Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 [ 2 ] 3 4 5 ... 20

ГЛАВА II

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Для изучения тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, для оценки этих процессов в отношении их совершенства и для получения отчетливого представления о способах улучшения экономического использования теплоты в двигателях необходимо прежде всего рассмотреть термодинамические циклы, т. е. термодинамические круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу.

В отличие от действительных рабочих циклов, протекающих при работе реальных машин, условно допускается, что в термодинамических циклах отсутствуют какие-либо потери, кроме отдачи теплоты холодному источнику.

Рассмотрение любого термодинамического цикла двигателей внутреннего сгорания основывается на следующих четырех допущениях:

1) цикл протекает с постоянным количествол;! одного и того же рабочего тела (газа), в результате чего исключаются из рассмотрения потери, возникающие при наполнении цилиндра свежим зарядом и удалении из него отработавших газов;

2) химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла; этим условием исключается из рассмотрения процесс сгорания, который заменяется некоторым фиктивным процессом подвода теплоты извне и, следовательно, не учитываются тепловые потери, в действительности возникающие при сгорании топлива в двигателе;

3) процессы сжатия и расширения протекают по адиабатическому закону, т. е. без теплообмена с окружающей средой. При этом условии не рассматриваются те тепловые потери, которые получаются в действительном цикле во время процессов-сжатия и расширения;

4) теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры. Указанные допущения облегчают рассмотрение термодинамических

циклов вследствие более простых аналитических соотношений, что позволяет более точно выделить влияние тех факторов, которые определяют экономичность и эффективность рассматриваемого цикла.

Из приведенного выше следует, что к. п. д. термодинамических циклов получаются более высокими, чем в реальных двигателях. Значение анализа циклов заключается только в том, что его результаты позволяют выяснить влияние основных термодинамических факторов на совершенство обращения теплоты в работу и сравнить различные циклы в отношении их экономичности и эффективности.

Термодинамические циклы, как прототипы реальных процессов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания, различаются между собой по условиям сообщения теплоты рабочему телу и отдачи ее холодному источнику. Теплота может подводиться и отводиться на одном или нескольких

2 Орлкн и др. 2146

участках цикла, причем как сообщение, так и отдача теплоты холодному источнику могут происходить с изменением и без изменения объема рабочего тела.

Экономичность термодинамического цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия, представляющим собой отношение количества теплоты, превращенной в работу, к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу. Наряду с экономичностью цикла такой же важной характеристикой является его эффективность, определяемая удельной работой цикла, т. е. работой, приходящейся иа единицу разности -максимального и минимального объемов рабочего тела. Удельная работа

с				-/(НА

Фиг. 7. Термодинамический обобщенный цикл.

(в кгм/м- ) численно равна некоторому среднему постоянному давлению (В кг/м^), которое при изменении объема рабочего тела от минимального до максимального совершает работу, равную работе цикла. Величина этого среднего давления определяет, таким образом, размеры расширительной машины.

Условия получения максимальной экономичности и максимальной эффективности могут не совпадать. Например, из курса технической термодинамики известно, что наивыгоднейшим по экономичности является цикл с изотермическим подводом и отводом теплоты. Однако осуществление такого цикла в действительном двигателе внутреннего сгорания не имеет практического значения, так как удельная работа этого цикла в реальных пределах изменения состояния рабочего тела ничтожно мала. Таким образом, практическое значение для характеристики совершенства цикла имеет не только его экономичность, но в некоторых случаях выбор цикла может определиться условием получения не наиболылей экономичности, а наибольшей удельной работы.

Прототипом действительных рабочих циклов обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания или отдельных элементов комбинированных двигателей служит так называемый обобщенный термодинамический цикл (фиг 7). Этот цикл состоит из двух последовательных участков, соответ-

Комбинировамны.м двигателел! называепся двигатель внутреннего сгорания, состоящий из Нескольких компрессорных и рясширительиых машин (поршневых двигателей, газовых турбин, компрессоров) и устройств для подвода и отвода теплоты (холодильников, дожигательных камер), объединенных общим рабочим телом, совершающи.ч единый цикл. Термодинамические циклы комбинированных двигателей рассматриваются в курсе Комбинированные двигатели внутреннего сгорания .

