2.2.5. Процесс расширения
Процесс расширения протекает с переменным теплообменом по еще более сложному закону, чем процесс сжатия, так как кроме охлаждения расширяющихся газов добавляются явления догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации. В начале политропного процесса расширения подвод теплоты к газу вследствие догорания топлива превалирует над отводом ее в стенки камеры сгорания, и этот участок процесса расширения приближается к изотермическому (показатель политропы расширения близок по значению к единице). В дальнейшем, по мере снижения интенсивности догорания топлива, наступает момент, когда процесс расширения становится адиабатным и показатель политропы будет равен показателю адиабаты, определенному по средней температуре процесса. Конечная фаза процесса расширения сопровождается интенсивным отводом теплоты от рабочего тела, и показатель политропы становится больше показателя адиабаты. При определении параметров рабочего тела и работы расширения пользуются некоторым постоянным по значению показателем, равным среднему значению. Средний показатель политропы расширения n2оценивают с учетом опытных данных: для дизельных двигателейn2= 1.15 – 1.3; для карбюраторных двигателейn2= 1.22 – 1.28. При расчете карбюраторных двигателей для определения показателя политропы расширения используют формулу, предложенную В. А. Петровым:
,
где n - частота вращения, об./мин.
Давление в конце процесса расширения может быть определено на основании известных термодинамических соотношений для политропического процесса
,
откуда
.
Для карбюраторных двигателей, в которых все тепло сообщается при V = const, а следовательно,
,
,
;
для дизельного двигателя:
,
,
.
Величина
называетсястепенью последующего расширения,
тогда
.
В карбюраторных двигателях при полностью открытой дроссельной заслонке давление в конце процесса расширения близко к 0.4 МПа. По мере дросселирования это давление понижается прямо пропорционально давлению всасывания и на холостом ходу двигателя составляет примерно 0.15 МПа. В дизелях давление конца расширения также близко к 0.4 МПа и при уменьшении нагрузки понижается незначительно.
Для определения температуры конца расширения можно использовать соотношение
,
откуда
.
Тогда для карбюраторных двигателей:
;
для дизелей:
.
Температура в конце процесса расширения перед открытием выпускного клапана для карбюраторных двигателей примерно равна 1200–1500 К. По мере дросселирования температуры несколько понижаются вследствие уменьшения количества тепла, выделяющегося при горении топлива.
В двигателях с высокими степенями сжатия температуры и давления в конце процесса расширения понижаются, так как сгоревшие газы сильнее расширяются.
В дизелях степени сжатия выше, чем в карбюраторных двигателях, а потому температура в конце процесса расширения на 200–300° ниже. Особенно резко понижается температура конца расширения дизелей при уменьшении нагрузки, что объясняется уменьшением количества впрыскиваемого топлива.
2.2.6. Процесс выпуска
Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол 40 ... 75° и закрывается после ВМТ с запаздыванием на угол 10 ... 40°. Процесс выпуска в четырехтактных двигателях условно можно разделить на три периода:
1. Свободный выпуск.
В начале открытия выпускного клапана давление в цилиндре составляет 0.4 ... 0.6 МПа, а давление в выпускном трубопроводе 0.105 ... 0.12 МПа. Под действием этого перепада давлений происходит истечение газов из цилиндра с начальной скоростью 500 ... 700 м/с. Продолжительность первого периода соответствует примерно углу опережения открытия выпускного клапана. При свободном выпуске за относительно малое время из цилиндра удаляется 50 ... 65% отработавших газов.
2. Принудительный выпуск.
Считается, что принудительный выпуск продолжается во время движения поршня от НМТ к ВМТ. Истечение газа из цилиндра в этот период происходит главным образом вследствие изменения объема цилиндра в соответствии с законом движения поршня. Скорость истечения газа и перепад давления в выпускном клапане определяются скоростью перемещения поршня, отношением площади поперечного сечения клапанной щели к площади поршня, характером нестационарного потока газа в выпускном трубопроводе. Температура и давление газа в цилиндре в период принудительного выпуска изменяются незначительно.
3. Продувка.
Продувка осуществляется в период перекрытия клапанов, когда в зависимости от соотношения давления газа в цилиндре, во впускном и выпускном трубопроводах движение отработанных газов может быть в разных направлениях. Качественная очистка цилиндров от отработавших газов обеспечивается в двигателях с настроенной системой газообмена.