книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

тем, что увеличение частоты цикла двигателя может ухудшить коэф­ фициент наполнения, снизить к.п.д. и повысить температуру выпуск­ ных газов. Последнее получается в результате того, что процесс сгора­ ния топлива в двигателе при особо высоких оборотах сильно ухуд­ шается из-за неполного сгорания, догорания на линии расширения и, следовательно, уменьшения эффективного давления и понижения экономичности машин.

В настоящее время распространены крупные дизели с числом обо­ ротов ПОч-300 в минуту, средние и мелкие —300-1-4000 об/мин, трак­ торные дизели — 12004-2400 об/мин, дизели грузовых автомобилей— 2000-7-4000 об/мин, карбюраторные автомобильные двигатели — обыч­ но 3500-4-8000 об/мин, мотоциклетные — 4500ч-13000 об/мин. Имеются отдельные экземпляры двигателей со значительно большим числом оборотов (например, транспортный дизель — до 5000 об/мин и карбю­ раторный двигатель для гоночного автомобиля — 15000 об/мин). Но для широкого применения подобные двигатели пока еще не изготовля­ ются, потому что при таких режимах трудно обеспечить их удовлетво­ рительную работу, необходимые моторесурсы и экономичность.

Осуществление двухтактного цикла. Вопрос о применении двухили четырехтактных двигателей для различных установок является довольно сложным, и его решение часто ставится в зависимость от опыта конструкторских и исследовательских работ того или иного завода.

Как четырехтактные, так и двухтактные двигатели имеют свои преимущества и недостатки. Четырехтактные двигатели, например, более экономичны. Несколько больший удельный расход топлива в двухтактных двигателях объясняется тем, что некоторая часть проду­ вочного воздуха, на сжатие которого затрачивается определенное ко­ личество энергии в нагнетателе, теряется в процессе очистки и заряд­ ки цилиндров, в то время как в четырехтактных двигателях такого рода потерь почти не бывает. Однако развитие современного машино­ строения показывает, что двухтактные двигатели по экономичности лишь незначительно уступают четырехтактным. Некоторые лучшие экземпляры двухтактных двигателей имеют почти такой же удельный расход топлива и смазочного масла, как и аналогичные четырехтакт­ ные. Основное преимущество двухтактных двигателей в том, что по габаритам и по весу на единицу мощности они имеют несколько луч­ шие показатели, чем четырехтактные двигатели того же класса и той же быстроходности. Это обусловлено тем, что в четырехтактных двигателях процесс очистки и зарядки цилиндров осуществляется

оказывается в 1,4-4-1, 6 раза больше, чем четырехтактного. Следова­ тельно, четырехтактный двигатель для получения той же мощности при указанных выше условиях должен иметь число цилиндров на 40-4-60% больше, чем двухтактный, и соответственно большие вес и габариты. Но в двухтактном двигателе имеется продувочный насос,

240

которого в четырехтактном двигателе нет, что необходимо дополни­ тельно учитывать при сравнении двигателей по весу и габаритам.

При осуществлении рабочего процесса в двухтактных двигателях в отличие от четырехтактных возникает ряд трудностей, которые в основном сводятся к следующим: 1) более высокая тепловая напря­ женность рабочего цилиндра, поршня и поршневых колец вследствиесгорания топлива в цилиндре при каждом обороте коленчатого вала; 2) трудность осуществления хорошего качества процесса выпуска и продувки при разных скоростных режимах; 3) лопаточные и ротор-

для продувки не в той пропорции, как это требуется для рабочих процессов в поршневом двигателе. В связи с этим в условиях эксп­ луатации наземного безрельсового транспорта двухтактные двигатели работают хуже; 4) необходимость нагнетателей и подачи значительнобольшего количества сжатого воздуха, чем это требуется для процесса горения, из-за потери части воздуха через выпускные органы во время продувки; 5) использование энергии выпускных газов в газовой тур­ бине для привода нагнетателя в двухтактных двигателях несколькосложнее, так как при малых нагрузках мощность турбины недоста­ точна для нагнетания необходимого количества воздуха; при этом особенно трудно запустить двигатель; 6) при переходе на двухтактный двигатель двойного действия помимо довольно значительного услож­ нения конструкции получаются очень высокие термические напряже­ ния поршневой группы. Кроме того, организация процесса смесеобра­ зования и сгорания при установке боковых форсунок в нижней рабо­ чей полости цилиндра довольно затруднительна из-за штока, соеди­ няющего шатун с поршнем. Поэтому двухтактные двигатели двойного действия весьма ограниченно распространены (лишь в крупных ти­ хоходных установках).

