книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

ставляя р =1 в формулу (19), получим выражение для термическо­ го к. п. д. цикла с подводом теплоты при V = const.

1- (20)

..К — 1

Из формулы (20) следует, что теплопользование гц в цикле с

изохорным подводом теплоты зависит только от степени сжатия

£

е и от природы рабочего тела (к= ^ -) и не зависит от нагрузки —

Су

от количества подводимой теплоты, т. к. в формулу не входят параметры X и р (рис. 16).

40

\%

с

о

Рис. 18. Идеальный цикл поршневого двигателя с изобарным подводом теплоты ас, zb = адиабаты; cz — изобара; Ьа— изохора.-

сгорания будем снабжать, для различия, их параметры соответствующими индексами, а именно, примем для циклов: смешанного — индекс с, с подводом теплоты при V =const — индекс v ; с подводом теплоты при р = const — индекс р.

to

■•*4* 4

П > чир > П •

.Рис. 21. Сопоставление основных идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания при одинаковой степени сжатия — (зд = idem).

а) ед = idem-, q2 = idem; б) гд = idem-, qx = idem.

42

Рис. 22, Сопоставление основных идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания при одинаковой механической и температурной напря­ женности (Рц — idem-, T. — idem).

Рис. 23. Сопоставление основных идеальных циклов поршневых двигате­ лей внутреннего сгорания при одинаковой механической напряженности (Pz = idem) и одинаковой полезной работе (L = idem).

43

Этот вывод подтверждается и для других кривых А (рис. 13)

ritP > 'Чу > Ъу-

4) Влияние параметров: е, л, ра, р.

Из анализа [69] значений средних давлений за цикл рг- = ~* S

устанавливаем влияние параметров г, л, ра, о:

Ч?— !)— (?-— 1)1-

Таким образом теоретически определяются основные тенден­ ции развития поршневых двигателей внутреннего сгорания, с уче­ том их практического осуществления: повышение в; стремление повышать Я и р, не выходя за пределы допускаемых значений р ъ\ ограничиваться значениями о = 1,0— 1,2 и в целом, в зависимо­ сти от экономических условий — предпочтительно строить порш­ невые двигатели внутреннего сгорания двух основных типов— по

циклу с подводом теплоты при V = const или со смешанным под­ водом теплоты.

2. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

а) Общие сведения

Почти параллельно с теоретическими исследованиями и прак­ тическим осуществлением путей и способов совершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания производится подоб­ ная же работа по созданию более совершенных теплбвых дви­ гателей. Одним из таких направлений является идея сочетания принципа внутреннего сгорания топлива и расширения газов или внешнего сгорания топлива и отдельного расширения полученных газов; к нашему времени эта идея получает свое осуществление либо в наддуве поршневых двигателей внутреннего сгорания, либо в комбинированных двигателях; и то и другое дает увеличение эко-

44

номичности с одновременным возрастанием мощности и умень­ шением габаритов — сравнительно с «нормальным» поршневым двигателем внутреннего сгорания при одинаковых прочих усло­ виях сравнения.

Комбинированные двигатели могут выполняться по двум прин­ ципиальным схемам: 1) по схеме двигателей внешнего сгорания;

.2) по схеме двигателей внутреннего сгорания в сочетании с газо­ выми турбинами; эта вторая схема получила преимущественное применение, хотя она по ряду свойств уступает первой [44].

Схема комбинированных двигателей внешнего сгорания была предложена, и осуществлена проф. В. И. Гриеневецким (в 1906 — 1910 г.), а затем, в несколько ином варианте проф. Ж. Юнгером

Рис. 24.Схема комбинированного двигателя внешнего сгорания Ж . Юнгера [44].

коллектор ДВС; 9 — трубопровод вспомогательного воздуха; 10 — газо­ провод выхлопных газов к газовой турбине вспомогательного компрес­ сора; 11 — газопровод выхлопных газов ДВС к газовой турбине главно­

По схеме Ж. Юнгера, комбинированный двигатель составля­ ется из (рис. 24): главной поршневой расширительной машины 1;

главного ротационного компрессора, высокого давления 2 — 2' — 2", 'приводимого в движение газовой турбиной 4; вспомогатель­

45

ного ротационного компрессора среднего давления 5 — 5', при­ водимого газовой турбиной 7; внешней камеры сгорания 14, необходимых трубопроводов и вспомогательных устройств.

