Термодинамический КПД обобщенного идеального цикла

В идеальном цикле дизеля принимаются следующие допущения:

- рабочее тело – идеальный газ;

- масса рабочего тела и его теплоемкость постоянны;

- процесс газообмена заменяется обратим процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику при постоянном объеме или постоянном давлении;

- процесс сжатия и расширения рабочего тела протекают адиабатно (без теплообмена с окружающей средой).

Идеальные циклы тепловых двигателей учитывают только одну потерю теплоты, связанную с отводом теплоты к холодному источнику.

Рассмотрим цикл дизеля с адиабатным газотурбинным наддувом в котором отработавшие газы из цилиндров поступают в выпускной коллектор, а затем при постоянном давлении – в газовую турбину.

Рис. Обратимый термодинамический цикл дизеля с изобарным наддувом

Цикл состоит из адиабатного процесса сжатия в компрессоре , изобарного отвода теплоты в охладителе надувочного воздуха, адиабатного процесса сжатия в рабочем цилиндре, изохорного и изобарного процессов подвода теплоты от горячего источника к рабочему телу ( и ), адиабатного процесса расширения в цилиндре, изохорного процесса с отводом теплоты от рабочего тела, выходящего из цилиндра, и изобарного процесса подвода того же количества теплоты к рабочему телу , поступающему в турбину, адиабатного процесса расширения в турбине и изобарного отвода теплоты к холодному источнику. В рассматриваемом цикле холодному источнику теплота отдается в изобарных процессах и (соответственно и ).

Для характеристики циклов ДВС используют следующие параметры:

- степень сжатия поршневого двигателя;

- степень сжатия компрессора;

- общая степень сжатия комбинированного двигателя;

- степень повышения давления;

- степень предварительного расширения;

- степень последующего расширения;

- степень уменьшения объема газа в охладителе;

- степень уменьшения объема газа в турбокомпрессоре и охладителе,

где , , , , , и - объемы идеального газа в соответствующих точках; и - давления в точке (максимальное давление цикла) и точке (давление сжатия).

Термический КПД любого обратимого термодинамического цикла равен ,

где и - количество теплоты, отданной холодному источнику и подведенной к рабочему телу от горячего источника:

;

Здесь и - изохорная и изобарная теплоемкости газа, температуры газа в соответствующих точках и - показатель адиабаты.

После подстановки и в формулу для получим

.

Термический КПД цикла повышается с увеличением степени сжатия и уменьшается с повышением степени предварительного расширения.

Обычно судовые дизеля имеют такие параметры:

Расчетный цикл ДВС

Процесс наполнения

В действительном цикле дизеля происходит периодическая смена рабочего тела посредством газообмена, состоящего в очистке цилиндра от продуктов сгорания и заполнения его воздухом. Продолжительность газообмена определяется фазами газораспределения, т.е. моментами открытия и закрытия выпускных и впускных органов.

В четырехтактных дизелях с газотурбинным наддувом (рис. ) и продувкой камеры сгорания давление наддува больше давления в конце выпуска .

Рис. Схема процессов наполнения и выпуска четырехтактного двигателя с наддувом

Воздух поступает в цилиндр после предварительного сжатия в компрессоре и охлаждения в воздухоохладителе с давлением ниже давления наддува на величину потери во впускном тракте от компрессора до цилиндра двигателя. Линия процесса наполнения на диаграмме расположена выше линии выпуска (для двигателя с большим перекрытием клапанов). На участке от НМТ до закрытия впускного клапана (при сжатии) возможна дозаправка цилиндра, т.е. дополнительное поступление воздуха в цилиндр.

В двухтактных двигателях процесс наполнения совмещается с процессом выпуска и совершаются эти процессы лишь на части хода поршня , занятого продувочными и выпускными окнами.

К моменту открытия продувочных окон (точка ) давление газов должно быть ниже давления воздуха , поступающего от компрессора.

Рис. Схема процесса смены заряда в двухтактном двигателе

Поэтому воздух будет вытеснять оставшиеся продукты сгорания, заполняя пространство цилиндра. Этот процесс продолжается при нисходящем движении поршня до точки , а также при восходящем движении до момента закрытия продувочных окон (точка ).

