Введение. Вспомним основные положения, определяющие термодинамические качества циклов работы ДВС

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НАДДУВА

Вспомним основные положения, определяющие термодинамические качества циклов работы ДВС. Здесь под термодинамическими качествами будем понимать термический к. п. д. (h_t) цикла, работу цикла (L_t), среднее давление цикла (р_t =L_t/V_h), где V_h – рабочий объём цилиндра. Как уже известно читателю, эти показатели существенно определяют показатели действительных циклов ДВС, т. е. индикаторный к. п. д., индикаторную работу и среднее индикаторное давление или, иначе, удельную индикаторную работу. Термодинамические принципы совершенствования двигателя можно распространить на действительный цикл работы двигателя, который представляется в виде индикаторной диаграммы. Развитие двигателестроения идёт по пути совершенствования этих показателей, т. е. увеличения работы цикла, повышения среднего давления цикла (т. е. удельной работы – работы, приходящейся на единицу рабочего объёма цилиндра), повышения к. п. д. Далее следует говорить об экологических показателях, надёжности, долговечности двигателей. Все эти задачи и призван решать метод наддува ДВС.

Сравним два цикла (рис. 2.1.), в которых производится одинаковая работа L_t.

Рис. 2.1. Сравнение циклов с подводом тепла при V = Const и со смешанным подводом тепла при одинаковой степени сжатия и без ограничения уровня максимального давления Р_z при условии совершения одинаковой работы.

При этом у одного подвод тепла происходит частично при постоянном объёме (Q₁’), а частично при постоянном давлении (Q₂”) (цикл со смешанным подводом тепла), а у другого – только при постоянном объёме (Q₁^v), причём, степени сжатия (e=V_a/V_c) в обоих случаях одинаковы. Из термодинамики известно, что к. п. д. h_t=(Q₁ – Q₂)/Q₁ цикла с подводом тепла при V = Const будет выше.

Для повышения абсолютного значения работы цикла (а при одинаковых рабочих объёмах V_h - и удельной работы Р_t) необходимо увеличивать количество подведённого к рабочему телу тепла Q₁. Для реального двигателя это эквивалентно увеличению количества сгоревшего в цилиндре топлива, а его можно увеличивать лишь увеличивая количество окислителя в цилиндре - отсюда и появляется идея наддува двигателя для повышения мощности. Однако одновременно с повышением работы желательно повышать и к. п. д. цикла. Что можно сделать, увеличивая долю тепла, подведённого к рабочему телу при V = Const, вплоть до цикла с подводом всего тепла при V = Const.

Известно, что бензиновый, например, карбюраторный двигатель работает по циклу с подводом тепла при постоянном объёме. А дизель – по циклу со смешанным подводом тепла. Известно также, что дизель является более экономичным двигателем, чем двигатель карбюраторный (и вообще, дизель - самый экономичный тепловой двигатель из всех существующих). Возникает вопрос, нет ли противоречия между практическими знаниями о наибольшей экономичности дизеля (работающего по циклу со смешанным подводом тепла) и теоретическими положениями о более высокой экономичности цикла с подводом тепла при V = Const (по которому работает бензиновый двигатель (с воспламенением от искры)? Конечно, нет. Циклы на рис. 2.1. мы рассмотрели при условии одинаковых степеней сжатия. Дизель же, как известно, для обеспечения температуры рабочего тела, необходимой для самовоспламенения поданного топлива, имеет более высокие степени сжатия. Если мы хотим сравнить циклы дизеля и карбюраторного двигателя, то сравнение надо вести при разных степенях сжатия. На рис. 2.2. показано, что несмотря на то, что дизель работает по циклу со смешанным подводом тепла, его к. п. д. выше, чем к. п. д. цикла с подводом тепла при постоянном объёме.

Рис. 2.2. Сравнение циклов с подводом тепла при постоянном объёме и со смешанным подводом тепла при разных степенях сжатия, но при одинаковом количестве подведённого тепла.

Из термодинамики известно, что увеличение степени повышения давления при сгорании (l = Р_z/Р_с) приводит к росту h_t. Схема на рис. 2.2. показывает, что при одинаковом количестве подведённого тепла, количество тепла, отведённого в цикле со смешанным подводом тепла оказывается меньше, т. е. на получение работы пошло больше тепла, чем в цикле V = Const.

Работа, совершаемая циклом со смешанным подводом тепла, оказывается больше, а в этих условиях и к. п. д. – больше. Итак, при данном V_a уменьшая V_c (т. е. увеличивая степень сжатия) и увеличивая Р_z, мы идём по пути повышения экономичности цикла, а в конечном итоге – и двигателя.

Рис. 2.3. объясняет, почему дизель более экономичен, чем бензиновый или газовый двигатель с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием. Бензиновый или газовый двигатель вынужденно работают при пониженных e, так как её ограничивает возможность появления детонационного сгорания. При превышении допустимого по детонационной стойкости предела возрастания e, к. п. д. цикла резко снижается. Снижается также и долговечность, и надёжность двигателя, падает развиваемая мощность.

Рис. 2.3. Зависимость к. п. д. цикла и максимального давления цикла Р_z от степени сжатия.

