Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Процесс сжатия

Процесс сжатия

Назначение процесса сжатия. Факторы, обусловливающие выбор величины степени сжатия.

Посредством сжатия свежего заряда достигают увеличения температурного перепада, при котором осуществляется дейст­вительный цикл, улучшаются воспламенение и горение топлива. Это позволяет получить большую работу при расширении про­дуктов сгорания и повысить экономичность двигателя.

Идея сжатия рабочей смеси перед ее сжиганием и последующим рабочим ходом обеспечила конкурентоспособность по­ршневого двигателя внутреннего сгорания.

Сжатие в двигателе происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ после закрытия впускного клапана (продувочных окон) и сопровождается теплообменом.

При проектировании дизеля степень сжатия выбирают исходя из следующих условий.

1. Степень сжатия должна быть достаточной для достижения в конце сжатия температуры воздуха, обеспечивающей надежное самовоспламенение топлива при наиболее неблагоприятных усло­виях эксплуатации, какими являются запуск двигателя при низ­кой температуре окружающей среды. Для этого температура воз­духа в конце сжатия должна быть выше температуры самовоспла­менения топлива на 100—300 К.

2. При выбранной степени сжатия должен быть обеспечен дос­таточно высокий КПД двигателя. Как известно, термический КПД цикла с увеличением степени сжатия непрерывно возрастает, по­этому с целью повышения экономичности двигателя желательно добиваться возможно более высоких значений степени сжатия. Из представленной на рис. 2 зависимости термического КПД от сте­пени сжатия видно, что с увеличением прирост уменьшается. В действительном же цикле реального двигателя с увеличением степени сжатия возрастает давление в процессах цикла и увеличи­ваются затраты энергии на преодоление сил трения в двигателе. В результате эффективный КПД двигателя при больших не только не возрастает, но даже уменьшается. Исследования показывают, что увеличение степени сжатия сверх 11—12 не дает за­метного увеличения эффективного КПД. Однако, для обеспечения

Рис. 2. Зависимость термического КПД идеального цикла от степени сжатия при различных и .

Однако, для обеспечения надежного протекания рабочего процесса при запуске дизелей применяют более высокие степени сжатия.

Выполненные дизели с неразделенными камерами сгорания имеют степень сжатия от 11 до 18. Для дизелей с разделенными камерами эта величина достигает 22.

Теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра в процессе сжатия.

В теоретических циклах теплообмен между рабочим телом и окружающей средой отсутствует и процесс сжатия протекает адиа­батически. В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер, он сопровождается непрерывным, переменным по вели­чине и направлению теплообменом между свежим зарядом воз­духа и окружающими его деталями цилиндро-поршневой группы, а также частичной утечкой заряда через неплотности в сопряжениях деталей.

В реальных двигателях процесс теплообмена представляет собой политропический процесс. На рисунке 3 показан примерный характер изменения показате­ля политропы в процессе сжатия и взаимное расположение поли­тропы и адиабаты сжатия.

Рисунок 3. Изменение показателя политропы и давления в процессе сжатия

В начале процесса сжатия температура свежего заряда ниже температуры поверхностей деталей, поэтому начальный период процесса сопровождается подводом теплоты к заряду. При этом значение показателя политропы сжатия n1 больше показателя адиабаты k1.

В дизельных двигателях численное значение показателя поли­тропы в начале сжатия достигает примерно 1,5—1,6 и более (в за­висимости от теплового состояния двигателя и температуры по­ступающего воздуха).

По мере движения поршня от н.м.т. к в.м.т. температура све­жего заряда непрерывно повышается и теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями вследствие уменьшения разности их температур снижается, следовательно, показатель политропы сжатия непрерывно уменьшается. Когда температуры сжимаемого заряда и стенок цилиндра сравняются, тепловой поток станет равным нулю и мгновенное значение показателя политропы сжатия будет равно показателю адиабаты.

