Российская Академия Наук Дагестанский Научный Центр Сборник научных трудов по термодинамическим циклам Ибадуллаева

(Комментарий: Если бы рабочее тело представляло собой некую стальную пружину, то не имело бы значения, когда она была сжата и через какое время будет использована сообщенная ей энергия. Но в ДВС готовое к совершению работы рабочее тело представляет собой нагретый газ. Оно омывает стенки цилиндра. Какие бы мы не делали допущения (например, допущение об отсутствии теплообмена с окружающей средой), характер процесса от этого не изменится, и потери теплоты в стенки цилиндра неизбежны. Вопрос необходимо поставить в ином аспекте: теплотехника с учетом особенностей каждой термодинамической системы должна выбрать для нее такой вид процесса, при котором эти потери будут минимальными.) Вторая сторона проблемы заключается в том, что с изменением степени сжатия, двигатель внутреннего сгорания, как реальная термодинамическая система, изменяет свои принципиальные признаки. Подводить теплоту по изохоре при V=const и получать максимальное давление цикла в зоне ВМТ можно только до определенной величины степени сжатия и величины Рz. При дальнейшем увеличении степени сжатия, чтобы не нарушился нормальный процесс сгорания момент достижения давления Рz необходимо смещать от ВМТ. При этом процесс расширения становится политропическим, в котором есть признаки и процесса с V=const и процесса с Р=const. Дальнейшее увеличение степени сжатия приводит к еще большему смещению момента Рz в сторону НМТ и полному преобразованию изохорного процесса в изобарный с Р=const. 2. В цикле с подводом теплоты при Р=const большая часть теплоты подводится значительно дальше от ВМТ в период большей активности процесса расширения. Т.е. в каждый момент протекания процесса из-за большего сближения интенсивности тепловыделения и расширения в работу преобразуется больше теплоты, что способствует снижению максимальной температуры цикла и уменьшению потерь теплоты в стенки цилиндра. Но и в этом цикле для обеспечения постоянства давления Р=const температуру рабочего тела необходимо увеличивать значительно более высокими темпами, чем требуется происходящему одновременно с ним процессу превращения теплоты в работу. Т.е. в изобарном процессе Р=const интенсивность преобразования теплоты в работу существенно ниже интенсивности тепловыделения в виду чего значительная часть теплоты теряется в стенки и на механические потери. Дальнейшее повышение степени сжатия требует еще большего смещения точки Рz в сторону НМТ. При этом скорость нарастания объема надпоршневой полости начинает превышать скорость увеличения давления рабочего тела вследствие нагревания. Т.е. изобарный процесс становится неэффективным. Процесс снова становится политропическим с признаками, как изобарного, так и изотермического процессов. 3. В предлагаемом автором цикле с изотермическим подводом теплоты с Т=const практически вся передаваемая потребителю работа будет совершаться в промежуток времени, в который происходит тепловыделение. Но в теории ДВС считается, что, во-первых, правила цикла основанного на Т=const не применимы к ДВС, во-вторых, если даже построить такой двигатель, его эффективность будет чрезвычайно маленькой. «…практически осуществлять такой цикл в двигателе внутреннего сгорания нецелесообразно, т.к. удельная работа этого цикла в реальных пределах изменения состояния рабочего тела весьма мала. В некоторых случаях выбор цикла может определяться условием получения не наибольшей экономичности, а наибольшей удельной работы.» (Д.Н.Вырубов. стр.8) Попытаемся разобраться с тем, так ли это. Цикл Карно невозможно реализовать в виде рабочего цикла ДВС в силу следующих причин: 1. Цикл является замкнутым в виду чего имеет низкий термодинамический потенциал. 2. Увеличить количество работы цикла за счет увеличения частоты невозможно (нет такого рабочего тела, которое было бы способно мгновенно принимать и отдавать энергию). Вопрос увеличения термодинамического потенциала циклов термодинамика решила, создав идеальные разомкнутые циклы. Вопрос практического воплощения цикла с Т=const до сих пор ограничивался проблемой детонации в бензиновых двигателях и фактором динамичности в дизельных. Т.