широких пределах. Более того, даже для одного двигателя он не остается постоянным и зависит от скоростного и нагрузочного режимов, сорта топлива и других параметров [3].

В связи с трудностью определения всех факторов, влияющих на действиительную степень сжатия, при ее нахождении обычно ограничи-ваются учетом только угла запаздывания закрытия впускного клапана и действительную степень сжатия представляют как отношение объема Va газа, заключенного в цилиндре в момент закрытия впускных клапанов, к объему камеры сгорания Vc:

ед = V'а/Vc=(Vc + V'h)/Vc, (2)

где V'h - рабочий объем цилиндра с учетом доли потерянного хода поршня.

В соответствии с определением действительная степень сжатия ед при неизменном объеме камеры сгорания зависит при постоянном ходе поршня только от угла цвп запаздывания закрытия впускного клапана и по абсолютной величине, всегда меньше геометрической степени сжатия [3].

Для двухтактных двигателей выражение действительной степени сжатия будет идентичным приведенному выше.

Учитывая, что в двухтактных двигателях

V'h=Vh(1- ш),

где ш - относительная доля потерянного хода поршня, имеем

(3)

Из уравнения (3) вытекает следующая зависимость между геометрической и действительной степенями сжатия:

е = (ед -ш)/(1-ш). (4)

Для четырехтактных двигателей, у которых доля потерянного хода поршня ш=0, действительная и геометрическая степени сжатия практически одинаковы, а для двухтактных значительно различаются. Поэтому при расчетах четырехтактных двигателей обычно используют геометрическую степень сжатия. Для двухтактных двигателей степень сжатия рассчитывают по уравнению (3) [3].

Влияние степени сжатия на параметры дизеля

Для обоснования целесообразности создания двигателей с переменной степенью сжатия рассмотрим влияние степени сжатия на параметры дизелей работающих без наддува и с наддувом.

На рисунке 2 приведены с-V и Ф-S диаграммы смешанного термодинамического цикла двигателя без наддува при различных степенях сжатия и одинаковом количестве подведенной теплоты. Сравнение диаграмм показывает, что с повышением степени сжатия возрастает КПД, увеличивается полезная работа цикла и снижаются температура и давление газа в конце расширения.

Рис. 2. Диаграммы р-V и T-S термодинамического цикла двигателя без наддува

Изменение термического КПД зt в термодинамическом цикле со смешанным подводом теплоты в зависимости от степени сжатия е, показано на рисунке 3. Кривая построена при показателе адиабаты k=1,4, степени повышения давления л=2 и степени предварительного расширения с =1,2 [3].

Значения КПД рассчитывали по известной формуле

(5)

л=pz/pc; с=Vz/Vz'; k = cp/cv.

Анализ кривой зt =f (е) показывает, что с увеличением степени сжатия КПД цикла непрерывно возрастает. Интенсивно увеличивается зt при малых исходных значениях е; при больших значениях е темп нарастания зt снижается.

Таким образом, исследование зависимости зt от е позволяет предварительно установить целесообразный предел форсирования дизелей без наддува по величине е [3].

Кривые зависимости основных параметров действительного рабочего цикла от степени сжатия приведены на рисунках 3, 4. Расчетные параметры определены применительно к четырехтактному дизелю без наддува при значениях е, равных 14; 16,5; 20 и 25. Коэффициент избытка воздуха б принят постоянным и равным 1,52. Степень повышения давления газов л=2.

Если при расчете коэффициента наполнения зн принять, что условия на впуске и выпуске остаются неизменными, то при л=const изменение е незначительно повлияет на величину зн (рис. 4), что подтверждается исследованиями [3].

Температура начала сжатия Та в основном определяется относительным количеством остаточных газов. С увеличением степени сжатия коэффициент остаточных газов гг уменьшается, поэтому температура Та понижается (рис. 4).

Рис. 3. Зависимость термического КПД от степени сжатия

Рис. 4. Влияние степени сжатия на параметры процесса наполнения

Результаты проведенного анализа показывают, что при разработке поршней автоматически регулирующих степень сжатия, необходимо учитывать все факторы, которые влияют на параметры рабочего процесса двигателя. Это позволит разработать поршни с минимальными габаритами и при этом с хорошими технико-экономическими показателями.

Список литературы

1. Великанов, Д.П. Возможности экономить нефтяные виды топлив на автомобильном транспорте [Текст] / Д.П. Великанов // Автомобильный транспорт. - 1980. - №7. - С. 36-40.

2. Колчин, А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей [Текст] / А.И. Колчин, В.П. Демидов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2002. - 412 с.

3. Демидов, В.П. Двигатели с переменной степенью сжатия [Текст] / В.П. Демидов. - М.: Машиностроение, 1991. - 137 с.

Размещено на Allbest.ru