Работает двигатель следующим образом (рис. 24). Выхлопные газы расширительной машины 1, поступая в кол­

лектор 8, разбавляются затем воздухом, поступающим по трубо­ проводу 9 от вспомогательного компрессора 5 — 5' с целью пони­ жения температуры выхлопных газов, если она превысит допу­ скаемый предел (t = 700°С) для современных газовых турбин; затем газы направляются в газовые турбины 4; 7. Сжатый газ

высокого давления 16, полученный здесь газ давления 60 — 90 ата с желаемой температурой (1500— 1800°С) поступает в поршне­ вую расширительную машину 1, где расширяясь приводит в дви­ жение эту машину, а через нее приводятся рабочие машины 20.

По мере совершенствования газовых турбин вспомогательный турбокомпрессор 7 — 5 —■5' станет ненужным.

В описанной схеме, благодаря применению ротационных ком­ прессоров создается несложная установка для получения воздуха высокого давления, а применение поршневой машины в качестве расширительной дает возможность работать с газами высокой температуры, чему еще способствует наличие внешнего сгорания. Таким образом возможность получить в машинах по схеме Юнгера сравнительно высокую температуру рабочего тела обусловливает достижение высокой экономичности (больших значений к. п. д.) в сочетании с облегчением условий работы и повышенными зна­ чениями удельной мощности.

Проф. А. Чирков [44] приводит пример сравнения «нормаль­

ного» дизеля 37Д; 6Д— ; мощностью Ne = 2000 л. с.; п=500 об/мин;

т]е=33%; -щ = 11,35 yyj--— с комбинированным двигателем внеш­

него сгорания, по схеме Юнгера, составленной из этого же дизеля 37Д (в качестве расширительной машины) и газотурбокомпрессоров; комбинированном двигателе, по расчетам получалась мощ­

невого двигателя внутреннего сгорания с газовой турбиной, пита­ емой выхлопными газами двигателя, осуществляется при условии

1912 г. и осуществлена в 1927 г. с применением поршневой расшири-

46

тельной машины, питаемой выхлопными газами поршневого дви­ гателя внутреннего сгорания [25].

В начале идея сочетания поршневого двигателя внутреннего* сгорания с газовой турбиной получила свое осуществление как

Рис. 25. Схема комбинированного двигателя внутреннего сгорания.

наддув двигателя свежим зарядом посредством газотурбокомпрессора, работающего на выхлопных газах этого же двигателя — ме­ тод, предложенный инж. Бюхи. Затем по мере возрастания давле­ ния наддува поршневой двигатель внутреннего сгорания постепен­ но приближался к роли механического генератора газа срабаты­ вающего свой газ в специальной газовой турбине — расширитель­ ной машине, принимающей на себя роль двигателя (рис. 25).

П. А Шелест приводит пример [25] сравнения дизеля 2Д100;

20 7

ЮД 2Х25 j ^ е=2000 л. с.; п = 810 об/мин, с давлением продувки

рк — 1,41 ата и це =36,1% с этим же дизелем при газотурбинном наддуве его по способу Бюхи воздухом давления рк = 3,36 ага, когда получалась мощность (по расчету) Ne = 4356 э. л. с. и

Ъ=40,5% .

Наддув поршневых двигателей внутреннего сгорания предста­

вляет собой способ повышения мощности данного двигателя путем увеличения среднего давления цикла за счет повышения весового заряда воздуха (или рабочей смеси), поступающего в рабочий ци­ линдр двигателя.

Принципиально, схема двигателей с наддувом состоит из на­ гнетателя и двигателя, при этом связь между ними может быть кинематическая — механический наддув или отсутствовать, в по­ следнем случае нагнетатель приводится газовой турбинкой, рабо­ тающих на выхлопных газах двмгателя — газотурбинный наддув. Наддув также осуществляется и комбинированно — одновременно механическим нагнетателем и газотурбинным способом нагнетания.

47

Наддув двигателей доводится до давления нагнетателя рк =' 1,5

вился вопрос об обязательном применении его для всех поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Особенно удобным и широко применяемым является газотурбин­ ный наддув, осуществляемый в двух разновидностях: с переменным давлением перед газовой турбиной или с постоянным давлением; первый — более экономичен, второй — проще осуществляется (при определенных условиях).

Рабочий цикл комбинированных двигателей и двигателей с над­ дувом (как частный случай первых) может осуществляться, в подробностях, различно, поэтому мы разберем общий цикл комби­ нированных двигателей и на его анализе покажем частные случаи [37]; подробный анализ можно найти в специальной литературе

[20 — 26; 35; 37 — 38].

б) Идеальный цикл комбинированного двигателя [37] (общий случай)

Обобщенный цикл комбинированного двигателя внутреннего сгорания (рис. 26) составляется из следующих процессов:

Рис. 26. Обобщенный идеальный цикл комбинированного двигателя внутреннего сгорания [37]

48