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压缩过程

2010-10-29 18:44阅读:
二节 压缩过程
一、压缩过程的作用
在柴油机的工作循环中,换气过程完成之后,接下来就要进行压缩过程。四冲程柴油机的压缩过程是从活塞由下止点向上运动时,由进气阀(或气口)完全关闭时开始,直到活塞到达上止点附近喷入燃油着火为止。
在柴油机工作循环中,压缩过程的主要作用如下:
(一)通过压缩过程将吸入气缸中的新鲜空气的压力、温度提高,为燃油燃烧创造良好条件;扩大工作循环的温度范围,使燃烧过程终点温度提高,从而提高了平均吸热温度,也就提高了循环的的热效率。
(二)压缩过程使工质获得尽可能大的膨胀比,工质推动活塞做更多的动。
二、影响压缩过程的因素
(一)平均多变压缩指数n1
柴油机的实际压缩过程与理想循环中的压缩过程有很大差别。实际压缩过程并不是在下止点开始、上止点结束的;工质与周围零件存在有复杂的热交换,在气缸中的各处温度也不均匀;在活塞环与气缸壁间,气阀与阀座之间存在不同程度的漏气,在压缩过程末期又喷入部分燃油变成油气,这就使得工质数量、成分发生变化;随着温度的不断升高,工质的比热也发生变化。因此实际循环的压缩过程不是一个理想的绝热过程,而是一个相当复杂的过程。但仍然可以根据工程热力学的基本理论建立实际压缩过程的多变方程式

式中,c为常数;n1'为变化的多变压缩指数。
图2-5为p-V图上的压缩过程曲线。abec为实际压缩曲线,an为绝热压缩曲线,bem为自b点开始的绝热压缩曲线。

在实际压缩过程的初期ab段,工质的温度低于周围零件的温度,

工质自气缸等周围热件吸收热量,所以实际压缩线ab段比从a点开始的绝热压缩线an陡些,此阶段的多变压缩指数n1'大于绝热压缩指数k1。


压缩过程继续进行,工质由于压缩及吸收缸壁等热件的热量后,温度不断上升。因此,在实际压缩过程中,必然出现工质既不从气缸等零件吸热,也不向它们散热的暂短绝热压缩段be,它与从b点开始的绝热压缩线重合,其多变压缩指数n1'=k1。
工质从e点继续被压缩。温度将高于气缸壁等周围零件的平均温度,并开始向它们散热,实际压缩线ec段比由e点开始的绝热压缩线平些,其多变压缩指数n1'小于绝热压缩指数k1。
可见,在整个实际压缩过程中,实际多变压缩指数是一直变化的。
在柴油机热计算中,只是需要利用多变压缩指数求出压缩终点的参数pc和Tc,并不需要知道它的实际变化情况;因此,为了简化起见,用一个假定不变的平均多变压缩指数n1来代替实际不断变化的多变压缩指数n1',但n1必须满足用pa、Ta计算出的pc、Tc值时,与实际压缩过程的值相同。即n1应满足

在有柴油机示功图的情况下,可以从示功图上量得压缩始点、终点的参数后由上式求得n1值。在新设计柴油机进行热计算时,不可能打出示功图,这时要根据同类型柴油机选取n1值。根据统计资料n1范围如下
风冷柴油机 n1=1.39~1.42;
低速增压柴油机(活塞冷却) n1=1.30~1.36;
高速增压柴油机(活塞冷却) n1=1.28~1.37;
中速增压柴油机(活塞冷却) n1=1.35~1.37;
高速非增压,非活塞冷却,燃烧室有镶块的柴油机 n1=1.37~1.40。
在实际压缩过程中,平均多变压缩指数n1低于绝热压缩指数k1,总的说工质向外散热。我们希望减少散热,n1大些。下面分析一下影响平均多变压缩指数n1的主要因素。
1、柴油机的转速
转速提高后,一方面工质向气缸壁散热的时间缩短,减少散热;另一方面也使漏气量减少。因此,提高转速使n1增大,压缩终点参数有所提高,有利于柴油机的起动和燃烧。
2、气缸尺寸
气缸直径D和行程S越大,则单位气缸容积的相对散热面积越小,工质相对散热量也减少,n1也就越大。
3、冷却强度
柴油机冷却越强,则气缸等部件温度越低,则n1就越小。
4、增 压
增压后由于压缩过程中,工质的平均温度较高,散热量增加,所以增压后的n1比非增压的n1值稍低。
5、负 荷
负荷增加时,由于每循环喷油量增加,使气缸壁等零件温度增高,在压缩初期工质吸热多,末期散热减少,所以使n1提高。
(二)压缩比
1、几何压缩比和有效压缩比
压缩比是柴油机中很重要的结构参数,根据柴油机的实际压缩过程,压缩比可分为几何压缩比和有效压缩比。所谓几何压缩比是指活塞位于下止点时,气缸中的全部容积Va与压缩容积(燃烧室容积)Vc的比值,即

但在实际压缩过程中,压缩始点并不在下止点开始,而是在进、排气阀(口)全部关闭后开始的。因此,在压缩冲程中有一段行程失效,使有效活塞冲程容积为Vh,则有效压缩比为

式中 ψs---- 冲程失效系数。
2、压缩比的选择
压缩比的大小对柴油机的起动与燃烧、经济性、机械负荷都有较大影响。不同类型的柴油机根据其主要矛盾选择适当的压缩比。

压缩比有一个最低限度,就是在压缩冲程终点的温度Tc比燃油的自燃温度(540~560K)高200~300K,以保证可靠的起动。在一定范围内,压缩比愈高柴油机的热效率愈高,但压缩比过高热效率提高就不明显了,只会使pc提高,导致最高燃烧压力过高,加大部件的机械负荷,使磨损增加。因此,压缩比的选用应能保证冷车起动和轻负荷顺利运行的最小值。
为了提高柴油机的的功率,增压压力不断提高,在超高增压柴油机中,增压压力可达500~700kPa,为了限制最高燃烧压力,压缩比不得不降低到8以下,这样就难于保证柴油机的冷车起动,所以必须采取其它辅助起动措施。为此,在增压大功率柴油机中的压缩比选择首先考虑最大燃烧压力的限制值。


一般柴油机的压缩比范围如下:
低速柴油机 ε=12~13;
中速柴油机 ε=14~15;
高速柴油机 直喷式 ε=14~18;
分开式 ε=18~22;
增压柴油机 ε=12~15。
三、压缩过程终点参数
根据多变压缩过程的状态方程式



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