Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Механика Введение.
просмотров - 86

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НАДДУВА

Вспомним основные положения, определяющие термодинамические качества циклов работы ДВС. Здесь под термодинамическими качествами будем понимать термический к. п. д. (ht) цикла, работу цикла (Lt), среднее давление цикла (рt =Lt/Vh), где Vh – 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 двигателœестроения идёт по пути совершенствования этих показателœей, 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 двигателœей. Все эти задачи и призван решать метод наддува ДВС.

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

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 Рz 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 (Q1v), причём, степени сжатия (e=Va/Vc) в обоих случаях одинаковы. Из термодинамики известно, что к. п. д. ht=(Q1 – Q2)/Q1 цикла с подводом тепла при V = Const будет выше.

Для повышения абсолютного значения работы цикла (а при одинаковых рабочих объёмах Vh - и удельной работы Рt) крайне важно 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. При этом 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 всœего тепла при V = Const.

Известно, что бензиновый, к примеру, 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 двигателœем, чем двигатель карбюраторный (и вообще, дизель - самый экономичный тепловой двигатель из всœех 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, крайне важной для самовоспламенения поданного топлива, имеет более высокие степени сжатия. В случае если мы хотим сравнить циклы дизеля и карбюраторного двигателя, то сравнение нужно 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 = Рzс) приводит к росту ht. 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 Va уменьшая Vc (т. е. увеличивая степень сжатия) и увеличивая Рz, 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 Рz от степени сжатия.

У дизеля повышение e крайне важно для обеспечения условий самовоспламенения впрыскиваемого в цилиндр топлива. Особенно существенно повышают степень сжатия у многотопливных дизелœей. Т. е. таких, которые должны работать на нетрадиционных, обычно низкоцетановых топливах (имеющих низкие качества самовоспламенения). Только этой крайне важностью 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 Рz, 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” (Q13 > Q12 > Q11) мы увеличиваем работу цикла.

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

При этом растёт и удельная работа (Рt 3 > Рt 2 > Pt 1). При этом, 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 Vc, увеличении Рz, уменьшении Ро, а также увеличении Va (рис. 2.5.).

Рис. 2.5. Пути повышения к. п. д. цикла изменением его параметров: уменьшением Vc, увеличением Рz, увеличением Va и уменьшением Ро. К. п. д. цикла 2 больше, чем цикла 1, хотя работы этих циклов одинаковы.

Для ДВС, как и для большинства тепловых двигателœей, величина Ро определяется давлением окружающей среды, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ в данных условиях реализации цикла не меняется. (Исключение составляет лишь паровая машина с конденсацией пара на выпуске из цилиндра, когда имеем Ро ниже атмосферного). Уменьшение Vc 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). Вместе с тем, зазор над поршнем при положении в ВМТ должен быть достаточным для компенсации перемещения поршня инœерционной силой, что определяется зазорами в подшипниках деталей ЦПГ, а также запасом на их эксплуатационный износ. (Сегодня точность установки надпоршневого зазора регламентируется диапазоном в ± 0,25 мм).

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

Увеличить объём Va можно использованием цикла с продолженным расширением, когда процесс расширения протекает от уровня Рz до уровня Pо, т. е. в этом случае общий объём цилиндра возрастает до Vb (рис. 2.6.). Отвод тепла происходит на участке b – a при P = Const. При этом, 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 = Vb/Vz). Реализовывать цикл с продолженным расширением на реальном поршневом двигателœе не представляется целœесообразным, 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 Рt.

Вместе с тем, получение этой дополнительной работы термодинамического цикла связано с крайне важностью увеличения габаритов двигателя, а следовательно и его массы и т. д. Вместе с тем, полученный прирост в работе сопровождается снижением удельной работы цикла – среднего давления цикла Рt, т. к. при той же работе возрос рабочий объём цилиндра (Vh = Vb - Vc). 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 показателœей перечисленными путями, включая и применение продолженного расширения, решается использованием газотурбинного наддува.


Читайте также


  • - ВВЕДЕНИЕ

    ЛЕКЦИЯ 8. Программный комплекс Robur-Rail В современных условиях приходится все чаще сталкиваться со сжатыми сроками выполнения проектно-изыскательских работ. При этом необходимо удовлетворять жестким требованиям к качеству проектных решений. Выходом является широкое... [читать подробенее]


  • - Введение

    Градостроительное законодательство в современной России начало формироваться с 1990-х гг., когда появилась многоукладная экономика и значительно усложнились отношения между различными субъектами градостроительной деятельности. Суть любого градостроительного права в... [читать подробенее]


  • - Введение

    Преподаватель В.С. Шабрин Благоустройство городских территорий Градостроительства и архитектурыЦели и задачи предмета Задачи: а) преобразование системы путей сообщения - улиц с автомобильным движением и основных пешеходных трасс в пределах района... [читать подробенее]


  • - Тема 1. Введение в анатомию центральной нервной системы

    МОСКВА Конспект лекций Чудина Н.А., ЧУДИНА Ю.А. Анатомия нервной системы человека Пособие для студентов-психологовИздательство Российского университета дружбы народов Оглавление       Тема 1. Введение в анатомию центральной нервной... [читать подробенее]


  • - ВВЕДЕНИЕ

    КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА УЧЕТА И АУДИТА ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В УЧЕТЕ, ЧАСТЬ ІІ конспект лекций для студентов, обучающихся по направлению 6.030509 «Учет и аудит» Керчь, 2010 Автор: ст.... [читать подробенее]


  • - Введение ограничений на предложение труда.

    План Міжнародний валютний фонд у системі валютно-кредитних відносин. Світовий банк та його складові інституції. Міжнародні регіональні кредитно-фінансові інституції. Рекомендована література: Л. 15, с. 505-523; Л. 16, с. 308-322; Л. 18, с. 382-407; Л. 20, с. 405-425. Міжнародний валютний... [читать подробенее]


  • - Введение

    Современный уровень развития науки и техники обуславливает внедрение во все области хозяйственной деятельности высоких информационных технологий, которые базируются на бурном росте достижений в области микроэлектроники, схемотехники и разработке программного... [читать подробенее]


  • - Введение

    Л Е К Ц И Я № 25 Полковник Д. Ершов « » ____________2012г. Учебная дисциплина: «Проектирование автомобильных дорог и ВАД» Специальность: 271502 – Строительство, эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных дорог, мостов и тоннелей Специализация... [читать подробенее]


  • - Введение.

    1. Предмет, задачи и специфика садово-паркового строительства 2. Классификация садово-парковых объектов 3. Виды садово-парковых работ 4. Организация процесса создания садово-парковых объектов 1. Предмет, задачи и специфика садово-паркового строительства Сложный... [читать подробенее]


  • - Введение

    Железнодорожные подъездные пути связывают общую сеть железных дорог непосредственно с местами производства, хранения и потребления грузов. Большинство грузов принимаются железными дорогами к перевозке и выдаются грузополучателям на подъездных путях, где эти грузы... [читать подробенее]