В отношении применения двух- и четырехтактных двигателей мож­ но сделать следующие выводы: 1) двухтактные двигатели с воспламе­ нением от сжатия являются перспективными для судовых и стацио­ нарных установок большой мощности; 2) применение двухтактных двигателей для средств наземного транспорта встречает ряд труднос­ тей, ограничивающих их распространение; 3) довольно перспектив­ ными являются крупные двухтактные газовые двигатели с внутрен­ ним смесеобразованием, где продувка осуществляется чистым возду­ хом и горючий газ подается под небольшим давлением в цилиндр дви­ гателя в конце продувки и в начале сжатия; 4) перспективы двух­ тактных карбюраторных двигателей ограничены применением их в- виде малолитражных двигателей с кривошипно-камерной продувкой (в основном мотоциклетных и лодочных).

Применение наддува. Значительное увеличение литровой мощ­ ности двигателей внутреннего сгорания можно осуществить, приме­ нив наддув, т. е. увеличив вес заряда воздуха подачей его в цилиндр двигателя под значительным давлением.

Для обеспечения высокой экономичности необходимо повысить давления и температуры, которые удобно получать в цилиндре порш-

241

•невой машины: поршневую машину легче приспособить и освоить для работы при высоких давлениях и температурах, чем турбомашины. Однако в качестве такой поршневой машины из всего многообразия двигателей внутреннего сгорания принимаются в основном для этих

нее выгодна для использования в поршневых машинах (для этого требуются большие объемы ци­ линдров, причем соответственно увеличиваются потери на трение). Эту часть процесса сжатия и рас­ ширения при малых давлениях выгоднее осуществлять в лопаточ­ ных машинах (центробежных, осе­ вых компрессорах и газовых тур­ бинах), которые более эффективны для работы с большими объемами газа при относительно низких давлениях и температурах. Повы­ шение давления и температуры выпускных газов, обусловленное работой поршневого двигателя с высоким наддувом, не является препятствием для применения турбины, так как по условию прочности лопаток современные газовые турбины могут надежно работать при температуре 1100 К.

Применение наддува и дальней­ шее увеличение давления надду­ вочного воздуха в двигателях все шире распространяется. Это видно хотя бы из того, что за последние годы из всего мирового выпуска двухтактных судовых двигателей

более половины — с наддувом В особенности большой интерес представляет турбопоршневой двигатель (рис.3-8), где цилиндры

поршневого двигателя наддуваются воздухом, получаемым от лопа­ точной машины, а энергия выпускных газов после поршневого двига­ теля используется в газовой турбине.

242

Турбопоршневые двигатели имеют большие перспективы для при­ менения на различных судах морского флота, на тепловозах и других транспортных машинах. По габаритам они получаются более компакт­ ными, а их вес на единицу мощности гораздо меньше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

§ 3-4. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

Д Л Я оценки степени совершенства процессов, составляющих раз­ личные термодинамические схемы, а также степени совершенства действительных процессов, протекающих в двигателе, рассматривают сначала термодинамические циклы, где исключены все потери, кроме неизбежной отдачи тепла холодильнику, без которой невозможно превращение теплоты в механическую работу. Термодинамические циклы, представляя упрощенную тепловую схему, облегчают теоре­ тическое исследование различных теплосиловых установок и дают возможность сопоставлять экономичность циклов тепловых двигате­ лей.

При рассмотрении термодинамических циклов двигателей внутрен­

цессом подвода тепла извне и, следовательно, не учитываются потери,

3. Количество рабочего тела при протекании цикла не изменяется. Поэтому не учитываются потери, возникающие при наполнении ци­

оборотов и ряда специфических явлений, характерных для различных типов реальных двигателей. Однако изучение термодинамических циклов дает возможность установить относительное влияние особен-

243

тюстей вида кругового процесса, степени сжатия, степени повышения давления, степени предварительного расширения, степени промежу­ точного охлаждения и других факторов на основные показатели дви­ гателя.

В результате исследования термодинамических циклов выявляет­ ся возможность максимального повышения экономичности теплового двигателя, устанавливаются наиболее выгодные схемы превращения теплоты в механическую работу и определяются желательные направ­ ления развития тепловых двигателей.

Для современных двигателей внутреннего сгорания наибольший интерес представляют смешанный, изохронный и обобщенный комби­ нированный термодинамические циклы. Эти три цикла в основном -охватывают термодинамические схемы всех современных двигателей внутреннего сгорания. По смешанному циклу рассчитываются дизели, по изохронному — все двигатели с искровым зажиганием, а по ком­ бинированному — турбопоршневые двигатели.

Смешанный цикл. На рис. 3-9 приведены р—V - и Т—s-диа­ граммы смешанного термодинамического цикла. Линиями обозначе­

Цх при постоянном давлении; z—b — адиабатное расширение в цилинд­

244

Важной характеристикой любого цикла является его термический к.п.д., представляющий собой отношение тепла, преобразованного в механическую работы, ко всему количеству подведенного тепла; к.п.д. термодинамического цикла

\ = ЧЯ\ = (Яг ~ <7z)/7i'= 1 — Яг'Яу

Подставляя значения qt и q2 из (3-1) и (3-2), получаем после сокраще­ ний формулу для определения термического к.п.д. смешанного цикла

Сравним между собой оба цикла при равных е и qi и одинаковых

представляет количество подведенного тепла qt в изохорном цикле, площадка 1—а—с—z'—zt—3 — количество подведенного тепла в сме­ шанном цикле. Так как для обоих циклов были приняты равные ко-

245

=Ягалчш ?2изох>

изображенную на диаграмме заштрихованной площадкой 2—b-—Ьх—3. Отсюда следует, что работа и термический к.п.д. при изохорном ци­ кле больше, чем при смешанном цикле.