е. достичь величины эффективной температуры конца сжатия Т1 для обеспечения данного процесса, не удавалось из-за невозможности построения двигателей со сверхвысокими степенями сжатия. Зависимость величины выражения εk-1 (k=1,35) от величины ε выглядит следующим образом: ε εk-1 ε εk-1 ε εk-1 1 1 2 1,28 5 1,78 10 2,29 15 2,65 20 2,94 25 3,19 30 3,4 35 3,6 40 3,77 45 3,94 50 4,09 Из таблицы следует, что чем выше величина ε, тем меньше становится значение Т2 и тем больше становится значение Т1. Фактор давления: Что происходит в действительных циклах бензинового и дизельного ДВС с обычными степенями сжатия? 1. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε<5. Из рис. 80 (Сороко-Новицкий, стр.142 т.1) по кривой № 1 видно, что в таком двигателе (ε=3,2) максимальное давление цикла величиной Рz=19 кг/см2 может быть достигнуто за 100 до ВМТ. Фаза активного тепловыделения в таком двигателе приходится на период малого изменения состояния рабочего тела. Если фазу активного тепловыделения сместить по углам ПКВ дальше от ВМТ, плотность компонентов (давление) уменьшится, интенсивность тепловыделения снизится. Это приведет к нарушению нормального процесса сгорания (кривая №4). 2. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε=10. В таком двигателе максимальное давление цикла Рz уже не может быть достигнуто не только до ВМТ, но и в ВМТ. Если фазу активного тепловыделения сместить в ВМТ, то как видно из таблицы расчета И.М. Ленина (стр.16-17 т.1) максимальное давление цикла составит Рz=96 кг/см2, что вызовет нарушение нормального протекания процесса. Из рис. 59 (И.М. Ленина стр.96 т.1) следует, что максимальное давление цикла в двигателе с ε=10 Рz =54 кг/см2 достигнуто при 220 ПКВ после ВМТ. Температура Тz будет достигнута в 32-330 ПКВ. Если фазу активного тепловыделения сместить дальше 330 ПКВ после ВМТ плотность компонентов (давление) уменьшится, процесс сгорания нарушится. Применительно к камере сгорания двигателя ВАЗ 2110 это означает, что в момент давления Рz объем камеры сгорания составляет VРz=7,98мм + 3,33=11,31 мм. В момент максимальной температуры: VТz=7,98мм + 7,31=15,29 мм. В двигателях со степенями сжатия 25 и 51 такие величины давления и температуры, учитывая, что в них потери теплоты в стенки кратно меньше, могут быть достигнуты не ранее объемов VРz=350, VТz=440 и VРz=390, VТz=470 ПКВ после ВМТ. 3. Дизельный двигатель со степенью сжатия ε>17: Несмотря на то, что в дизельном двигателе с α>1,3 количество располагаемой теплоты существенно меньше, из-за высокой скорости нарастания давления, обеспечить в нем процесс с V=const становится невозможным. В то же время из-за высокой степени сжатия давление на начало расширения обеспечивает такую плотность компонентов, что становится необходимым вводить часть теплоты на линии расширения при Р=const. Для наглядности сказанного продолжим расчет приведенной выше таблицы (k=1,4) И.М.Ленина: Степень сжатия: 5 10 25 40 51 В конце сжатия: Давление, кг/см2 9,9 25 91 175 246 Температура, К 665 880 1268 1531 1687 Макс.давление, кг/см2 45,3 96 349 672 944 Макс. температура, К 3165 3380 3768 4031 4186 Как, видно из таблицы, если ввести всю теплоту по процессу V=const в двигателе со степенью сжатия 25, 40 и 51 максимальное давление Рz составит соответственно 349, 672 и 944 кг/см2. Т.е. абсолютно не приемлемые для ДВС величины. Но в то же время многолетними экспериментами автора установлено, что бензиновый двигатель со степенью сжатия до 25 может работать без нарушения нормального процесса сгорания. При этом максимальное давление цикла в нем предположительно доходит до 80 кг/см2. Чем это можно объяснить? 1. Увеличение степени сжатия из-за уменьшения объема камеры сгорания приводит к большей турбулентности смеси, что ускоряет процесс распространения пламени по камере сгорания. 2. Увеличение степени сжатия из-за увеличения плотности горючей смеси ускоряет процесс сгорания согласно формуле ωотн=К∙роn-1. Т.е. увеличение степени сжатия приводит к ускорению процесса тепловыделения. Но увеличение степени сжатия требует и все большего смещения периода активного тепловыделения на линию расширения. В результате этого возрастающая скорость тепловыделения и увеличения давления компенсируется возрастающей скоростью увеличения объема надпоршневой полости. Целью регулирования процессов, которые происходят в ДВС, является обеспечение нормального процесса сгорания. Согласно приведенной формуле для этого необходимо обеспечить в цилиндре определенное давление ро. Данные таблицы 16 (И.