Количество воздуха, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при параметрах характеризующих состояние воздуха перед впускными органами и принимают за теоретическое. Действительное количество воздуха, оставшееся в цилиндре к началу процесса сжатия, оказывается меньше теоретического. На это влияют следующие факторы:

- аэродинамические потери во впускном тракте;

- наличие в цилиндре остаточных газов, количество которых зависит от совершенства системы газообмена;

- подогрев поступающего воздуха остаточными газами, имеющими температуру воздуха , которая выше температуры воздуха ;

- подогрев воздуха от соприкосновения со стенками втулки цилиндра, донышком поршня, клапанами или продувочными окнами.

В качестве критериев количественной оценки совершенства наполнения принимают коэффициент продувки , коэффициент остаточных газов и коэффициент наполнения .

Коэффициент продувки , где - масса воздуха поданного в цилиндр за цикл (прошедшего через продувочные окна); - масса заряда воздуха, оставшегося в цилиндре к моменту окончания газообмена – к началу сжатия. В двухтактных двигателях без наддува , с наддувом - . В четырехтактном двигателе .

Коэффициент остаточных газов , где количество оставшихся в цилиндре к концу газообмена газов, м³.

Коэффициент зависит от тактности и частоты вращения вала двигателя, типа системы газообмена и ее конструктивного исполнения, размеров цилиндра, степени сжатия (для четырехтактных дизелей), перепадов давления между впускными и выпускными коллекторами. Чем меньше , тем меньше газов остается в цилиндре и тем качественнее очищается цилиндр от продуктов сгорания и тем больший его объем освобождается для заполнения воздухом. Его значения для четырехтактных двигателей с наддувом лежат в пределах 0,02…0,04; для современных двухтактных дизелей с прямоточной продувкой – 0,04…0,08, с петлевой 0,08…0,09.

Физический смысл коэффициента наполнения показывает, какую долю от максимально возможного заряда составляет действительно свежий заряд воздуха. Порядок величин для коэффициента наполнения современных судовых дизелей с наддувом следующий: - четырехтактные; - двухтактные малооборотные с изобарным наддувом.

Процесс сжатия

Целью расчета процесса сжатия является определение давления и температуры рабочего тела (смесь свежего заряда воздуха и остаточных газов), в конце сжатия и . Сжатие представляет сложный процесс, который сопровождается в начальной стадии подогревом рабочего тела от нагретых деталей цилиндра. В процессе сжатия давление и температура рабочего тела возрастают, и тепло отводится от рабочего тела к стенкам цилиндра.

Теоретически кривая сжатия (рис. ) показана штриховой линией . Действительная кривая сжатия на рисунке показана сплошной линией

Сопоставление кривых сжатия показывает, что в начальной стадии сжатия в связи с подогревом рабочего тела действительная кривая расположена выше теоретической. В некоторый момент (точка 1 на рисунке) она пересекает теоретическую кривую. Для расчета параметров в конце процесса сжатия используют уравнение политропного процесса

и

Рис. Схема процесса сжатия в теоретическом и расчетном циклах

Показатель политропы должен быть переменным по ходу сжатия, как показано на рис. .(здесь ). По опытным данным для судовых дизелей диапазон изменения - от 1,5 в начале сжатия. До 1,1 у ВМТ. В теории ДВС принято, что сжатие происходит по политропе с условным средним постоянным показателем политропы .

По опытным данным в судовых малооборотных и среднеоборотных дизелях , в высокооборотных -

Давление и температура рабочего тела в конце сжатия могут быть получены из уравнений политропных процессов:

; .

В современных высокофорсированных дизелях на полной нагрузке достигает 120…140 бар при степени сжатия 12…14. При уменьшении нагрузки дизеля снижается, достигая значений 35…37 бар на режиме малого хода.

В отличие от давления, изменяется незначительно и для разных дизелей составляет 850…950 К.