Общие замечания

ствующих подводу теплоты при постоянном объеме cz и постоянном давлении zz, двух участков, соответствующих отводу теплоты при постоянном объеме l?f и постоянном давлении fa, и двух участков адиабатического изменения состояния рабочего тела: сжатия ас и расширения zb.

Как известно из курса технической термодинамики, увеличение экономичности и эффективности цикла можно получить расширением пределов изменения состояния рабочего тела. При практическом осуществлении рабочих циклов двигателей внутреннего сгорания пределы изменения давлений и объемов определяются следующими условиями.

Нижний предел давления р^, есть давление окружающей среды (атмосферное давление), в которую удаляется рабочее тело после совершения цикла, так как рабочее тело (продукты сгорания) в основном состоит из газов, неконденсирующихся при температуре окружающей среды. Верхний предел давления р^ определяется развитием металлургии и технологии, свойствами материалов (прочность, удельный вес и др.), которые могут быть применены в дв ига телестроении, и совершенством методов их обработки. По мере развития этих областей техники верхний предел давления циклов двигателей повышается. В первых двигателях внутреннего сгорания этот предел составлял около 20 кг/см, в настоящее время - примерно 200 кг/см-\

Уменьшение минимального объема 1/, рабочего тела ограничивается ростом давления конца сжатия до максимального давления цикла (точка z ). В действительном рабочем цикле увеличение потерь при высоком сжатии рабочего тела дополнительно ограничивает возможность уменьшения минимального объема. Наконец, в тех двигателях, в которых сжатию подвергается рабочая смесь, величина минимального объема не может быть выбрана слишком малой во избежание воспламенения рабочей смеси в процессе сжатия вследствие роста температуры.

Наибольший возможный максимальный объем рабочего тела достигается при продолженном расширении рабочего тела до минимального давления цикла р^, (точка Ь'). При этом возрастает термический к. п. д. и работа цикла. Однако с увеличением объема V. быстро уменьшается среднее давление цикла. При практическом осуществлении цикла с продолженным расширением в поршневом дьигателе потери в реальных процессах быстро растут с увеличением разности l/, - min и некоторое увеличение работы цикла не компенсирует этих потерь. Вместе с тем уменьшение среднего давления цикла приводит к необходимости увеличивать размеры цилиндра. Поэтому в порншевых двигателях внутреннего сгорания осуществляют цикл aczzb a, заканчивая расширение рабочего тела в точке Ь . Дальнейшее увеличение среднего давления цикла может быть получено нри окончании расширения в точке Ь . При этом начало сжатия рабочего тела из точки а переносится в точку а' с повышением начального давления рабочего тела над давлением окружающей среды. В реальном двигателе это достигается предварительным сжатием воздуха особым нагнетателем (так называемый наддув двигателя).

Уменьшение максимального объема рабочего тела V для увеличения среднего давления цикла приводит к уменьшению термического к. п. д. цикла вследствие увеличения (пропорционального площадке ab bf на Ts-диаграмме фиг. 7) количества теплоты, отводящейся от рабочего тела при неполном расширении. При использовании этой теплоты в другой расширительной машине (газовой турбине) или в другом устройстве для утилизации теплоты (паровой котел), в которых не возникает таких больших потерь энергии при увеличении объема V, как это наблюдается в поршневом двигателе, общий термический к. п. д. всей установки может быть получен большим, чем в случае продолженного расширения в поршневом двигателе.