М.Ленин, стр. 115 т.1) наглядно показывают, в какой степени давление влияет на горючие свойства топлив. Если при давлении 3 кг/см2, температура самовоспламенения бензина равна 4250С, то при 30 кг/см2 она уменьшается до 2600С, а при 60 кг/см2 составит всего 950С. В действительных циклах нынешних ДВС процессы тепловыделения с целью увеличения давления и температуры смеси начинаются еще до достижения поршнем ВМТ. После ВМТ процесс интенсивного выделения теплоты продолжается. В конце периода малого изменения состояния рабочего тела давление доходит до величины Рz. Далее на линии расширения происходит процесс наиболее интенсивного тепловыделения с достижением температуры Тz. Теория ДВС считает, что максимальное давление цикла обязательно должно быть выше давления конца сжатия: Рz>Рс. Эта необходимость обусловлена низкими значениями используемых в них степеней сжатия (10-12 в бензиновых и 17-23 в дизельных) и соответственно низкими значениями давлений и температур конца сжатия. Для обеспечения нормальных условий протекания предпламенных реакций, формирования очага, распространения пламени по камере сгорания и сгорания величины давлений и температур конца сжатия приходится увеличивать искусственным путем. В нынешних серийных бензиновых двигателях максимальное давление цикла составляет, примерно, 60 кг/см2. В дизельных двигателях максимальное давление цикла должно быть, примерно, 80 кг/см2. Если давление выше 100 кг/см2, работа дизеля становится излишне жесткой и шумной. Причем жесткость и шумность работы обуславливаются высокой интенсивностью тепловыделения и нарастания давления в начале расширения. Т.е. для нормального протекания наиболее активной фазы сгорания в бензиновом двигателе необходимо обеспечить минимум давления 60 кг/см2, а в дизельном-80 кг/см2. Из этого следует, что независимо от положения кривошипа и объема надпоршневой полости, если в цилиндре будут обеспечены приведенные величины давлений, процесс сгорания будет протекать нормально. При степени сжатия ε=40 давление конца сжатия (при k=1,35) составит 145 кг/см2, а при степени сжатия ε=51 Рс составит 202 кг/см2. В двигателях с такими степенями сжатия необходимости в увеличении давления и температуры смеси при завершении сжатия не возникнет. Нет необходимости и в высокой интенсивности тепловыделения на расширении в период малого изменения состояния рабочего тела. В указанном периоде до 15-180 ПКВ после ВМТ возникает необходимость только поддержания заданной величины давления путем впрыскивания небольшой части от располагаемого количества топлива. При этом температура рабочего тела от величины Тс вырастет до величины Тz. Рост температуры при этом будет относительно не большой (примерно на 400-5000 С). После 15-180 ПКВ после ВМТ при давлении 145 кг/см2 впрыскивается следующая порция топлива. Впрыск топлива должен завершиться до момента снижения давлений до 60 и 80 кг/см2 соответственно. Изложенное можно подытожить следующим выводом: В теоретических циклах ДВС по мере увеличения степени сжатия термодинамические процессы газов переходят от одного вида к другому и завершаются изотермическим процессом подвода теплоты. При этом: 1. В теоретических циклах тихоходных (малооборотных) двигателей со сверхнизкой (до 5) степенью сжатия подвод теплоты к рабочему телу осуществляется по изохорному процессу с V=const. 2. Дальнейшее увеличение степени сжатия (до низких 10-12) влечет за собой необходимость смещения периода активного сгорания дальше от ВМТ. В теоретических расчетных циклах с такими степенями сжатия период подвода основного количества теплоты является политропическим с преобладанием процесса Р=const. 3. Дальнейшее увеличение степени сжатия до средних величин (17-23) приводит к тому, что процесс подвода теплоты приобретает полные признаки изобарного. 4. Увеличение степени сжатия до высоких (до 30) величин превращает процесс в политропический с признаками изобарного и изотермного. 