При пуске холодного двигателя из-за усиленного теплоотвода в стенки цилиндра снижается до 1,2…1,25, поэтому температура в конце сжатия будет низкой.

Верхний предел для обусловлен необходимостью ограничения максимального давления сгорания, которое связано с величиной давления наддува .

В современных судовых дизелях с наддувом бар и более, поэтому для его ограничения степень сжатия составляет 14…15.

Процесс сгорания

В начале ХХ века профессор МВТУ В.И. Гриневецкий предложил метод расчета сгорания, который впоследствии был развит его учеником Е.К. Мазингом. Суть метода заключается в том, что реальное изменение давления в процессе сгорания заменяется условно эквивалентным подводом тепла по изохоре и изобаре ,как показано на рис.

Рис. К расчету процесса сгорания

В действительном процессе участок сгорания топлива характеризуется плавной кривой . Максимальное давление сгорания достигается в точке после ВМТ поршня и является функцией процесса сгорания. Завершается процесс сгорания в начале процесса расширения в точке .

Теплота к рабочему телу подводится в результате сгорания впрыскиваемого в цилиндр и распыливаемого в нем топлива. В качестве окислителя используется кислород предварительного сжатого и потому нагретого воздуха. В ходе реакции окисления выделяется большое количество теплоты, и образующиеся продукты сгорания (CO₂ , H₂O, SO₂ и др.) нагреваются до высокой температуры. Одновременно с ростом температуры повышается и давление газов.

Одно из основных требований, предъявляемых к организации процесса сгорания, состоит в том, чтобы достигнуть полного сгорания всего поступившего в цилиндр топлива. Для этого необходимо обеспечить нужное количество воздуха.

Используемые в дизелях нефтяные топлива состоят из следующих химических элементов: С≈0,84…0,88; Н≈0,11…0,14; S≈0,005…0,035; О≈0,0005…0,03. Если массовые доли перечисленных элементов обозначить соответствующими символами, то теоретически необходимая масса воздуха для полного сгорания 1 кг топлива

где 1/0,21 – объемная (молярная) доля О₂ в воздухе; О/32 – число киломолей О₂, содержащихся непосредственно в самом топливе.

Для удобства расчета количества воздуха и образующихся газообразных продуктов сгорания измеряют в киломолях, под которыми подразумевается количество газа, масса которого в килограммах равна молекулярной массе данного газа.

Теоретически необходимая масса воздуха для сгорания 1 кг топлива

где - молярная масса воздуха. Для дизельного топлива среднего состава кг/кг.

Сгорание топлива при теоретически необходимом количестве воздуха является частным случаем и встречается только в карбюраторных двигателях, в которых пары легкого топлива и воздуха перемешиваются более интенсивно. Чтобы обеспечить качественное сгорание топлива в дизелях, приходится вводить в цилиндр воздух в количестве, превышающем теоретически необходимое, т.е. действительное количество воздуха Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха.

.

Согласно опытным данным, коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме находится в пределах для двигателей: малооборотных ; средне- и высокооборотных . Верхние пределы характерны для двигателей с наддувом. Высокооборотные двигатели работают с меньшим значением коэффициента избытка воздуха, что объясняется возможностью при малых размерах цилиндра обеспечить более равномерную смесь. Отдельные форсированные высокооборотные двигатели работают с [ ].

Знание массы воздуха , поступившего в цилиндр за цикл, дает также возможность определить суммарный коэффициент избытка воздуха. В малооборотных двухтактных дизелях .

В действительном цикле не вся теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, используется на повышение внутренней энергии рабочего тела и совершения внешней механической работы. Сгорание топлива сопровождается потерями на неполноту его сгорания, диссоциацию продуктов сгорания и теплообмен со стенками цилиндра. Неполнота сгорания выражается в том, что часть топлива не успевает сгореть до рассматриваемого момента рабочего процесса или превращается в продукты неполного сгорания. Диссоциация продуктов сгорания происходит при высоких температурах (более 2000 К). В дизелях эта потеря незначительна (менее 2%), так как максимальная температура цикла не превышает 2000 К. Теплообмен со стенками цилиндра обусловлен наличием перепада между температурой газа и температурой стенок цилиндра.