В СВЯЗИ с отмеченными особенностями осуществления действительных рабочих циклов использование циклов с продолженным расширением в поршневых двигателях оказывается нецелесообразным. Поэтому в термодинамических циклах поршневых двигателей, рассматриваемых в настоящем курсе, отдача теплоты холодному источнику осуществляется только при постоянном объеме, а сообщение теплоты может осуществляться различными способами. Ниже исследуются три термодинамических цикла, различающиеся способами подвода теплоты.

§ 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Смешанный никл. Смешанный цикл (фиг. 8) характеризуется тем, что сообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме - участок сг (Qj), а затем при постоянном давлении-участок г'г {Q ) При этом общее количество подведенного тепла Q] = Q{ + Q[- Отдача теплоты происходит на участке Ьа (Qz)-

Как известно из курса техническом термодинамики, термический к. п. д. этого цикла выражается формулой

I-I + kkip- \)

где е =

Pz Рс

- степень сжатия, представляющая собой отношение объемов в начале и в конце сжатия;

- степень повышения давления,

представляющая собой отношение максимального давления цикла к давлению конца сжатия р^;

степень предварительного расширения, представляющая собой

с

отношение объемов в точке г и в точке с; - - показатель адиабаты, определяемый отношением теплоемкости

Фиг. 8. Смешанный цикл V

При постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

В выражение (1) не входит степень последующего расширения В = =, которая так же, как величины е, Л и р, является основной характеристикой цикла

Три из основных параметров цикла связаны между собой следующим уравнением:

так как = V.

Степень повышения давления X с этими параметрами непосредственно не связана.

Смешанный цикл обычно принимается в качестве прототипа рабочего цикла двигателей с воспламенением от сжатия.

Цикле сообщением теплоты при р = const. Этот цикл (фиг. 9) отличается от смешанного цикла тем, что на участке, соответствующем

сообщению теплоты Q, давление остается постоянным. В остальном протекание этого цикла одинаково со смешанным циклом. Выражение термического к. п. д. этого цикла может быть легко получено непосредственно из выражения (1) как частный случай.

При отсутствии сообщения теплоты при V = const давление в этот период цикла не повышается (р^. = р^) В этом случае степень повышения давления принимает частное значение X === 1. При подстановке этого значения в выражение (1) получим следующее выражение для цикла с сообщением теплоты при р = const:

.= 1--ir-b. (3)

/г(р-1)

Этот цикл является прототипом рабочего цикла тех двигателей с воспламенением от сжатия, в которых протекание процесса сгорания может быть отрегулировано при почти постоянном давлении.

Фиг. 9. Цикл с сообщением теплоты при р = const.

Фиг. 10. Цикл с сообщением теплоты при F = const.

Цикл с сообщением теплоты при V = const. Данный цикл (фиг. 10) характеризуется тем, что в нем теплота подводится только при постоянном объеме рабочего тела Выражение термического к. п. д. этого цикла можно также получить из уравнения (1). В данном случае степень предварительного расширения принимает частное значение р = 1 (так как = Vg) Подставляя это значение р в выражение (1), получаем

-nt- --; (4)

Цикл с сообщением теплоты при V = const принимается в качестве прототипа рабочих циклов всех двигателей, которые могут быть объединены под общим названием двигателей с принудительным зажиганием К ним относятся бензиновые, керосиновые и газовые двигатели, а из двигателей тяжелого жидкого топлива - калоризаторные двигатели.

В отдельных случаях цикл с сообщением теплоты при V = const служит также для анализа и расчета рабочего цикла быстроходных двигателей с воспламенением от сжатия.

Как было указано выше, работа термодинамического цикла характеризуется величиной среднего давления цикла Р^, которое представляет собой работу за цикл, отнесенную к 1 рабочего объема цилиндра (удельная работа):

P.=z кгм1м^ или кг1м^;

= 10 кг 1см

а для смешанного цикла

Qi --= Qi И- Qi = Cv (П' - Т,) Ч- (Г, - Г,-) =

= с^Л>- 1 4- />(р- П1 =-c7y~l ~ 1 k\{o- 1)1, (5)

выражение для величины принимает следующий вид:

Й?17=пт + Мр -1)1 - (6)

Учитывая, что

окончательно получаем для смешанного цикла

где R - газовая постоянная.