5. При дальнейшем увеличении степени сжатия до сверхвысоких величин (ε>30) происходит замена изобарного процесса подвода теплоты с Р=const на изотермный процесс с Т=const. Это означает, что при работе двигателей с высокой (до 30) и сверхвысокой (до 51) степенями сжатия в зависимости от нагрузки и оборотов будет происходить переход действительных циклов из одного в другой. В части расчета термического КПД циклов сказанное выше можно дополнить следующим образом: 1. Термический КПД идеальных разомкнутых циклов рассчитываются по равнозначным формулам t=1-Q2/Q=1-Т2/Т1=1-1/εk-1. Идеальные разомкнутые циклы являются прототипами теоретических циклов. Поэтому у всех теоретических расчетных циклов ДВС в первой части формулы расчета термического КПД цикла должно быть соотношение 1/εk-1. Теоретический цикл отличается от идеального цикла большим количеством принимаемых допущений. В частности, в теоретическом цикле со смешанным подводом теплоты при расчете термического КПД используются такие показатели как: «λ- степень повышения давления вследствие подвода теплоты при постоянном объеме» и «ρ- степень предварительного расширения вследствие подвода теплоты при постоянном давлении» (Д.Н.Вырубов, стр. 14). При расчете термического КПД такого цикла указанные показатели вводятся в формулу расчета и влияют на результат. (Комментарий. В научной литературе даются пояснения по поводу того, что означают показатели k и n (показатели адиабаты и политропы). Дается методика их расчета для газов, имеющих разную молекулярную структуру. Но пояснений по поводу того, что означают показатели предварительного увеличение давления- λ и предварительного увеличения объема- ρ, что они выражают и почему влияют на показатели экономичности и эффективности цикла не дается. Теоретики по данному вопросу дают только то толкование, которое есть в учебниках. Из теории известно, что в действительных циклах показатель удельной площади охлаждения зависит от объема, давления и температуры нагретых газов. Автор считает, что показатели предварительного увеличения объема и давления являются показателями, характеризующими увеличение степени отвода теплоты теоретического цикла (введем для толкования теоретических циклов такое выражение) по сравнению с идеальным циклом. При увеличении показателя ρ из-за увеличения объема (площади) в период подвода теплоты количество теплоты отводимой холодному источнику увеличивается, а КПД соответственно уменьшается. Увеличение показателя λ также означает увеличение удельной площади отвода теплоты в результате увеличения давления (плотности). Но при этом в формуле расчета термического КПД изменение величины показателя λ не должно отразиться на результатах расчета, поскольку в период подвода теплоты при постоянном объеме состояние рабочего тела не изменяется и никакая работа не совершается. Идеальные разомкнутые циклы являются прототипами теоретических циклов, а теоретические циклы являются прототипами действительных циклов. Переход от идеального образца к прототипу всегда означает ухудшение показателей экономичности и эффективности. Чтобы правильно отразить результат перехода от идеального цикла к теоретическому, как показывает формула расчета термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты, в основе расчета должны участвовать 2 показателя, характеризующие влияние изменения удельной площади теплоотвода на экономичность и эффективность. Но теория ДВС ограничилась лишь показателями увеличения объема и давления, проигнорировав влияние температуры на увеличение площади отвода теплоты. Например, в идеальном цикле с подводом теплоты при V=const показатель предварительного расширения ρ=1. Но это вовсе не означает, что удельная площадь теплоотвода цикла не меняется. Увеличение температуры от величины Тс до величины Тz при V=const означает, что удельная площадь отвода теплоты из-за изменения температуры увеличилась в такой же степени, как это имело бы место при увеличении показателя ρ или λ. Соответственно, при переходе от идеального к теоретическому циклу с V=const в формуле расчета термического КПД должен присутствовать показатель предварительного увеличения температуры в период подвода теплоты Тz/Тс.). Если циклы со смешанным подводом теплоты и с подводом теплоты при Р=сonst представить в виде идеальных циклов, то из формул расчета термического КПД показатели предварительного увеличения давления и объема необходимо изъять. В таком случае формулы расчетов термического КПД указанных идеальных циклов будут иметь вид: t=1- 1/εk-1. В теоретических циклах ДВС (с внешним и внутренним смесеобразованием) с низкой и средней степенью сжатия со смешанным подводом теплоты (т.