Дальнейшее повышеие температуры сжимаемого заряда изменяет на­правление теплового по­тока и процесс сжатия сопровождается отводом тепла от рабочего тела к окружающим его дета­лям.

Кривая процесса сжатия в этом случае проходит более полого, чем адиабата сжатия, значение показателя политропы становится меньше показателя адиабаты , причем разность между ними увели­чивается по мере прибли­жения поршня к в.м.т.

Некоторое увеличение показателя политропы сжатия вблизи в.м.т. может происходить вследствие того, что поверхность теплообмена при этом положении поршня мала, а температура поверхностей, образующих камеру сгорания, сравнительного высока, и хотя тепло и отводится от рабочего тела к стенкам, но этот теплоотвод может оказаться количественно меньше, чем при более раннем (до в.м.т.) положении поршня.

Расчет процесса сжатия с переменным показателем политропы сопряжен со значительными трудностями. С целью упрощения расчета действительный процесс сжатия с переменным показателем политропы заменяют политропным процессом с некоторым постоянным показателем n1, который называется средним показа­телем политропы сжатия. Численное значение n1 выбирается та­ким, чтобы теплообмен в политропном процессе с выбранным показателем n1 равнялся бы суммарному теплообмену в действитель­ном процессе сжатия.

Читать еще:  Что такое вечный двигатель первого типа

Суммарный теплообмен в течение процесса сжатия, как прави­ли, невелик и составляет 1—3% от подводимого тепла и направлен от рабочего тела к окружающим его деталям двигателя.

Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия и в конце впуска связаны между собой уравнением политропы сжатия:

Система изменения степени сжатия топливной смеси современного ДВС

Важным техническим показателем современного ДВС является степень сжатия, которая представляет собой отношение объема рабочего цилиндра, когда поршень находится в, так называемой, нижней мертвой точке (НМТ) к объему камеры сгорания.

Рост степени сжатия позволяет создавать наиболее подходящие условия для воспламенения ТВС (топливо-воздушной смеси) в камере сгорания, и как результат – более рационального использования выделяемой при этом энергии.

Особенности системы изменения сжатия

Степень сжатия изменяется в зависимости от типа используемого топлива и рабочих режимов двигателя. Подобные изменения учитываются и применяются системой изменения степени сжатия.

В бензиновых ДВС данный показатель ограничивается исключительно той областью, в которой происходит детонация ТВС. При малых нагрузках увеличение сжатия не приводит к процессу детонации, а вот при усиленных нагрузках детонация может достигнуть критической точки.

Снижение сжатия приводит к увеличению мощности двигателя и снижению потребления топливной смеси. Однако стоит соблюдать равновесие между увеличением и снижением данного показателя, поскольку чрезмерно низкая степень сжатия и малые нагрузки могут привести к снижению мощности и экономичности двигателя.

Сама же система предназначена для того, чтобы обеспечить увеличение мощности и вращающегося момента, уменьшения расхода топлива и токсичности отработанных газов. Система обеспечивает слаженную работу двигателя на разных видах топлива без снижения эффективности процесса детонации.

Первооткрывателем в производстве двигателей с измененной степенью сжатия является компания SAAB, которая 14 лет назад представила первый аналог 5-ти цилиндрового ДВС, оснащенного системой изменения сжатия Variable Compression. Особенностью данного двигателя являлось то, что в нем были соединены в единый механизм головка блока и цилиндровые гильзы.

Подобный механизм соединялся с валом и КШМ, который давал некоторое смещение (на 4-5 градусов), что приводило к изменению степени сжатия.

Контроль над данным показателем осуществлялся общей системой управления ДВС с учетом различной степени нагрузки. Так при максимальной нагрузке степень сжатия была минимальной, и, наоборот, при минимальной нагрузке – максимальное сжатие.

При положительных результатах по увеличению мощности и вращающегося момента, экспериментальный образец так и не был пущен в серийное производство.

