Циклы поршневых двигателей

 Индикаторной  мощностью  Ni  называют  работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени.  

 Индикаторная  работа  (Дж),  совершаемая  газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi*Vh.  

 Так  как  число  рабочих  циклов,  совершаемых двигателем в секунду, равно  2n/T,  то   индикаторная   мощность   (кВт)   одного   цилиндра Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*10^-3,  где  n  -  частота вращения коленчатого вала, 1/с,  T - тактность двигателя -  число  тактов  за  цикл  (T=4 - для четырехтактных двигателей и T=2 - для двухтактных).  

 Индикаторная  мощность   многоцилиндрового   двигателя   при   числе

цилиндров i Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*i*10^-3.

Эффективная мощность и средние эффективные давления   

 Эффективной  мощностью Ne называют мощность, снимаемую  с коленчатого

вала двигателя  для получения полезной работы.  

 Эффективная  мощность  меньше  индикаторной  Ni на величину мощности

механических  потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.  

 Мощность  механических потерь затрачивается  на трение и приведение в

действие  кривошипно-шатунного механизма  и механизма газораспределения,

вентилятора,  жидкостного,  масляного и топливного насосов, генератора

тока и  других вспомогательных механизмов и приборов.  

 Механические  потери  в  двигателе  оцениваются механическим КПД nm,

которое  представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е. Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni.   

 Для  современных двигателей механический  КПД составляет 0.72 -  0.9.

Зная  величину механического КПД можно определить эффективную мощность

Ne=nm*Ni.  

 Аналогично  индикаторной  мощности  определяют мощность механических

потерь Nm=2/T*Pm*Vh*ni*10^-3,  где Pm - среднее давление  механических

потерь,   т.е.   часть   среднего   индикаторного   давления,  которая

расходуется  на  преодоление  трения  и  на   привод   вспомогательных

механизмов  и приборов.  

 Согласно  экспериментальным данным для  дизелей  Pm=1.13+0.1*ст;  для

карбюраторных  двигателей  Pm=0.35+0.12*ст;  где ст - средняя скорость

поршня, м/с.   

 Разность  между   средним   индикаторным   давлением  Pi  и  средним давлением  механических  потерь  Pm   называют   средним   эффективным давлением Pe, т.е. Pe=Pi-Pm.  

 Эффективная  мощность  двигателя   Ne=(2/T)*Pe*Vh*ni*10^-3, откуда среднее эффективное давление Pe=10^3*Ne*T/(2Vh*ni).   

 Среднее  эффективное давление при нормальной  нагрузке у четырехтактных   карбюраторных двигателе  0.75  -  0.95 МПа, у четырехтактных дизелей 0.6 - 0.8 МПа,  у двухтактных 0.5  -  0.75 МПа.

Индикаторный КПД  и удельный индикаторный расход топлива   

 Экономичность  действительного  рабочего  цикла двигателя определяют

индикаторным  КПД ni  и  удельным  индикаторным  расходом  топлива  gi.

Индикаторный  КПД оценивает степень использования  теплоты в действительном цикле  с учетом  всех  тепловых  потерь  и  представляет собой отношение  теплоты  Qi,  эквивалентной  полезной  индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте Q, т.е. ni=Qi/Q (а).  

 Теплота  (кВт),  эквивалентная  индикаторной  работе за 1 с, Qi=Ni. Теплота (кВт),  затраченная на работу  двигателя  в  течение  1  с, Q=Gт*(Q^p)н,  где Gт - расход топлива,  кг/с;  (Q^p)н - низшая теплота сгорания топлива,  кДж/кг. Подставляя значение Qi и Q в равенство (а), получим ni=Ni/Gт*(Q^p)н (1).  

 Удельный  индикаторный расход топлива  [кг/кВт*ч] представляет  собой

отношение  секундного  расхода  топлива Gт к индикаторной мощности Ni,

т.е. gi=(Gт/Ni)*3600, или [г/(кВт*ч)] gi=(Gт/Ni)*3.6*10^6.