е. при наличии в диаграмме цикла участка с признаками изобарного процесса Р=const) формулы расчета термического КПД должны содержать показатели предварительного увеличения объема ρ и давления λ. При этом: а) формула теоретического расчетного цикла дизельного двигателя должна иметь вид: t= 1- (λρk –1)/ εk-1[(λ-1)+ kλ(ρ-1)], (формула Сабатэ-Тринклера); б) формула теоретического расчетного цикла Ибадуллаева для бензинового двигателя должна иметь вид: t=1- (λρk-1)/εk-1 [k(ρ-1)+ρ(λ -1)]. В теоретических циклах ДВС (с внешним и внутренним смесеобразованием) с высокой и сверхвысокой степенью сжатия и с подводом теплоты по изотермному процессу Т=const факторами влияющими на величину термического КПД будут показатели увеличения объема (показатель ρ) и увеличения температуры (показатель t). Показатель предварительного увеличения давления в таких циклах λ=1. Поэтому во второй части формулы расчета термического КПД такого цикла наряду с показателем предварительного увеличения объема должен присутствовать показатель предварительного увеличения температуры. При условии абсолютного равенства температуры изотермического участка диаграммы действительного цикла температуре Тс показатель предварительного увеличения температуры должен приниматься t=1. Для данного цикла показатель должен выводиться соотношением t=Тц/Тс. Тц Тс Рис. 3

Похожие:

	Сборник научных трудов Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «академия бюджета и казначейства министерства...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Российская наука» (иброН). Учредителями стали Российская академия наук, национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»,...
	Российская академия медицинских наук фгбу «научный центр здоровья... Рабочей группой Профильной комиссии по гигиене детей и подростков Минздрава России (протокол №3 от 07. 06. 13) и Президиумом рошумз...		Российская Академия Медицинских наук фгбу «Научный центр психического здоровья» рамн Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов по специальности 030501. 65...
	Концепция формирования производственного потенциала на машиностроительном предприятии Образование, наука и производство: Сборник научных трудов. Т. Актуальные проблемы гуманитарных и социально-экономических наук/ Под...		Физиологическое общество имени и. П. Павлова российская академия... Рабочая программа по бурятской литературе составлена на основе федерального компонента государственного стандарта общего образования,...
	Российская академия наук федеральное государственное бюджетное учреждение... ...		Проблемы филологического образования сборник научных трудов Проблемы филологического образования: Сб науч тр. / Отв ред проф. Л. И. Черемисинова; ред. Тарасова И. А., О. Я. Гусакова. — Вып....
	Публикация в сборнике научных трудов Для публикации Вашей статьи* в сборнике научных трудов "Строительство Материаловедение Машиностроение" необходимо произвести оплату...		Информация для Соискателей научных степеней (Украина) При этом Перечень наукометрических баз не указан. Сообщаем, что наш Сборник научных трудов sworld включен в наукометрическую базу...
	Конкурс проектов 2014 года по изданию научных трудов, являющихся... Фгбоу впо «поволжская государственная академия физической культуры, спорта и туризма»		Информация для Соискателей научных степеней (Украина) При этом Перечень наукометрических баз не указан. Сообщаем, что наш Сборник научных трудов sworld включен в наукометрическую базу...
	Выпуск 14 ежегодный сборник научных трудов махачкала Руководитель мо заместитель директора по увр директор мбоу «Лицей №9» г. Белгорода		Педагогика искусства вопросы истории, теории и методики удк 7 (072. 8 + 082) ббк 85я43 п 24 П 24 Педагогика искусства: вопросы истории, теории и методики : Межвузовский сборник научных трудов. Вып Саратов: Издательский центр...
	В центр по подготовке научных и научно-педагогических кадров отзыв на реферат В отзыве на реферат обязательно указывается оценка и возможность поступления в очную, заочную аспирантуру. В случае предоставления...		Имени н. Г. Чернышевского учитель – ученик: проблемы, поиски, находки... Л. Я. Гайдаржийская; зав экспериментальным дошкольным учреждением №41 км. Вахтель