книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

— Дермодинамический к. п. д. идеального смешанного цикла дви­

Подставив значение бк в уравнение (1.23), получим выражение для определения к. п. д. идеального цикла установки с механи­ ческим наддувом

Это уравнение позволяет сделать ряд выводов, а именно: гру будет меньше трн и чем больше ек или рК, тем на большую величину уменьшится к. п. д. установки; тру будет уменьшаться также с увеличением количества подводимой за цикл теплоты

== pcvTKbk- 1 [Я — 1 -)- kX(p — 1)] ккал/кмоль.

20

Все выше отмеченное полностью относится и для среднего дав­ ления цикла установки pty ср, так как

k-\ k

(с 11 до 20,8 кгс/см2). Величина относительной работы нагнетателя 6К соответственно увеличивается с 0 до 0,065.

21

Несмотря на затрату части мощности на работу сжатия воз­ духа в нагнетателе, среднее давление цикла установки pty ср уве­ личивается, что в общем повышает мощность, развиваемую дви­ гателем, причем практически без снижения эффективного к. п. д.

Це. у

Это объясняется тем, что некоторое уменьшение термодинами­ ческого к. п. д. % у в реальном двигателе компенсируется неко­ торым возрастанием механического к. п. д. цм у при наддуве, так как абсолютная мощность механических потерь jVm у с пере­ водом двигателя на работу с наддувом остается почти без измене­ ния, в то время как индикаторная мощность Niy возрастает зна­ чительно, что вполне согласуется с уравнением для механи­ ческого к. п. д. установки двигателя с механическим наддувом

Идеальный цикл двигателя с механическим наддувом рас­ смотрен в данной главе применительно к смешанному циклу. Изложенное выше будет справедливым й для других двух циклов

ЛУ. ср, LtH и 8Кэтих циклов могут быть получены из приведенных

постоянном объеме. Это является одним из характерных приз­ наков рассмотренных циклов.

Процесс отвода теплоты в циклах двигателей можно характе­ ризовать параметром а = рь!ра — степенью понижения давле­ ния в процессе выпуска (рис. 1.6), но для идеальных циклов будет

справедливым рь1ра = Рь/Ро — ° = ^Pft-

Параметр Xpk определяет собой процесс отвода теплоты в цикле и, согласно формуле (1.9), находится в определенной зависимости по отношению к термодинамическому к. п. д. двигателя (v^).

Большое распространение получили установки, работающие по циклу с продолженным расширением и отводом теплоты при р = const. Такой цикл реализуется в установках с газотурбин­ ным наддувом, состоящих из поршневого двигателя, газовой тур­ бины и нагнетателя. В газовой турбине происходит продолженное расширение отработавших газов, удаляемых из цилиндра поршне­ вого двигателя. В подобного рода установках цилиндр поршневого двигателя по отношению к газовой турбине выполняет роль ка­ меры сгорания. Однако сгорание топлива в поршневом цилиндре и характер движения газов в сложных выпускных системах услож-

22

няет как осуществление, так и изучение процессов, получаемых

врезультате совместной работы двигателя с турбонагнетателем К

Вустановках поршневых двигателей с газотурбинным наддувом

возможны две предельные схемы осуществления цикла с про­ долженным расширением: при переменном давлении перед турби­ ной (импульсный наддув) и при постоянном давлении отработав­ ших газов.

1. Газовая турбина, подключенная к выпускному коллектору поршневого двигателя, работает при постепенно понижающемся

впроцессе расширения давлении выпускных газов. Отработав­ шие газы направляются из отдельных цилиндров непосредственно

вгазовую турбину. В подобных системах выпуска кинетическая энергия отработавших в двигателе газов используется в турбо­

нагнетателе. Осуществление такого процесса в установке с импульсным турбонаддувом достигается специальной компо­ новкой узла, когда турбина устанавливается как можно ближе к цилиндру или к группе цилиндров двигателя с тем, чтобы объем газопровода между цилиндрами и турбиной был наименьшим.

2. При общем выпускном коллекторе повышенного объема отработавшие газы направляются по газопроводам в сборникколлектор перед турбиной и при постоянном давлении поступают на лопатки турбины.

В таких системах выпуска кинетическая энергия истече­ ния выпускных газов из цилиндра в газовой турбине непосред­ ственно не используется.

Выпускной коллектор двигателя значительно превышает объем цилиндра, а поэтому газ, поступающий из цилиндра, расширяется в коллекторе, скорость движения газов падает, и кинетическая энергия их преобразуется в тепловую, за счет чего температура отработавших газов перед входом на лопатки турбины несколько

Как обычно ok — адиабатическое сжатие в нагнетателе, kc — адиабатическое сжатие в цилиндре, cyz — подвод теплоты по сме­ шанному циклу, zb — адиабатическое расширение газов в ци­ линдре двигателя, Ьг — одновременное расширение их в цилиндре и в импульсной турбине с использованием кинетической энергии истечения газов, rf — последующее расширение газов в турбине постоянного давления, /о — отвод теплоты при р = const, заме­ няющий выпуск газов из турбины в атмосферу. Процессы rk и kr — соответственно отвод теплоты при р = const, заменяющий выпуск газов из импульсной турбины в коллектор, и подвод этого же количества теплоты при р = const в турбине постоянного дав­ ления.

