Двигун на низькому перепаді температури. Тепловий двигун на новому термодинамическом принципі. Визначення допустимої кількості шкідливих речовин

В циліндрі двигуна з певною періодичністю здійснюються термодинамічні цикли, які супроводжуються безперервним зміною термодинамічних параметрів робочого тіла - тиску, обсягу, температури. Енергія згоряння палива при зміні обсягу перетворюється в механічну роботу. Умовою перетворення теплоти в механічну роботу є послідовність тактів. До цих тактів в двигуні внутрішнього згоряння відносяться впуск (наповнення) циліндрів горючою сумішшю або повітрям, стиснення, згоряння, розширення і випуск. Мінливих обсягом є обсяг циліндра, який збільшується (зменшується) при поступальному русі поршня. Збільшення обсягу відбувається внаслідок розширення продуктів при згорянні горючої суміші, зменшення - при стисканні нового заряду горючої суміші або повітря. Сили тиску газів на стінки циліндра і на поршень при такті розширення перетворюються в механічну роботу.

Акумульована в паливі енергія перетворюється в теплову енергію при здійсненні термодинамічних циклів, передається стінок циліндрів шляхом теплового і світлового випромінювання, радіацією і від стінок циліндрів - охолоджуючої рідини і масі двигуна шляхом теплопровідності і в навколишній простір від поверхонь двигуна вільної і вимушеної

конвекцією. У двигуні присутні всі види передачі теплоти, що свідчить про складність процесів, що відбуваються.

Використання теплоти в двигуні характеризується ККД, чим менше теплоти згорання палива віддається в систему охолодження і в масу двигуна, тим більше відбувається роботи і вище ККД.

Робочий цикл двигуна здійснюється за два або чотири такту. Основними процесами кожного робочого циклу є такти впуску, стиснення, робочого ходу і випуску. Введення в робочий процес двигунів такту стиснення дозволило максимально зменшити охолоджуючу поверхню і одіовремепіо підвищити тиск згоряння палива. Продукти горіння розширюються відповідно стиску горючої суміші. Такий процес дозволяє скоротити теплові втрати в стінки циліндрів і з випускними газами, збільшити тиск газів на поршень, що значно підвищує показники потужності та економічні показники двигуна.

Реальні теплові процеси в двигуні істотно відрізняються від теоретичних, заснованих па законах термодинаміки. Теоретичний термодинамічний цикл є замкнутим, обов'язкова умова його здійснення - передача теплоти холодного тіла. Згідно з другим законом термодинаміки і в теоретичній теплової машині повністю перетворити теплову енергію в механічну неможливо. У дизелях, циліндри яких заповнюються свіжим зарядом повітря і мають високі ступені стиснення, температура горючої суміші наприкінці такту впуску становить 310 ... 350 К, що пояснюється відносно невеликою кількістю залишкових газів, в бензинових двигунах температура впуску в кінці такту становить 340 .. .400 До. Тепловий баланс горючої суміші при такті впуску можна представити у вигляді

де?) р т - кількість теплоти робочого тіла на початку такту впуску; Ос.ц - кількість теплоти, що надійшла в робоче тіло при контакті з нагрітими поверхнями впускного тракту і циліндра; Qo г - кількість теплоти в залишкових газах.

З рівняння теплового балансу можна визначити температуру в кінці такту впуску. Приймемо масове значення кількості свіжого заряду т з з,залишкових газів - т о гПри відомої теплоємності свіжого заряду з Р,залишкових газів з "рі робочої суміші з ррівняння (2.34) представляється у вигляді

де Т зз - температура свіжого заряду перед впуском; А Т сз- підігрів свіжого заряду при впуску його в циліндр; Т г- температура залишкових газів в кінці випуску. Можливо з достатньою точністю вважати, що з "р = з рі з "р - с, з р,де с; - поправочний коефіцієнт, що залежить від Т сзі складу суміші. При а = 1,8 і дизельному паливі

