Степень сжатия.

 

В теории есть понятия геометрической и действительной степеней сжатия.

Геометрическая степень сжатия есть отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.

Действительная степень сжатия есть отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ.

В какой степени сжимается рабочее тело при ограничении наполнения цилиндра (то есть при дросселировании) в теории не анализируется. Так, при работе бензинового ДВС на холостых оборотах количество воздуха, поступающего в цилиндр, меньше примерно в 5 раз, чем при работе без ограничения наполнения. Фактическое сжатие воздуха при этом в 5 раз меньше.

Современная теория ДВС дает такую трактовку степени сжатия, которая не отражает реального характера рабочих процессов, которые происходят в ДВС. Для устранения этого недостатка степень сжатия должна подразделяться на следующие категории: 1. Степень сжатия двигателя (арифметическая) -это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. 2. Геометрическая степень сжатия двигателя - это отношение объема цилиндра в момент закрытия впускного клапана к объему камеры сгорания при положении поршня в ВМТ. 3. Действительная или текущая степень сжатия - это отношение находящегося в замкнутом цилиндре двигателя объема воздуха или горючей смеси в состоянии соответствующем давлению окружающей среды к объему камеры сгорания. Реальный объем воздуха или горючей смеси должен определяться при давлении равном давлению окружающей среды. Действительная степень сжатия в рабочем процессе двигателя величина переменная, регулируемая. Но при рассмотрении отдельного рабочего цикла эта величина должна рассматриваться, как константа. Например: степень сжатия двигателя 20, геометрическая степень сжатия 18. Действительная степень сжатия при расходе 50% воздуха составит приблизительно 9, при расходе воздуха, допустим, 80%- приблизительно 14.4. При расходе 100% воздуха действительная степень сжатия может быть больше, меньше или равна геометрической степени сжатия.

При работе двигателя со степенью сжатия 20.5 на стенде при частоте 2000 об/мин на внешней скоростной характеристике наполнение цилиндра составляло в среднем 384 мг смеси, или 343 см³. Это составляет 87% от полного объема цилиндра. При работе двигателя с частотой 3200 об/мин. наполнение составляло около 470 мг смеси, или 420 см³. Это составляет 105% от полного объема цилиндра.

То есть, при частоте 2000 об/мин действительная степень сжатия смеси в двигателе составляет около 17.8, а при частоте в 3200 об/мин- 21.5.

Рассмотрение рабочего цикла бензинового двигателя с точки зрения действительной степени сжатия рабочего тела показывает следующую картину:

1.Двигатель со степенью сжатия 10.

При расходе 40% смеси от максимального наполнения для данных оборотов в цилиндре оказывается в 2.5 раза меньше воздуха, чем при полностью открытой дроссельной заслонке. В момент закрытия впускного клапана давление в цилиндре составит 0.4 от давления окружающей среды (степень максимального наполнения цилиндра для данных оборотов считается равной 1). То есть, величина 0.4 составит степень наполнения цилиндра для данного рабочего цикла. Такт сжатия при этих условиях состоит из 2-х этапов: первый- это доведение давления в цилиндре до давления окружающей среды. Для этого поршень должен совершить 0.54 длины своего хода от НМТ в сторону ВМТ. Второй этап- это непосредственно сам процесс сжатия. Он будет совершаться в оставшиеся 0.36 величины хода поршня. Действительная степень сжатия смеси при этом составит 4.6.

2.Для двигателя со степенью сжатия 25 действительная степень сжатия воздуха или горючей смеси при тех же условиях составит 10.6. То есть, рабочий процесс в нем будет иметь такой же характер, как в двигателе со степенью сжатия 10, но только при степени наполнения последнего в 1.04.

Как утверждает теория, если происходит процесс уменьшения объема рабочего тела, находящегося в состоянии разрежения, такой процесс все равно называется сжатием. В частности, в двигателе со степенью сжатия ε; =25 при наполнении цилиндра на 0.4 его объема процесс сжатия якобы начинается в НМТ. Все расчеты параметров рабочего тела производятся исходя из величины степени сжатия 25. При этом выходит следующая картина: Рс = 25^1.4 ∙ 0.4 = 36.24 кг/см². Тс = Та ∙ε ^{k -1}= 320∙ 25^0.4= 1159 ⁰К. Реальная картина параметров рабочего тела в конце сжатия при действительной степени сжатия ε_д =10.6 следующая: Рс = 10.6^1.4 ∙ 1= 27.25 кг/см² (меньше на 8.99 кг/см²). Тс = Та ∙ε ^{k -1}= 320∙ 10.6^0.4= 822⁰К (меньше на 337⁰ С). То есть, принятая в теории методика расчета параметров рабочего тела при частичном наполнении цилиндра не дает представления о том, что реально происходит в цилиндре двигателя.