В цикле с сообщением теплоты при р -const (X = 1) будет иметь

= р. (АГГ^ЬЛ)-<8> В цикле с сообщением теплоты при V = const (р = 1)

Pt=Pa (,-1)(в-1) ->-

§ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

Цикл с сообщением теплоты при 1/ = const. 11аиболее простую форму зависимости термического к. п. д. от различных факторов имеет цикл с сообщением теплоты при V = const. Выражение (4) показывает, что величина этого цикла зависит только от двух величин: от степени сжатия е, которая является конструктивным параметром двигателя (определяется относительной величиной объема сжатия), и от показателя адиабаты k, т. е. от природы рабочего тела.

Из выражения (4) видно, что чем больше степень сжатия двигателя, тем выше его термический к, п. д. При увеличении показателя k термический к. п. д. повышается. Эти зависимости графически показаны на фиг. 11. Следует иметь в виду, что термический к. п. д. цикла с сообщением теплоты при V = const при принятых значениях е и k не зависит от работы цикла. Так как изменение работы цикла связано с соответствующим изменением

Среднее давление было определено так же, как воображаемое постоянное давление, которое за один ход поршня производит работу, равную работе цикла.

Так как работа цикла в калориях выражается произведением QiTj, то

Р - QiK

Вследствие того, что

количества теплоты, сообщаемой рабочему телу, то увеличение работы цикла сопровождается увеличением степени повышения давления Л, т. е. одновременно увеличиваются максимальные давление и температура цикла. Величина \ не входит в выражение -п^ цикла с сообщением теплоты при V ~ = const. Следовательно, для этого цикла изменение количества подведенной теплоты, а также и работы цикла не влияет на термический к. п. д. Степень повышения давления X, как видно из выражения

С увеличением степени сжатия е уменьшается, а с увеличением теплоты Qj

возрастает.

Максимальное давление

увеличивается как с увеличением е, так и с увеличением Qj.

Среднее давление цикла с сообщением теплоты при V = const k

15 .0 5.0 55 6.0 6.5 7.0 £

Фиг. 11. Диаграммы термического к. п. д. цнкла с сообщением теплоты при V = const.

Прямо пропорционально давлению начала сжатия. Величина р^ сущест- венно влияет на величину работы пикла и мощность двигателя.

С увеличением степени сжатия е среднее давление цикла с сообщением теплоты при V = const при одном и том же количестве сообщаемой теплоты Qj повышается, давление p растет с повышением степени сжатия е медленнее, чем терлтнческий к. п. д. f\f. Так, например, при увеличении s от 4 до 7 .(при k ~ 1,3) термический к. п. д. повышается иа 30%, а давление р^ на 14%.

Степень повышения давления \ также влияет на среднее давление Цикла р^: чем больше степень повышения давления Л, тем больше давле-.ние p, причем велмчиш р^ растет быстрее, чем степень повышения давления \.

Произведенный анализ формул (4) и (9) показал, что для повышения термического к. п. д. и удельной работы двигателей, работающих по Циклу с сообщением теплоты при V ~ const, необходимо стремиться к иовышешю степени сжатия. Однако в существующих двигателях этого типа верхний допустимый предел степени сжатия, как было указано, лимитируется условиями нормального сгорания, явления преждевременной вспышки и детонации (см. гл. IV) не позволяют чрезмерно повышать величину е. Для современных карбюраторных бензиновых двигателей верхний предел степени сжатия е = 6,5 9,0, для керосиновых двигателей е == 4,5 5,00 и для газовых двигателей е = 8 10.