Эффективный КПД  и удельный эффективный расход топлива   

 Экономичность  работы двигателя в целом определяют  эффективным  КПД

ni  и  удельным  эффективным  расходом  топлива  ge.  Эффективный  КПД

оценивает степень использования теплоты  топлива с  учетом  всех  видов потерь  как тепловых так и механических и представляет собой отношение теплоты  Qe,  эквивалентной  полезной  эффективной  работе, ко всей затраченной теплоте Gт*Q, т.е. nm=Qe/(Gт*(Q^p)н)=Ne/(Gт*(Q^p)н) (2).  

 Так  как механический КПД равен  отношению Ne к Ni,  то, подставляя в

уравнение,  определяющее  механический  КПД  nm,  значения  Ne и Ni из

уравнений (1) и (2),  получим nm=Ne/Ni=ne/ni,  откуда  ne=ni/nM,  т.е. эффективный  КПД  двигателя  равен  произведению  индикаторного КПД на механический.  

 Удельный  эффективный расход топлива [кг/(кВт*ч)] представляет собой отношение  секундного расхода топлива Gт  к  эффективной  мощности  Ne, т.е. ge=(Gт/Ne)*3600, или [г/(кВт*ч)] ge=(Gт/Ne)*3.6*10^6. 

 

Тепловой баланс двигателя  

 Из  анализа рабочего  цикла  двигателя  следует, что только часть теплоты,  выделяющейся при сгорании топлива,  используется на полезную работу,  остальная же часть составляет тепловые потери. Распределение теплоты, полученной при сгорании вводимого в цилиндр топлива, называют тепловым  балансом,  который  обычно определяется экспериментальным путем. Уравнение теплового баланса имеет вид Q=Qe+Qг+Qн.с+Qост, где Q - теплота топлива,  введенная в двигатель Qe - теплота, превращенная в полезную работу; Qохл - теплота, потерянная охлаждающим агентом (водой или воздухом); Qг - теплота, потерянная с отработавшими газами; Qн.с - теплота,  потерянная  вследствие  неполного  сгорания топлива,  Qост - остаточный член баланса, который равен сумме всех неучтенных потерь.

Количество  располагаемой   (введенной)   теплоты   (кВт)  Q=Gт*(Q^p)н. Теплота (кВт),  превращенная в полезную работу,  Qe=Ne. Теплота (кВт), потерянная с   охлаждающей   водой,   Qохл=Gв*св*(t2-t1), где Gв - количество воды,  проходящей через систему ,  кг/с;  св – теплоемкость воды,  кДж/(кг*К) [св=4.19 кДж/(кг*К)]; t2 и t1 - температуры воды при входе в систему и при выходе из нее, С.  

 Теплота  (кВт), теряемая с отработавшими  газами,

Qг=Gт*(Vp*срг*tг-Vв*срв*tв),  где Gт - расход топлива, кг/с; Vг и Vв - расходы  газов  и  воздуха,  м^3/кг;  срг  и  срв  -  средние объемные теплоемкости газов и воздуха при постоянном давлении,  кДж/(м^3*К); tр и tв - температура отработавших газов и воздуха, С.  

 Теплота,  теряемая вследствие неполноты  сгорания топлива, определяется  опытным путем.  

 Остаточный  член теплового баланса  (кВт)  Qост=Q-(Qe+Qохл+Qг+Qн.с).

Тепловой  баланс  можно  составить  в  процентах  от  всего количества введенной теплоты, тогда уравнение баланса примет  вид: 100%=qe+qохл+qг+qн.с+qост,   где  qe=(Qe/Q*100%);  qохл=(Qохл/Q)*100%;

qг=(Qг/Q)*100% и т.д. 

 

Инновации  

 В последнее  время  все  большее  применение   получают   поршневые  двигатели  с  принудительным наполнением цилиндра воздухом повышенного

давления, т.е. двигатели с наддувом. И перспективы  двигателестроения связаны, на мой  взгляд, с двигателями данного  типа, т.к. здесь имеется огромный резерв неиспользованных конструкторских  возможностей,  и есть над  чем  подумать,  а  во-вторых,  считаю,  что большие перспективы в будущем именно у этих  двигателей.  Ведь  наддув  позволяет  увеличить заряд   цилиндра  воздухом  и,  следовательно,  количество  сжимаемого топлива, а тем самым повысить мощность двигателя.  