В двигателе со степенью сжатия 10 при степени наполнения 1 и угле опережения зажигания 25^о максимальное давление цикла Рz при 3500 оборотах в минуту достигается в 15^о ПКВ после ВМТ.

В двигателе со степенью сжатия 25 равнозначное максимальное давление цикла Рz будет достигнуто при степени наполнения в 0.385. При дальнейшем увеличении наполнения снижается угол опережения зажигания. При этом точка, в которой достигается максимальное давление цикла Рz, преобразуется в линию, начало которой по мере увеличения действительной степени сжатия будет смещаться в сторону ВМТ, а конец в сторону НМТ. Так, при степени наполнения в 0.385, действительной степени сжатия в 10.6, угле опережения зажигания 25^о, Рz достигается при 15^о ПКВ и является в координатах диаграммы цикла точкой. При степени наполнения 1, действительной степени сжатия 25, угле начала тепловыделения 0^о, Рz будет достигнут в 0^о ПКВ и в координатах диаграммы цикла преобразуется в линию от 0 до 35^о ПКВ после ВМТ.

В двигателе, в котором Рс = Рz, первая фаза тепловыделения должна протекать с ограничением количества вводимой в рабочее тело теплоты. В виду этого по мере повышения степени сжатия до сверхвысоких величин длина линии изотермного расширения будет увеличиваться до 50-55⁰ ПКВ.

Действительная степень сжатия в предложенном варианте будет реально отражать характер процессов, происходящих в цилиндре при каждом рабочем цикле.

В теории ДВС есть ни чем не обоснованные предположения о том, что допустимые пределы степени сжатия бензиновых двигателей находятся в районе 13-14, а дизельных двигателей в районе 23-25. Также имеются предположения о том, что при превышении некоей величины степени сжатия количество отрицательной работы цикла начнет превышать количество положительной работы. Но формулы, которая позволила бы рассчитать величину наивыгодной степени сжатия, в теории ДВС нет.

Согласно второму закону термодинамики КПД термодинамической системы будет равен нулю, если при протекании цикла количество отдаваемой на компенсацию теплоты будет равно количеству теплоты подводимой к рабочему телу. «Цикл» Карно является моделью точно демонстрирующей данное положение. В действительных циклах суммарная мощность механических и других видов тепловых потерь могут уравновесить индикаторную мощность двигателя. В результате этого эффективная работа может стать равной нулю.

Помимо этого формула h_t =1- 1/ ε^{k -1} не запрещает считать, что теоретически степень сжатия циклов тепловых машин может быть сколь угодно большой, допустим, ε; → ∞. При таком условии получается, что КПД цикла будет стремиться к h_t →1. На основании этого может возникнуть предположение о том, что количество отводимой холодному источнику теплоты будет стремиться Q₂ → 0 (к нулю) и второй закон термодинамики при ε; → ∞ перестает действовать. Но разграничение и расчет теплоты компенсации в теплоте, отводимой холодному источнику и удаляемой во внешнюю среду, показывает, что теоретически степень сжатия может быть доведена только до определенного идеального предела, при котором подведенная теплота полностью будет преобразована в работу и теплоту компенсации. В цикле V=Const идеальная степень сжатия составит примерно ε≈ 250, при которой термический КПД замкнутого цикла составит h_t ≈;89.01%, а разомкнутого цикла h_tраз =83.53%. Дальнейшее увеличение степени сжатия цикла выше величины ε; ≈;250 лишается теоретического смысла, так как свободная энергия цикла полностью преобразована в работу и в теплоту компенсации. Соответственно, в формуле h_t =1- 1/ε ^{k -1} величина степени сжатия не может быть произвольной величиной.

Полное преобразование свободной (подведенной) энергии цикла в работу и в теплоту компенсации есть первый термодинамический критерий определения максимально возможной экономичности идеального цикла.

Вторым теоретическим критерием, позволяющим более точно определить предел величины степени сжатия циклов, является количество работы сжатия.