При вирішенні рівняння (2.35) щодо Т апозначимо відношення

Формула для визначення температури в циліндрі при впуску має вид

Ця формула справедлива як для чотиритактних, так і для двотактних двигунів, для двигунів з турбонаддувом температура в кінці впуску розраховується за формулою (2.36) за умови, що q = 1. Прийняте умова не вносить великих похибок в розрахунок. Значення параметрів в кінці такту впуску, певні експериментально на номінальному режимі, представлені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2

При такті впуску впускний клапан в дизелі відкривається на 20 ... 30 ° до приходу поршня в ВМТ і закривається після проходження НМТ на 40 ... 60 °. Тривалість відкриття впускного клапана становить 240 ... 290 °. Температура в циліндрі в кінці попереднього такту - випуску дорівнює Т г= 600 ... 900 К. Заряд повітря, що має температуру значно нижче, змішується з розташованими в циліндрі залишковими газами, що знижує температуру в циліндрі в кінці впуску до Т а = 310 ... 350 К. Перепад температур в циліндрі між тактами випуску і впуску дорівнює АТ а. г = Т а - Т роскільки Т аАТ а. т = 290 ... 550 °.

Швидкість зміни температури в циліндрі в одиницю часу за такт дорівнює:

Для дизеля швидкість зміни температури при такті впуску при п е= 2400 хв -1 і ф а = 260 ° становить зі д = (2,9 ... 3,9) 10 4 град / с. Таким чином, температура в кінці такту впуску в циліндрі визначається масою і температурою залишкових газів після такту випуску і нагріванням свіжого заряду від деталей двигуна. Графіки функції co rt = / (Д е) такту впуску для дизелів і бензинових двигунів, представлені па рис. 2.13 і 2.14, свідчать про значно більшій швидкості зміни температури в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння в порівнянні з дизелем і, отже, більшої інтенсивності теплового потоку від робочого тіла і її зростанні зі збільшенням частоти обертання колінчастого вала. Середньостатистична розрахункове значення швидкості зміни температури при такті впуску дизеля в межах частоти обертання колінчастого вала 1500 ... 2500 хв -1 одно = 2,3 10 4 ± 0,18 град / с, а у бензинового

двигуна в межах частоти обертання 2000 ... 6000 хв -1 - зі я = = 4,38 10 4 ± 0,16 град / с. При такті впуску температура робочого тіла приблизно дорівнює робочій температурі охолоджуючої рідини,

Мал. 2.13.

Мал. 2.14.

теплота стінок циліндра витрачається на нагрів робочого тіла і не робить істотного впливу на температуру охолоджуючої рідини системи охолодження.

при такті стисненнявідбуваються досить складні процеси теплообміну всередині циліндра. На початку такту стиснення температура заряду горючої суміші менше температури поверхонь стінок циліндра і заряд нагрівається, продовжуючи забирати теплоту від стінок циліндра. Механічна робота стиснення супроводжується поглинанням теплоти із зовнішнього середовища. У певний (нескінченно малий) проміжок часу температури поверхні циліндра і заряду суміші вирівнюються, внаслідок чого теплообмін між ними припиняється. При подальшому стисненні температура заряду горючої суміші перевищує температуру поверхонь стінок циліндра і тепловий потік змінює напрямок, тобто теплота надходить до стінок циліндра. Загальна віддача теплоти від заряду горючої суміші незначна, вона становить близько 1,0 ... 1,5% від кількості теплоти, що надходить з паливом.

Температура робочого тіла в кінці впуску та його ж температура в кінці стиснення пов'язані між собою рівнянням політропи стиснення:

де 8 - ступінь стиснення; п л -показник політропи.

Температура в кінці такту стиснення за загальним правилом розраховується за середнім постійному для всього процесу значенням показника політропи щ.В окремому випадку показник політропи розраховується по балансу теплоти в процесі стиснення у вигляді

де і зі і "-внутрішня енергія 1 кмоля свіжого заряду; і аі і "-внутрішня енергія 1 кмоля залишкових газів.