 Для  привода  нагнетателя в современных двигателях обычно используют

энергию отработавших газов.  В этом  случае  отработавшие  в  цилиндре газы,  которые  имеют  в  выпускном  коллекторе  повышенное  давление, направляют в газовую турбину, приводящую во вращение компрессор.  

 Согласно  схеме  газотурбинного  наддува  четырехтактного двигателя, отработавшие газы из  цилиндров двигателя поступают в газовую турбину, после которой отводятся в атмосферу. Центробежный компрессор, вращаемый турбиной, засасывает воздух из  атмосферы  и нагнетает его под давлением:  0.130...0.250  МПа в цилиндры. Помимо использования  энергии  выхлопных  газов  достоинством  такой  системы наддува  перед  приводом  компрессора  от  коленчатого  вала  является саморегулирование,  заключающееся в том,  что с  увеличением  мощности двигателя    соответственно    возрастают   давление   и   температура отработавших газов,  а следовательно  мощность  турбокомпрессора.  При этом возрастают давление и количество подаваемого им воздуха.  

 В двухтактных  двигателях турбокомпрессор должен  иметь более высокую мощность,  чем  в  четырехтактных,  т.к.  при  продувке  часть воздуха проходит в выпускные  окна,  транзитный  воздух  не  используется  для зарядки  цилиндра  и понижает температуру выпускных газов.  Вследствие этого на частичных нагрузках энергии  отработавших  газов  оказывается недостаточно для газотурбинного привода компрессора.  Кроме того,  при газотурбинном  наддуве  невозможен  запуск  дизеля.  Учитывая  это,  в двухтактных двигателях обычно  применяют  комбинированную систему наддува с последовательной или параллельной установкой  компрессора  с газотурбинным и компрессор с механическим приводом.   

 При  наиболее распространенной последовательной  схеме комбинированного   наддува компрессор с газотурбинным приводом производит только частичное сжатие воздуха, после чего он дожимается компрессором,  приводимым  во  вращение  от вала двигателя. Благодаря применению  наддува  возможно  повышение  мощности по сравнению с мощностью двигателя без наддува от 40% до 100% и более.  

 На  мой взгляд, основным направлением  развития современных поршневых

двигателей  с  воспламенением  от  сжатия  будет являться значительное форсирование их по мощности за  счет  применения  высокого  наддува в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора.  

 В четырехтактных  двигателях  в  результате применения давления наддува  до  3.1...3.2  МПа  в  сочетании  с охлаждением воздуха после компрессора достигается среднее  эффективное  давление  Pe=18.2...20.2 МПа. Привод  компрессора  в  этих двигателях газотурбинный.  Мощность турбины  достигает  30%  от  мощности  двигателя,  поэтому  повышаются требования к КПД турбины и компрессора. Неотъемлемым элементом системы наддува  этих   двигателей   должен   являться   охладитель   воздуха, установленный   после  компрессора.  Охлаждение  воздуха  производится водой,  циркулирующей с помощью  индивидуального  водяного  насоса  по контуру:  воздухоохладитель - радиатор для охлаждения воды атмосферным воздухом.  

 Перспективным  направлением развития поршневых  двигателей внутреннего  сгорания  является  более  полное  использование  энергии выпускных газов в турбине, обеспечивающей мощность компрессора, нужную для достижения заданного давления наддува.  Избыточная мощность в этом случае  передается  на  коленчатый вал дизеля.  Реализация такой схемы наиболее возможна для четырехтактных двигателей.

Заключение   

 Итак, мы видим,  что двигатели внутреннего сгорания - очень сложный механизм.  И  Функция,  выполняемая  тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста,  как это кажется на первый взгляд. Да и не   существовало  бы  двигателей  внутреннего  сгорания  без использования  теплового  расширения  газов. И  в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы - вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС - это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому,  какую пользу приносит тепловое расширение  людям  через двигатель внутреннего сгорания,  можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.   

 И пускай  проходит эра двигателя внутреннего сгорания,  пусть у них есть  много  недостатков,  пусть  появляются   новые   двигатели,   не загрязняющие  внутреннюю  среду  и  не  использующие функцию теплового расширения,  но первые еще долго будут приносить пользу людям,  и люди через  многие  сотни  лет  будут по доброму отзываться о них,  ибо они вывели  человечество  на  новый  уровень  развития,  а   пройдя   его, человечество поднялось еще выше.