Цикл с сообщением теплоты при р = const. Выражение (3) термического к. п. д. цикла с сообщением теплоты при р = const показывает, что степень использования теплоты в этом цикле зависит не только от степени сжатия е и показателя адиабаты но и от степени предва-

рительного расширения р. При этом параметры е и k влияют в этом цикле на термический к. п. д. -ц^ так же, как в цикле с сообщением теплоты при К = const, а увеличение степени предварительного расширения р вызывает уменьшение термического к. п. д. На фиг. 12 показана зависимость термического к. п. д. цикла с сообщением теплоты при р = const от перечисленных выше параметров. В цикле с сообщением теплоты при р = const степень предварительного расширения р находится в непосредственной зависимости от количества сообщенной теплоты и, следовательно, от величины работы цикла. Отсюда вытекает, что с увеличением работы цикла с сообщением теплоты при р = const термический к. п. д. падает, максимальное значение коэффициента f\f будет при работе двигателя на холостом ходу, когда количество теплоты, сообщенное на участке cz, минимально. Максимум к. п. д. tif при работе двигателя вхолостую указывает на то, что в этом случае преобразование теплоты в механическую работу происходит наиболее экономично, хотя это ни в коей мере не указывает на степень полезного использования этой работы.

Среднее давление цикла с сообщением теплоты при р = const

Pt= Ра (e l)(fe .!)- -/г^ (Р - 1)

2.0 2,5 3.0 fi

Фиг. 12. Диаграмма термического к. п. д. цикла с сообщением теплоты при р = const.

как и любого другого цикла, пропорционально давлению начала сжатия р^.

Как и в цикле с сообщением теплоты при V = const, при одном и том же количестве сообщаемой теплоты QJ с увеличением степени сжатия среднее давление pf повышается медленнее, чем термический к. п. д. С увеличением значения k среднее давление цикла Pf при том же условии увеличивается пропорционально к. п. д. f\f.

Как было указано ранее, с увеличением степени предварительного расширения р термический к. п. д. tif понижается, а среднее давление цикла повышается и при том более резко, чем величина р. Так, например, с изменением степени предварительного расширения р от 2 до 3 давление pf увеличивается на 84%.

Смешанный цикл. В смешанном цикле общее количество сообщенной теплоты может различно распределяться между участками постоянного объема и постоянного давления В зависимости от этого параметры А и р, определяющие собой количества сообщенной теплоты на каждом из этих участков в отдельности, при постоянном суммарном количестве сообщенной теплоты Qi могут принимать различные значения, но должны быть связаны между собой некоторым определенным соотношением. Действительно, если общее количество теплоты Qi = + Qj постоянно, то при увеличении количества теплоты Qj, количество теплоты Qj, сообщенной на участке

р = const, уменьшится и, следовательно, уменьшится степень предварительного расширения р.

Функциональная зависимость между величинами Лир при Qj = const может быть установлена на основании выражения (5) общего количества теплоты:

При постоянных значениях е, /г и температура также является величиной постоянной. Отсюда следует, что

= const = А.

По этому выражению, задаваясь различными значениями Л, можно получить соответствующие значения р или найти величину X при заданной величине р. Подставляя полученные значения X и р в выражение (1), можно установить влияние соотношения между этими параметрами на степень использования теплоты в цикле при прочих равных з^словиях.

На фиг. 13 показана зависимость к. п. д. т^ смешанного цикла от величин Л, X и р. На этой диаграмме крутые кривые соответствуют термическому

50 75 100 125 150 1?5p,f<z/cMi

Фиг. 13. Диаграмма термического к п. д. смешанного цикла по данным Н. Р. Брилинга

1,5 Z.0 2,5 3.0 3,5 Л

Фиг. 14. Диаграмма среднего давления смешанного цикла.

К. п. д. при постоянных значениях А в зависимости от изыепеЕшя параметров Я: и р, а пологие кривые к. п. д. - fi, при постоянном значении р в зависимости от степени повышения давления \ для разных количеств сообщенной-теплоты. Диаграмма построена для е = 16 и /г= 1,4.