В 2010 году концерном SAAB была представлена новая разработка – 4-х цилиндровый ДВС, объемом в полтора литра с системой сжатия MCE-5 Development. Подобный образец дополнительно был оснащен современной системой преобразования фаз распределения газов, а также непосредственной системой подачи топлива.

Двигатель с системой сжатия МСЕ-5

ДВС, оснащенный подобной системой, имеет достаточно сложную конструкцию, которая предполагает изменение характеристики рабочего хода поршней в цилиндрах.

Секатор зубчатый вступает во взаимодействие с рабочим поршнем и поршнем управления. Коромысло соединяется через рычаг с коленвалом.

Секатор движется под воздействием поршня управления. Камера над поршнем начинает заполняться маслом, объем которого строго контролируется специальным клапаном.

При перемещении секатора происходит изменение положении ВМТ поршня, и как следствие – изменение рабочего объема камеры сгорания при значительном интервале сжатия.

В настоящее время двигатель МСЕ-5 еще не пущен в серийное производство, но имеет неплохие перспективы развития в будущем.

Новую концепцию ДВС, оснащенного современной системой сжатия представила компания Lotus Cars. Это уникальный двухтактный двигатель, получивший название Omnivore, который позволяет использовать различные виды топлива – бензин, дизель, спирт, этанол и др.

Верхняя часть камеры оснащена шайбой, перемещение которой приводит к изменению объема камеры. Это позволяет обеспечить наивысшую степень сжатия – 40 к 1.

Несмотря на свою эффективность, подобная система сжатия в настоящее время не позволяет добиться хороших показателей относительно экономичного расхода топлива и экологичности двухтактного двигателя.

Степень сжатия

Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра (надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке, НМТ) к объёму камеры сгорания (надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, ВМТ).

ε = V h + V c V c +V_>>>> , где V h > — объём хода поршня, V c > — объём камеры сгорания.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя на снегоход питон

Увеличение степени сжатия требует использования топлива с более высоким октановым числом (для бензиновых ДВС) во избежание детонации. Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность, кроме того, увеличивает КПД двигателя как тепловой машины, то есть, способствует снижению расхода топлива.

Степень сжатия, обозначаемая греческой буквой ε , есть величина безразмерная. Связанная с ней величина — компрессия — зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия. При адиабатическом процессе сжатия воздуха зависимость эта выглядит так:

P = P 0 ∗ ε γ *varepsilon ^> , где γ = 1 , 4 — показатель адиабаты для двухатомных газов (в том числе воздуха), P = P 0 > — начальное давление, как правило, принимается равным 1.GG

Из-за неадиабатичности сжатия в двигателе внутреннего сгорания (теплообмен со стенками, утечки части газа через неплотности, присутствия в нём бензина) сжатие газа считают политропным с показателем политропы n=1,2.

При ε =10 компрессия в лучшем случае должна быть 10 1,2 =15,8

Детонация в двигателе — изохорный самоускоряющийся процесс перехода горения топливо-воздушной смеси в детонационный взрыв без совершения работы с переходом энергии сгорания топлива в температуру и давление газов. Фронт пламени распространяется со скоростью взрыва, то есть превышает скорость распространения звука в данной среде и приводит к сильным ударным нагрузкам на детали цилиндро-поршневой и кривошипно-шатунной групп и вызывает тем самым усиленный износ этих деталей. Высокая температура газов приводит к прогоранию днища поршней и обгоранию клапанов.

Понятие степени сжатия не следует путать с понятием компрессия [1] , которое обозначает (при определённой конструктивно обусловленной степени сжатия) максимальное давление, создаваемое в цилиндре при движении поршня от нижней мёртвой точки (НМТ) до верхней мёртвой точки (ВМТ) (например: степень сжатия — 10, компрессия — 15,8 атм.).