На рис. 3-11 пунктиром показан еще изобарный цикл а—с—z2—b2, где все тепло подводится при р = const. Из Т— s-диаграммы видно, что количество тепла, отведенного при изобарном цикле, больше, чем при смешанном цикле, на величину площадки 3—Ь±—Ъг—4. Сле­ довательно, работа и к.п.д. изобарного цикла будут меньше, чем в каждом из рассмотренных выше двух циклов, и среди всех трех цик­ лов смешанный цикл занимает в этом отношении промежуточное поло­ жение.

Из диаграммы рис. 3-11, построенной в предположении равенства соответствующих е и qi для всех трех циклов, видно, что в изохорном цикле значения максимальных давлений и температуры больше, а давления и температуры конца расширения меньше, чем в смешанном цикле. В действительности же двигатели, работающие по изохорному циклу, имеют е = 5-^-9, а двигатели, работающие по смешанному циклу, е = 134-20. Сравнение между собой этих циклов при одина­ ковой степени сжатия представляет,чисто теоретический интерес,

246

в изохорном цикле, площадка /—а—с—z—z—2 — количество под­ веденного тепла в смешанном цикле. Так как для обоих циклов были

s

Рис. 3-12, Смешанный и изохорный циклы при разных значениях е

тепла холодильнику в изохорном цикле определяется на Т—s-диа­ грамме площадкой J—а—bt—3, а в смешанном цикле — площадкой /—а—Ъ—2. Видно, что площадка 1—а—Ь4—3 больше площадки /—а—Ъ—2; следовательно, количество отведенного тепла в изохор­ ном цикле больше, чем в смешанном, на величину, изображенную на диаграмме заштрихованной площадкой 2—Ь—bt—3.

Отсюда следует, что в смешанном цикле при значительно большем е по сравнению с изохорным и работа, и термический к.п.д. гораздо больше, чем эти же параметры в изохорном цикле.

Обычно в двигателях, работающих по изохорному циклу (карбю­ раторных), количество подведенного тепла за цикл qi больше (коэф­ фициент избытка воздуха а меньше), чем у двигателей, работающих по смешанному циклу (дизелей). В связи с этим и температура конца сгорания в карбюраторных двигателях бывает выше, чем в дизелях. На рис. 3-12 площадкой а—ct—z2—Ьг—а показан такой цикл соответ­ ственно в р—V- и Т—s-диаграммах.

247

Исследование влияния отдельных параметров на термический к. п. д. цикла

Величина к.п.д. изохорного цикла, как видно из (3-4), определяет­ ся степенью сжатия s и показателем адиабаты k. Степень сжатия яв­ ляется конструктивным параметром, а показатель адиабаты зависит от температуры процесса и от природы рабочего тела. На рис. 3-13 приведены кривые зависимости термического к.п.д. изохорного цикла от степени сжатия е для различных значений показателя адиабаты k,

Ь

0,6

12

из которых видно, что при увеличении степени сжатия, а также с рос­ том показателя адиабаты значение к.п.д. увеличивается. Отсюда вы­ текает, что для получения большего к.п.д. и большей удельной рабо­ ты необходимо стремиться к повышению степени сжатия. Но в двига­ телях с искровым зажиганием повышение степени сжатия ограничива­ ется возникновением преждевременной вспышки и явлений детона­ ции.

Изменение величины получаемой работы за цикл связано с соот­ ветствующим изменением количества подведенного тепла, что опреде­ ляет изменения значений максимального давления и температуры цикла. Отсюда следует, что степень повышения давления является параметром, характеризующим количество подведенного тепла и ра­ боту цикла. Между тем, в (3-4) величина К не входит; следовательно, изменение работы (нагрузки) изохорного цикла не влияет на величину его термического к.п.д.

248

Значение q{ зависит от теплоты сгорания топлива QiJ, теоретически необходимого количества воздуха L 0 и коэффициента избытка воз­ духа а.

смешанного цикла от степени предварительного расширения для раз­ личных е при постоянном количестве подведенного тепла qx. Как вид­

практически не влияет на к.п.д. установки. Следовательно, работа и среднее давление цикла при изменении р — в указанных пределах, но при <7i = const будут практически неизменными.

На основании вышеизложенного можно сделать следующий прак­ тический вывод. При повышении р до 1,4 уменьшение т]г и L ,по срав­

как при меньшем давлении сгорания облегчаются условия работы ша-

249