1 Подробное рассмотрение вопросов совместной работы двигателя с турбо­ нагнетателем см. в гл. V.

23

в обобщенном цикле, когда выпуск в атмосферу осуществляется

гроб, преобразуем формулу (1.29), после чего получаем другой вид уравнения для среднего давления обобщенного цикла

Таким же образом, подставляя в выражения (1.28), (1.29) и (1.30) обобщенного цикла величину е0 и учитывая, что о = 1, для установки с продолженным расширением будем иметь:

25

расширением, который является идеальным циклом установки — карбюраторного или газового двигателя с импульсным наддувом, т. е. с импульсной турбиной на выпуске, которая работает с исполь­ зованием кинетической энергии истечения отработавших газов.

(X — 1), то получим идеальный цикл установки — двигателя с га­ зотурбинным наддувом с подводом теплоты при постоянном давле­

ео

26

Сравнивая выражения (1.3) и (1.36), находим, что при равных степенях сжатия термодинамический к. п. д. цикла с подводом и отводом теплоты при р = const равен к. п. д. цикла с подводом и отводом теплоты при V — const.

Идеальный цикл с подводом теплоты при р = const (по изо­ баре) и с продолженным расширением (с отводом теплоты тоже при р = const) является идеальным циклом установки — компрес­ сорного дизеля с импульсной трубиной на выпуске, работающей с использованием кинетической энергии отработавших газов. Этот же цикл является идеальным также для газотурбинной уста­ новки постоянного давления, работающей с подводом теплоты при р = const.

Рассмотренные выше идеальные циклы с тремя возможными способами подвода теплоты реализуются в двигателях с газо­ турбинным наддувом и с продолженным расширением до атмосфер­ ного давления. В таких установках давление наддува не превы­ шает рк = 1,6-т-1,7 кгс/см2 и объясняется это тем, что к. п. д. газовой турбины п е р е м е н н о г о д а в л е н и я является опти­ мальным лишь для одного расчетного значения давления газов рк.

В связи с этим применение импульсного наддува является ра­ циональным только для относительно небольших перепадов дав­ лений газов.

Вторая схема газотурбинного наддува предусматривает слу­ чай, когда в коллекторе перед газовой турбиной поддерживается постоянное давление выпускных газов, с высоким эффектом при­ меняется как для небольших, так и для больших степеней наддува. Идеальный цикл с газотурбинным наддувом и приблизительно постоянным давлением газа, поступающего на лопатки газовой турбины, т. е. цикл без использования кинетической энергии га­

тельное сжатие воздуха в нагнетателе, kc — процесс сжатия в ци­

и/о — отвод теплоты холодному источнику по изобаре, т. е. при

р= const.

Выражение для термодинамического к. п. д. цикла с газовой турбиной, работающей при р = const, может быть получено при помощи ранее приведенных формул, как, например, если общее

27

Термодинамический к. п. д. цикла газотурбонагнетателя okrfo, согласно уравнению (1.36) может быть представлен выраже­ нием вида

е к

Тогда количество отведенной теплоты в цикле okrfo, а следо­ вательно, и в цикле установки определится уравнением

Рис. 1.12. Циклы с продолженным расширением и постоянным давлением газов перед турбиной

Выражая термодинамический к. п. д. цикла установки через Q1 и Q2, получим

и среднего давления ptcp, которые будут теми же, что и у двига­ теля с таким же подводом теплоты, но при условии равных степе­ ней сжатия, т. е. если е = в0.

Изложенное выше относилось к газотурбинному наддуву дви­ гателя, когда между коленчатым валом двигателя и валом турбо­ нагнетателя имеется кроме газовой еще и механическая связь.

28

В случае, если такая связь отсутствует и имеется лишь газовая связь, т. е. когда вся развиваемая турбиной мощность расходуется только на сжатие воздуха в нагнетателе с последующей подачей его в цилиндры, термодинамический к. п. д. установки тцу будет определяться работой цикла только двигателя при соответствую­ щей е и давлении наддува рк.

На рис. 1.12 дано сравнение двух циклов с газотурбинным над­ дувом. Примем в обоих случаях одинаковые Qx и е.

Как видно из диаграмм, количество отведенной теплоты в цикле Q2 с отводом теплоты при V = const меньше, чем количество отве­ денной теплоты в цикле с турбиной постоянного давления (пло­ щадь под изобарой of) на величину заштрихованной площади.

Таким образом, термодинамический к. п. д. r\ty в первом слу­

пени сжатия е, коэффициента избытка воздуха а и начальных па­ раметров газа в цилиндре, при которых протекает и реальный (действительный) рабочий цикл, но при отсутствии потерь теплоты, связанных с неполнотой сгорания и теплообменом между газами и стенками цилиндра.

Основные особенности теоретического цикла можно сформули­ ровать следующим образом.

1. Рабочим телом является смесь реальных газов (воздух, топливо и продукты сгорания) переменного состава и количества, изменяющихся в процессе сгорания и в процессе смены заряда. Теплоемкость газов переменная.

2. Сгорание топлива полное и происходит условно при постоян­ ном объеме или при постоянном давлении, или по смешанному циклу, как на рис. 1.13.

29