Интересные факты [ | ]

Двигатели гоночных автомобилей, работающих на метаноле, имеют степень сжатия, превышающую 15 [ источник не указан 3185 дней ] ; в то время как в обычном карбюраторном ДВС степень сжатия для неэтилированного бензина как правило не превышает 11,1.

В настоящее время только компания Mazda серийно производит бензиновые двигатели Skyactiv-G со степенью сжатия 14, которые устанавливаются на такие автомобили, как Mazda CX-5 и Mazda 6. Однако необходимо понимать, что это геометрическая степень сжатия, фактическая же примерно равна 12, так как двигатель работает по циклу Аткинсона, то есть смесь начинает сжиматься после позднего закрытия клапанов и сжимается в 12 раз. Эффективность такого мотора по мощности и крутящему моменту обуславливается таким понятием как степень расширения, которая обратна геометрической степени сжатия.

В 1950-60-е года одной из тенденций двигателестроения, особенно в Северной Америке, было повышение степени сжатия, которая к началу 1970-х на американских двигателях нередко достигала 11-13. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале 1970-х годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.

Как подобрать компрессор по степени сжатия?

Что такое степень сжатия?

Производительность компрессора напрямую зависит от степени сжатия рабочей среды: чем больше степень, тем меньше производительность у аппарата. Поэтому очень часто при выборе компрессора обращают внимание на эту характеристику. Рассчитывается степень сжатия (R) следующим образом:

R = Pd / Ps, где

Pd – абсолютное давление нагнетания

Ps – абсолютное давление на всасывании.

Степень сжатия — безразмерная величина, которая показы¬вает, во сколько раз повышается давление воздуха в компрессоре по сравнению с давлением воздуха на всасывании.

Рассмотрим на примере степень сжатия воздуха в одноступенчатом компрессоре. Аппарат на входе имеет давление 101 кПа. Поступающий атмосферный воздух следует сжать с давлением нагнетания до 1520 кПа (то есть от 1 до 16 атм). Таким образом, степень сжатия будет равна: 1520 / 101 = 16.

Чтобы увеличить производительность компрессора и не терять показатели по давлению используют многоступенчатое сжатие. Известно, что в процессе сжатия газа выделяется тепло. Чтобы сохранить стабильную температуру внутри аппарата, выделяемое тепло следует отводить. Для этого вокруг камер сжатия предусмотрены специальные отсеки с охлажденной водой.

В процессе сжатия воздуха при повышении давления до 4 атмосфер (405 кПа) и выше, становится все труднее полностью вывести выделяемое тепло. Поэтому для снижения температуры процесс сжатия разделяют на ступени.

Читать еще:  Что такое степень сжатия двигателя внутреннего сгорания

Процесс разделения на ступени происходит следующим образом:

На начальном этапе сжатия (первая ступень) газ сжимается до 304-405 кПа (3-4 атмосфер), и поступает в специальную камеру для охлаждения до первоначальной температуры. На втором этапе газ отводится в другую камеру, где сжимается до следующего промежуточного давления (вторая ступень), затем газ поступает на охлаждение, и так далее. Такое многоступенчатое сжатие будет задействовано до тех пор, пока показатели давления не достигнут требуемой величины.

Если взять предыдущие значения по давлению (из примера расчета степени у одноступенчатого компрессора), то в двухступенчатом компрессоре в первой ступени давление достигнет величины 4 атм (405 кПа), а на второй ступени – уже 16 атмосфер (1620 кПа). Степень сжатия в данном случае в каждой камере будет равняться 4, а производительность компрессора увеличится.

Что нужно знать при выборе компрессора по степени сжатия?

Одноступенчатый компрессор имеет только одно значение степени сжатия (R). Тогда как у двухступенчатого аппарата таких значений уже будет три: R = общая степень сжатия компрессора, R1 = степень сжатия первой ступени, R2 = степень сжатия второй ступени.