У дизеля повышение e необходимо для обеспечения условий самовоспламенения впрыскиваемого в цилиндр топлива. Особенно существенно повышают степень сжатия у многотопливных дизелей. Т. е. таких, которые должны работать на нетрадиционных, обычно низкоцетановых топливах (имеющих низкие качества самовоспламенения). Только этой необходимостью объясняется повышение e до 30 – 32, потому, что ради повышения к. п. д. увеличивать e выше 18 – 20 нет смысла, т. к. прирост к. п. д. слишком мал. В то же время с ростом e интенсивно возрастает максимальное давление цикла Р_z, т. е. механические нагрузки на детали двигателя – цилиндро – поршневую группу, коленчатый вал, подшипники вала и шатунов и т. д.

Имея ограничение по уровню максимального давления цикла, приходится достигать повышения работы за счёт повышения количества тепла, подводимого при Р = Const. Схема на рис. 2.4. показывает, что увеличивая Q₁” (Q₁”₃ > Q₁”₂ > Q₁”₁) мы увеличиваем работу цикла.

Рис. 2.4. Увеличение работы цикла увеличением подвода тепла при постоянном давлении (увеличением степени предварительного расширения), при Р_z = Const, но при уменьшении к. п. д.

При этом растёт и удельная работа (Р_{t 3} > Р_{t 2} > P_{t 1}). Однако, к. п. д. цикла при этом снижается (чем больше тепла подводится при Р = Const при одинаковом общем подводе тепла, тем ниже к. п. д.). Из термодинамики известно, что к. п. д. цикла возрастает, если при данном количестве подводимого тепла Q₁ цикл реализуется при уменьшении V_c, увеличении Р_z, уменьшении Р_о, а также увеличении V_a (рис. 2.5.).

Рис. 2.5. Пути повышения к. п. д. цикла изменением его параметров: уменьшением V_c, увеличением Р_z, увеличением V_a и уменьшением Р_о. К. п. д. цикла 2 больше, чем цикла 1, хотя работы этих циклов одинаковы.

Для ДВС, как и для большинства тепловых двигателей, величина Р_о определяется давлением окружающей среды, которое в данных условиях реализации цикла не меняется. (Исключение составляет лишь паровая машина с конденсацией пара на выпуске из цилиндра, когда имеем Р_о ниже атмосферного). Уменьшение V_c ограничено конструктивными особенностями двигателя.

Камера сгорания должна иметь какой – то объём не только по условиям смесеобразования – сгорания, но и потому, что в этом объёме должны располагаться впускной и выпускной клапаны (на тактах выпуска – всасывания или наполнения, обычно – специальные выемки в поршнях). Кроме того, зазор над поршнем при положении в ВМТ должен быть достаточным для компенсации перемещения поршня инерционной силой, что определяется зазорами в подшипниках деталей ЦПГ, а также запасом на их эксплуатационный износ. (В настоящее время точность установки надпоршневого зазора регламентируется диапазоном в ± 0,25 мм).

Уровень допустимого давления Р_z ограничивается запасом прочности деталей двигателя при данных применяемых материалах и данных конструкциях этих деталей. У современных автотракторных дизелей с наддувом этот уровень может достигать 12 – 15 МПа. Однако, у высокофорсированных по наддуву дизелей специального назначения уже достигаются давления порядка 25 МПа. Т. е. на том или ином уровне, но Р_z ограничивается.

Увеличить объём V_a можно использованием цикла с продолженным расширением, когда процесс расширения протекает от уровня Р_z до уровня P_о, т. е. в этом случае общий объём цилиндра возрастает до V_b (рис. 2.6.). Отвод тепла происходит на участке b – a при P = Const. Однако, сжатие по – прежнему начинается в точке a, и с учётом приведённых выше рассуждений степень сжатия в комбинированном ДВС остаётся неизменной.

И всё же получаемая в цикле работа возрастает на величину, пропорциональную площади a, b’, b. Повышается также и к. п. д. цикла, т. к. возрастает величина степени расширения (d = V_b/V_z’). Реализовывать цикл с продолженным расширением на реальном поршневом двигателе не представляется целесообразным, так как полученный выигрыш в индикаторной работе не даёт приращения работы эффективной, ибо полностью “съедается” дополнительными механическими потерями, связанными с движением поршня на участке b – a.

Рис. 2.6. Цикл с подводом тепла при V = Const и продолженным расширением. В данных условиях достигаются максимальная работа и максимальный к. п. д., но минимальное Р_t.

Кроме того, получение этой дополнительной работы термодинамического цикла связано с необходимостью увеличения габаритов двигателя, а следовательно и его массы и т. д. Кроме того, полученный прирост в работе сопровождается снижением удельной работы цикла – среднего давления цикла Р_t, т. к. при той же работе возрос рабочий объём цилиндра (V_h = V_b - V_c). Итак, цикл с продолженным расширением обеспечивает увеличение работы цикла и его к. п. д., но снижает удельные показатели.

Проблема повышения развиваемой работы, к. п. д. цикла при одновременном повышении его удельных показателей перечисленными путями, включая и применение продолженного расширения, решается использованием газотурбинного наддува.

Дата добавления: 2014-12-26