Из кривых на фиг. 13 видно, что при постоянной величине А использование теплоты улучшается с увеличением Л, т. е. доли теплоты, сообщенной при V - const. Термический к. п. д. щустшгет максимума при р = J. С возрастанием значения X при постоянной величине р вследствие увеличения общего количества сообщенной теплоты термический к. п. д. также-несколько повышается.

Из формулы (1) видно, что влияние параметров е и /г на термический к. п. д. в смешанном цикле остается таким же, как в циклах с сообщением теплоты при V = const и с сообщением теплоты при р - const: при увеличении степени сжатия е и показателя адиабаты k термический к. п. д. ti повышается.

Влияние величин Л и р на среднее давление смешанного цикла р^ видно-на фиг. 14.

Если р = const, г \ Ф const, то нри увеличении значения Л возрастает давление р^. Влияние величины Л на давление Pf в смешанном цикле менее-сильно, чем в цикле с сообщением теплоты при V = const, при этом увеличение давления р^ опережает рост величины \ .

Если const, а Л = const, то влияние величины р на среднее давление-цикла аналогично влиянию в цикле с сообщением теплоты при р ~ const;, с увеличением значения р давление повышается, опережая рост величины р.-

Из выражений (5) и (7) видно, что в том случае, когда величины Л и р изменяются одновременно при Qj = const среднее давление смешанного цикла изменяется пропорционально изменению к. п. д. т].

На фиг. 13 видно, какой из трех рассмотренных циклов выгоднее в термическом отгюшении (в случае возможности их осуществления с одинаковой <;тепеныо сжатия е). Верхняя горизонтальная прямая соответствует предельному значению р = 1, т. е. в этом случае смешанный цикл обращается в цикл с сообщением теплоты при V const. Этой горизонталью определяется максимальное значение fif независимо от величин А и X. В другом предельном случае {X = 1), т. е. при переходе от смешанного цикла к циклу с сообщением теплоты при р - const, при каждом значении А получается минимальная величина к. п. д. -ц^. Таким образом, при одинаковой степени сжатия наиболее экономичным является цикл с сообщением теплоты при V ~ const, смешанный же цикл занимает в этом отношении промежуточное место.

Следует указать, что при одинаковой степени сжатия е и одинаковом количестве подведенной теплоты максимальное давление различных циклов неодинаково. Наибольшее давление цикла р^ = Хр изменяется -пропорционально величине X и, следовательно, имеет наименьшую вели-чину для цикла с сообщением теплоты при р ~ const и наибольшую для цикла с сообщением теплоты при V = const (фиг. 14).

Предельное значение А возрастает с величиной Q. Поэтому при большом Qi давление р^ цикла с сообщением теплоты при V ~ const может быть в несколько раз больше давления р^ цикла с сообщением теплоты при р = const, достигая при этом весьма значительной величины. Таким образом, увеличение экономичности цикла сопровождается повышением его макси- мального давления.

Однако увеличение экономичности цикла, как видйо из кривых (фиг. 13), сильно замедляется с увеличением значения А, Большое увеличение давления Pz не оправдывается незначительным возрастанием к. п. д. fi. Поэтому смешанный цикл оказывается практически более целесообразным, чем цикл с сообщением теплоты при V = const.

Более высокий к. п. д. цикла с сообщением теплоты при V = const перед циклом с сообщением теплоты при р = const получается при одинаковой степени сжатия. Если сравнить циклы при одинаковых значениях р, и Qj, но различных степенях сжатия е, то термический к. п. д. оказывается более высоким у цикла с сообщением теплоты при р = const, чем у цикла с сообщением теплоты при V = const. Это объясняется тем, что при одинаковых давлениях р^ степень сжатия в цикла с сообщением теплоты при V = = const будет значительно ниже, чем у цикла с сообщением теплоты при р = const. Величина термического к. п. д. смешанного цикла при этом условии имеет промежуточное значение.

1 [ 2 ] 3 4 5 ... 20