Степень сжатия рабочей среды в каждой ступени компрессора будет составлять от 2,5 до 3,5. С увеличением количества ступеней сжатия, конструкция компрессора усложняется – ввиду добавления новых камер и трубопроводов. Свыше 5-6 ступеней сжатия увеличивается стоимость аппарата и затраты на его обслуживание.

При выборе компрессора по степени сжатия, можно ориентироваться на данные Таблицы 1:

При степени сжатия более 150 количество ступеней может достигнуть 6 и более. Однако в современных компрессорах с водяным охлаждением степени повышения давления выше 7 встречаются редко.

На рисунке ниже изображен процесс четырехступенчатого сжатия:

Преимущества одноступенчатых компрессоров

Одноступенчатый компрессорный аппарат представляет собой самый простой вид компрессора – с одной камерой, где происходит сжатие рабочей среды. Например, принцип работы одноступенчатого компрессора довольно прост: поршень, работающий от энергии двигателя внутреннего сгорания, возвратно-поступательными движениями сжимает газ с требуемым давлением. Несмотря на то, что ступень сжатия воздуха в нем одна, аппарат находит широкое применение во многих сферах. Его популярность обусловлена следующими факторами:

  1. Компактные размеры и небольшой вес.
  2. Для работы достаточно задействовать двигатель небольшой мощности.
  3. Простое управление, обслуживание и ремонт.
  4. Занимает мало места.

При этом, стоит помнить, что коэффициент сжатия одноступенчатого агрегата редко достигает 16 атмосфер. По этой причине их не используют в сложных пневматических сетях, или для производства больших объемов сжатого воздуха под высоким давлением.

Двухступенчатые компрессоры – баланс производительности и мощности

Двухступенчатые компрессоры представляют собой универсальные аппараты для широкого спектра применения. Конструкция агрегата имеет уже две ступени сжатия, соответственно, нагрузка по сжатию равномерно распределяется на две камеры.

За счет экономии мощности, потраченной на сжатие воздуха, КПД компрессора увеличивается. Двухступенчатые компрессоры имеют небольшие размеры по сравнению с многоступенчатыми моделями. Срок эксплуатации у двухступенчатых компрессоров гораздо дольше, чем у одноступенчатых.

Многоступенчатые агрегаты: нюансы

Многоступенчатые компрессоры представляют собой мощные промышленные аппараты, которые используют в сложных и крупных пневмосетях для получения больших объемов сжатого воздуха. Особенности их эксплуатации заключаются в следующем:

  • Многоступенчатые агрегаты производят сжатый воздух для крупных предприятий.
  • По сравнению с одно- и двухступенчатыми моделями, многоступенчатый компрессор гарантирует бОльшую плавность распределения и перехода нагрузок на рабочие узлы и трубопровод.
  • Готовый сжатый воздух на выходе имеет относительно низкую температуру, что увеличивает срок эксплуатации осушителей и фильтров.
  • При правильном подборе компрессора и сопутствующих аппаратов риск возникновения поломок или самовозгорания – минимален.

Что выбрать?

При выборе компрессора, ресивера и другого оборудования неизменно встает вопрос о проведении расчетов технических параметров, гарантированно удовлетворяющих потребности технологического процесса. В частности, рассматривая и сопоставляя технические характеристики одноступенчатых, двухступенчатых и многоступенчатых компрессоров, можно на начальном этапе подбора оборудования понять, подходит ли аппарат для конкретного производства или нет.

Например, для пищевых предприятий или медицинских целей, предпочтительнее использовать безмасляные компрессоры низкого давления, которые выдают сухой чистый сжатый воздух, соответствующего Класса чистоты по ГОСТ. Тогда как для работы промышленного пневматического инструмента (шлифовальные машины, гайковерты, дрели) потребуется двухступенчатый компрессор среднего давления от 6-7 бар с расходом воздуха 180-450 л/мин. Но такие показатели являются усредненными данными.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector