Теоретические циклы двигателей с наддувом. Повышение давления в начале сжатия (см. точки о на рис. 7) с целью увеличения удельной работы (среднего давления) цикла называется наддувом. В автомобильных и тракторных двигателях наддув осуш,ествляют за счет предварительного сжатия воздуха или топливовоздушной смеси в компрессоре. Привод компрессора может быть механическим, непосредственно от вала двигателя, нлн газовым, от газовой турбины,

работающей за счет энергии выпускных газов поршневого двигателя. Кроме того, йЬвышение давления в цачале сжатия возможно получить за счет использования скоростного напора, инерционных н волновых явлений во впускной системе двигателя, т. е. за счет так называемого инерционного наддува.

Прн инерционном наддуве и наддуве компрессором с механическим приводом характер протекания теоретических циклов (см. рнс. 7) не изменяется. Изменяются только конкретные значения термодинамических параметров, зависящие от изменения давления н температуры в конце впуска (см. формулы в табл.9). Необходимо также учитывать, что в реальном двигателе часть мощности затрачивается на привод компрессора.

При газотурбинном наддуве получается комбинированный двигатель, состоящий нз поршневой части, газовой турбины н компрессора. В автомобильных и тракторных двигателях применяют турбокомпрессоры с постоянным давлением газов перед турбиной. Прототипом рабочего процесса комбинированного двигателя является теоретический ЦИКЛ; изображенный на рис. 16. Цикл aczzba осуществляется в поршневой части двигателя, а цикл afgla - в турбокомпрессоре. Теплота Qt, отводимая прн V = const в цикле поршневой части двигателя (лнння Ьа), подводится прн постоянном давлении в турбокомпрессорном цикле (линия а[). Далее в газовой турбине осуществляется продолженное расширение по адиабате (кривая fg), отвод теплоты Qi прн постоянном давлении (линия gl) н адиабатическое сжатие в компрессоре (лнння /о).

Термический к. п. д. такого совмещенного цикла

Рис. 16. Теоретический цикл [комбиииро-ваииого двигателя (дизель с турбокомпрессором и постоянным давлением перед турбиной)

Г1* = 1-

(44)

где во i= Kj/Vc s= eeft - общая степень сжатия комбинированного двигателя, равная произведению степеней сжатия поршневой части е= VJVcr и компрессора VilVa-

Среднее давление цикла, отнесенное к рабочему объему поршневой части двигателя:

.вр х-1-ьа(р-1)

§ 7. РАЗОМКНУТЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

(45)

Замкнутые теоретические циклы (см. § 6) дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях н о характере изменения их основных показателей Pt) в зависимости от различных термодинамических факторов. Однако количественные показатели замкнутых теоретических циклов далеки от реальных и прежде всего потому, что не учитывают трех основных процессов, протекающих в любом реальном двигателе.

Во-первых, это процесс газообмена (впуска и выпуска рабочего тела), который в замкнутом цикле полностью исключен принятым допущением о постоянстве рабочего тела и его теплоемкости. В реальном двигателе каждый цикл осуществляется с участием вновь поступившей свежей смеси и после каждого цикла производится очистка цнлнндра от отработавших газов. Кроме того, в действительном цикле теплоемкость рабочего тела зависит от температуры н от постоянно изменяющегося состава рабочего тела.

Во-вторых, процесс сгорания топлива, который в замкнутом теоретическом цикле заменен процессом сообщения теплоты от постороннего источника. В реальном двигателе процесс сгорания протекает во времени по сложному закону с интенсивным теплообменом.

В-третьнх, дополнительные тепловые потери, связанные с наличием непрерывного теплообмена между рабочим телом и окружающей средой через стенки цнлнндра, головку блока, дннще поршня, а также с утечкой рабочего тела через неплотности между цилиндром и поршнем» с преодолением механических и гидравлических сопротивлений. Кроме того, потерн теплоты в реальном двигателе зависят от температуры (подогрева) остаточных газов и избыточного воздуха (прн а > 1) нлн от химической неполноты сгорания топлива (при а< 1).

Разомкнутые теоретические циклы по сравнению с замкнутыми (рис. J7), используя термодинамические соотношения, дополнительно учитывают:

1) процессы впуска н выпуска, но прн полном отсутствии сопротивлений н без изменения температуры н давления рабочего тела, а также без учета затрат энергии на газообмен;

2) изменение качества рабочего тела на протяжении одного цикла, т. е. учитывают изменения состава рабочего тела н зависимость его теплоемкости от температуры;

3) зависимость показателей адиабат сжатия н расширения от

средней теплоемкости, но без учета теплопередачи и, следовательно, без учета тепловых потерь в процессах сжатия и расширения;

4) процесс сгорания топлива, точнее подвод теплоты, который зависит от теплоты сгорания рабочей смеси и учитывает изменение количества рабочего тела при сгорании (учет коэффициента молекулярного изменения);

Рис. 17. Разомкнутые теоретические циклы (е = 8, = 350 К; Ро = 0,1

МПа; а= 1):

« - со сгоранием бензина при V= const; б - со сгоранием дизельного топлива при р - const; в - со сгоранием дизельного топлива при I = const, р - const и X = 2

5) потери теплоты, связанные с изменением температуры (подогревом) остаточных газов и избыточного воздуха (при а5>Д) или с химической неполнотой сгорания топлива при недостатке кислорода юздуха (а < 1).

Таким образом, разомкнутые теоретические циклы значительно точнее отражают процессы, происходящие в реальных двигателях, а количественные показатели параметров этих циклов могут служить оценочными для соответствукмцих параметров действительных процессов.

Количественный анализ разомкнутых циклов во многом сложнее замкнутых, так как термодинамические соотношения в них значи-

тельно усложнены. Однако использование современной вычислительной техники позволяет решить эту задачу достаточно просто.

Для проведенного ниже анализа разомкнутых теоретических циклов с подводом теплоты при У = const были разработаны алдоритм и программа расчета на электронно-вычислительной машине БЭСМ-6 (см. приложения II и III).

Изменение количественных показателей конкретного разомкнутого цикла при использовании определенного топлива зависит только от четырех независимых переменных: степени сжатия е, температуры Та и давления Ра в начале сжатия и коэффициента избытка воздуха а. Причем из 28 параметров, достаточно полно характеризующих разомкнутый цикл, десять {Mi, Мсо; Мсо,; Мн,; Мн.о; Mn,; Мо.; Мг; (io и ДЯц) зависят только от а; коэффициент остаточных газов Y г - только от е; пять параметров зависят от двух переменных: показатель адиабаты сжатия температура конца сжатия и средняя мольная теплоемкость свежего заряда (воздуха) в конце сжатия {mcv)," - от е и Та, а коэффициент молекулярного

изменения ц и теплота сгорания Яраб.см рабочей смеси - от е и а; давление в конце сжатия Рс -от е, Тд и р,,; восемь параметров [{гпсуУ/:, (/ncv)s (mcv)k Т z, ki, X, Т и j],] - от трех переменных-

о о *0

- е. То и а; и только три параметра (Pz, Рь Pt) - от всех четырех переменных - е. Го, « и ра .

Разработанная программа позволяет одновременно получить для анализа количественные показатели указанных параметров для нескольких сот или даже тысяч разомкнутых циклов при различных значениях четырех независимых переменных (е; р. То и а) и различном их сочетании.

Данный анализ может быть использован:

для получения количественных соотношений между исходными (заданными) и основными параметрами разомкнутых циклов;

для получения предельных значений любых из 28 параметров реального цикла, имеющего те же начальные параметры, что и разомкнутый цикл. Наличие предельных значений таких параметров, как температура и давление в характерных точкад цикла (Рс и Тс, Рг Т z, Рь Ть), степень повышения давления, коэффициент молекулярного изменения, коэффициент остаточных газов и др., позволяет для любого двигателя определить направление его дальнейшего совершенствования или доводки.

Например, изменение величины термического к. п. д. разомкнутого цикла хо сгоранием топлива при V= const зависит от изменения трех исходных параметров е. То и а:

pft.-l

fe,. - 1

(46)

где Rg -удельная газовая постоянная для воздуха.

На рис. 18 представлена эта зависимость, рассчитанная на ЭВМ по программе, распечатка которой приведена в приложении III.

Из рисунка видно, что tij = =0,45 можно получить при различных значениях степени сжатия е, коэффициента избытка воздуха а и начальной температуры Та-Причем т1, = 0,45 можно получить при е = 20 и 8 = =8, но при выборе различного состава смеси соответственно при а 5= 0,845 и а= 1,150. Величина же начальной температуры Та незначительно влияет на изменение т1( при а<; 1, но при а > 1 повышение Та заметно снижает величину термического к. п. д. Если при е = 8, Г„ 290 К и а = 1,15 можно получить = 0,45, то для получения т), = 0,45 при е = 8 и Та = 440 К необходимо увеличить обеднение смеси до а = 1,365 (штриховая линия на рис. 18 вышла за пределы графика).

Для более глубокого анализа разомкнутых циклов важно иметь не только значения термического к. п. д., но и значения других основных параметров, таких, как максимальные давления и температуры, давления и температуры на выпуске и т. п. Сравнительные показатели основных параметров замкнутых и разомкнутых теоретических циклов с подводом теплоты при V= const в зависимости от степени сжатия представлены на рис. 19. Прежде всего необходимо отметить, что максимальные значения температуры и давления разомкнутого цикла при всех значениях степени сжатия значительно ниже соответствующих параметров замкнутого цикла, что объясняется учетом переменной теплоемкости рабочего тела, возрастающей с повышением тмпературы. В результате уменьшаются значения температуры и Давления в конце расширения (точка Ь) и особенно значительно при степенях сжатия, не превышающих г - 10-Н 12.

Термический к. п. д. разомкнутого цикла со сгоранием топлива при V = const зависит [см. (46)] от изменения Та, е, а, ki и кг, а также от /о, Я„ и Rb, значения которых для данного топлива постоянны. Входящие в формулу показатели адиабат сжатия ki и расширения kz в свою очередь зависят от степени сжатия е и начальной

1,3 к

Рис 18. Зависимость термического к. п. д. разомкнутого цикла со сгоранием топлива при V = =const от коэффициента избытка воздуха при различных значениях степени сжатия и при начальной температуре: --= 290 к,----= 440 к

8 п 16 го С

Р,МПа

2600

22110

2000

1600

8 12 16 20 С

Рис. 19. Зависимость основных параметров замкнутых (сплошные линии) и разомкнутых (штриховые линии) теоретических циклов с подводом теплоты при V - const от степени сжатия iPa = O.J МПа; Т = 350 К; а= 1; V„ = const)

температуры Таким

образом, при заданном топливе (например, бензине) термический к. п. д. зависит только от изменения параметров е, а и Г, (рис. 20). Как видно из рисунка, начальная температура цикла незначительно влияет на величину термического к. п. д., так как при •изменении начальной температуры, при прочих равных условиях, почти пропорционально изменяется температура конца расширения. Основным фактором, кроме степени сжатия, влияющим на изменение Ци является коэффициент избытка воздуха а. Рост термического к. п. д. с обеднением смеси объясняется относительным уменьшением содержания топлива в горючей смеси, а следовательно, относительным уменьшением количества продуктов сгорания, кото-

Рис. 20. Зависимость термического к, п. д. разомкнутого цикла со;горанием топлива при V = =const от степени сжатия и коэффициента избытка воздуха {Та = 350 К)