5. Опишите, как осуществляется процесс расширения в действительном цикле. На начерченной индикаторной диаграмме обозначьте линию расширения. Напишите математическую зависимость между параметрами газа в процессе расширения, сделайте анализ

Процессы, происходящие в цилиндрах поршневого двигателя, помимо круговой диаграммы, могут быть изображены в виде индикаторной диаграммы, названной так потому, что ее вычерчивает особый прибор -- индикатор (от латинского слова -- indico, что значит указываю, определяю). Индикаторная диаграмма -- это графическое отображение изменения давления газа в цилиндре поршневого двигателя в зависимости от перемещения поршня или утла поворота кривошипа. Если индикатор вычерчивает кривую линию, которая показывает, как изменяется давление в цилиндре в зависимости от угла поворота кривошипа, то такая диаграмма называется развернутой. Положение любой точки на кривой этой диаграммы определяет величину давления в цилиндре при соответствующем угле поворота вала.

Развернутая индикаторная диаграмма (рис. 24) показывает, например, что наибольшее давление в цилиндре дизеля 10Д100 8,72 МПа (89 кгс/см2) достигается при угле поворота кривошипа нижнего коленчатого вала, равном 7° после в. м. т.

Рис. 24. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля с наддувом

По этой диаграмме может быть получена (пересчетом) кривая изменения температуры газов в цилиндре в зависимости от угла поворота кривошипа. На так называемой свернутой индикаторной диаграмме (рис. 25) изменение давления дано в зависимости от положения поршня.

Рис. 25. Индикаторная диаграмма дизеля без наддува

Участок 3--А, выделенный на рис. 26, а, соответствует горению топлива при постоянном объеме.

Такой процесс, называемый изохорным (слово «изохорный» происходят от греческих слов isos -- равный, одинаковый и chora -- место, пространство, занимаемое чем-нибудь), возможен только при очень быстром, почти мгновенном сгорании топлива.

Однако практически в двигателе с самовоспламенением от сжатия вся порция жидкого топлива не может быть впрыснута в цилиндр мгновенно и тем более мгновенно сгореть.

Рис. 26. Графическое изображение процессов горения в координатах p-V (давление - объем) а) сгорание смеси при постоянном объеме (изохорный процесс); б) сгорание смеси при постоянном давлении (изобарный процесс)

Поэтому часть топлива сгорает не при постоянном объеме, а за время перемещения поршня на величину AS (рис. 26, б). В этот период постепенного (а не мгновенного!) сгорания топлива давление газов в цилиндре не повышается, а остается постоянным (изобарный процесс- слово «изобарный» происходит от isos и греческого baros, что означает вес, тяжесть), так как при перемещении поршня одновременно увеличивается объем газов в цилиндре.

На рис. 26, б (справа) выделена линия А--4, изображающая горение топлива при постоянном давлении. Рабочий цикл дизеля называется циклом со смешанным сгоранием (линия 3--А--4 на рис. 25), так как на линии 5--Б имеет место изохорическое сгорание, а на линии А--4 -- изобарическое. Для большей наглядности отдельные участки индикаторной диаграммы четырехтактного дизеля без наддува представлены на рис. 27.

Рис. 27. Графическое изображение отдельных участков индикаторной диаграммы для дизеля без наддува и соответствующие положения поршня в цилиндре

Из всех процессов, с которыми мы познакомились, только во время одного процесса А--Б (см. рис. 25) совершается полезная работа. Остальные процессы являются вспомогательными, и на их выполнение затрачивается некоторая часть полезной работы, создаваемой в соседних цилиндрах. Рассмотрим более подробно процесс, происходящий от точки 3 до точки 4. Как указывалось выше, в конце сжатия в цилиндр подается топливо, которое воспламеняется. Предположим, что сгорание внутри цилиндра дизеля происходит настолько быстро, что поршень почти не успевает переместиться (см. рис. 26, а), т. е. будем считать, что объем цилиндра, ограниченный поршнем, практически за это время не изменится. Это, как указывалось, означает, что процесс горения топлива осуществляется при постоянном объеме, т. е. работа по перемещению поршня не совершается (работа равна нулю). На что же в таком случае идет тепло, выделяющееся при сгорании? Оно идет на нагревание рабочего тела. А с повышением температуры рабочего тела возрастает давление в цилиндре, объем которого в данном случае не меняется. В действительной индикаторной диаграмме изохорный и изобарный процессы четко не разграничены, а наоборот, первый постепенно переходит во второй, т. е. процесс сгорания происходит сложнее. Свернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизеля показана на рис. 28. Легко видеть, что в отличие от четырехтактного дизеля, здесь отсутствуют такты впуска воздуха и выпуска.

Рис. 28. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

По мере развития тепловых двигателей и увеличения их быстроходности совершенствовались и индикаторные приборы. Простые по устройству механические индикаторы уступили место более сложным, которые позволяют не только получать индикаторные диаграммы отдельных процессов и судить о правильности их протекания, но даже наблюдать эти процессы непосредственно на экране (визуальные наблюдения).