Спільне рішення рівнянь (2.37) і (2.39) при відомому значенні температури Т адозволяє визначити показник політропи щ.На показник політропи впливає інтенсивність охолодження циліндра. При низьких температурах охолоджуючої рідини температура поверхні циліндра нижче, отже, і п лбуде менше.

Значення параметрів кінця такту стиснення наведені в табл. 2.3.

Таблиця23

При такті стиснення впускний і випускний клапани закриті, поршень переміщається до ВМТ. Час скоєння такту стиснення у дизелів при частоті обертання 1500 ... 2400 хв- -1 становить 1,49 1СГ 2 ... 9,31 КГ 3 с, що відповідає повороту колінчастого вала на кут ф (. = 134 °, у бензинових двигунів при частоті обертання 2400 ... 5600 хв -1 і ср г = 116 ° - (3,45 ... 8,06) 1 (г 4 с. Перепад температур робочого тіла в циліндрі між тактами стиснення і впускання АТ з _ а = Т з - Т ау дизелів знаходиться в межах 390 ... 550 ° С, у бензинових двигунів - 280 ... 370 ° С.

Швидкість зміни температури в циліндрі за такт стиснення дорівнює:

і для дизелів при частоті обертання 1500 ... 2500 хв -1 швидкість зміни температури становить (3,3 ... 5,5) 10 4 град / с, бензинових двигунів при частоті обертання 2000 ... 6000 хв -1 - ( 3,2 ... 9,5) х x 10 4 град / с. Тепловий потік при такті стиснення спрямований від робочого тіла в циліндрі до стінок і в охолоджуючу рідину. Графіки функції зі = f (n e) для дизелів і бензинових двигунів представлені на рис. 2.13 і 2.14. З них випливає, що швидкість зміни температури робочого тіла у дизелів в порівнянні з бензиновими двигунами при одній частоті обертання вище.

Процеси теплообміну при такті стиснення обумовлюються перепадом температур між поверхнею циліндра і зарядом горючої суміші, щодо невеликою поверхнею циліндра в кінці такту, масою горючої суміші і обмежено коротким проміжком часу, при якому відбувається теплопередача від горючої суміші до поверхні циліндра. Передбачається, що такт стиснення не робить істотного впливу на температурний режим системи охолодження.

такт розширенняє єдиним тактом робочого циклу двигуна, при якому відбувається корисна механічна робота. Цьому такту передує процес згоряння горючої суміші. Результатом згорання є підвищення внутрішньої енергії робочого тіла, що перетворюється в роботу розширення.

Процес згоряння є комплексом фізичних і хімічних явищ окислення палива з інтенсивним виділенням

теплоти. Для рідких вуглеводневих палив (бензин, дизельне паливо) процес згоряння являє собою хімічні реакції сполуки вуглецю і водню з киснем повітря. Теплота згоряння заряду горючої суміші витрачається на нагрівання робочого тіла, вчинення механічної роботи. Частина теплоти від робочого тіла через стінки циліндрів і головку нагріває блок- картер і інші деталі двигуна, а також охолоджуючу рідину. Термодинамічний процес реального робочого процесу з урахуванням втрат теплоти згорання палива, що враховують неповноту згоряння, тепловіддачу в стінки циліндрів та інше, вкрай складний. У дизелях і бензинових двигунах процес згоряння різниться і має свої особливості. У дизелях згорання відбувається з різною інтенсивністю в залежності від ходу поршня: спочатку інтенсивно, а потім повільно. У бензинових двигунах згоряння відбувається миттєво, прийнято вважати, що воно відбувається при постійному обсязі.

Для обліку теплоти за складовими втрат, в тому числі тепловіддачі в стінки циліндрів, вводиться коефіцієнт використання теплоти згорання Коефіцієнт використання теплоти визначається експериментально, для дизелів = 0,70 ... 0,85 і бензинових двигунів ?, = 0,85 ... 0,90 з рівняння стану газів на початку і кінці розширення:

де - ступінь попереднього розширення.

для дизелів

тоді

Для бензинових двигунів тоді

Значення параметрів в процесі згоряння і в кінці такту розширення для двигунів)