Критерием оценки количества выделившейся при сгорании является коэффициент тепловыделения.

Согласно опытным данным значения коэффициента использования теплоты у дизелей находятся в следующих пределах: мало- и среднеоборотных высокооборотных длинноходных

Рис. Характеристики коэффициентов тепловыделения и использования теплоты

Задачей расчета процесса сгорания является определение максимального давления , температуры рабочего тела в конце видимого сгорания и объема цилиндра в конце видимого сгорания . Значение в расчетах принимают. На основании опытных данных, максимальное давление сгорания , МПа, на номинальном режиме у судовых дизелей находится в следующих пределах: малооборотных 6…16; среднеоборотных 6…18; высокооборотных 10…18.

В расчетах индикаторных показателей цикла используют обычно не абсолютное значение максимального давления, а степень повышения давления . У судовых дизелей значение степени повышения давления находится в следующих пределах: малооборотных 1,2…1,55; средне- и высокооборотных 1,35…1,7 [ ] .

Значения температуры ,К, у судовых дизелей лежат в следующих пределах: малооборотных 1700…1800; среднеоборотных 1800…1900; высокооборотных 1900…2000 [ ].

Объем цилиндра в конце видимого сгорания определяют в зависимости от степени предварительного расширения .

Степень предварительного расширения зависит от организации процессов смесеобразования и сгорания топлива в рабочем цикле, угла опережения впрыскивания топлива, нагрузки и частоты вращения вала дизеля. На номинальном режиме

Процесс расширения

Продукты сгорания в цилиндре расширяются при движении поршня от ВМТ к НМТ в течение такта, называемого рабочим ходом (расширением).

Рис. График процесса расширения в расчетном цикле

На рис. показано изменения давления в цилиндре в процессе расширения. В точке процесс сгорания еще не закончился, идет интенсивное выделение теплоты до точки и лишь за ней давление начинает падать. Поэтому начало процесса расширения условно относят к точке . Штриховой линией показан теоретический процесс расширения, происходящий без учета теплоподвода и теплоотвода. В нем учтено только изменение показателя адиабаты расширения вследствие снижения температуры рабочего тела в процессе расширения.

Подвод тепла к рабочему телу в начале процесса расширения обусловливает повышение давления относительно линии адиабатного расширения (на рис. действительная кривая расширения показана сплошной жирной линией). Поскольку в течении всего процесса расширения происходит отвод тепла, то в точке 2 теплоотвод и теплоподвод становятся равными, действительная линия расширения пересекает теоретическую кривую.

Если оценивать действительную кривую расширения уравнением политропы с переменным показателем , то он должен изменяться по ходу расширения так, как показано на рисунке. Расчеты показывают, что изменяется от 1,1 в начале процесса расширения до 1,5 в конце процесса. Теплоотвод, преобладающий в процессе расширения, обусловливает меньшее значение давления в конце расширения по сравнению с его значением при адиабатном процессе расширения .

По аналогии с процессом сжатия, для определения параметров рабочего тела в процессе расширения используют политропу с усредненным показателем , постоянным для всего процесса и дающим такую же работу, как и при действительном расширении с переменным показателем политропы .

В расчетах при проектировании дизелей среднее значение показателя политропы расширения определяют из уравнения первого закона термодинамики. В упрощенных расчетах его принимают из рекомендованных диапазонов: 1,2…1,3 для судовых средне и малооборотных дизелей с охлаждаемыми поршнями; 1,1…1,25 для высокооборотных дизелей.

Из рассмотренной выше схемы процесса расширения видно, что величина зависит от баланса подведенного и отведенного тепла в течении процесса. Увеличение подвода тепла приводит к уменьшению , преобладание отвода – к его увеличению. Поскольку подвод тепла в процессе расширения определяется неполнотой сгорания топлива в точке , то очевидна связь между и : чем меньше , тем больше тепла будет выделяться в процессе расширения и тем меньше будет и наоборот.

Из уравнения политропных процессов

;

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения определяются как

; .

Для современных высокофорсированных дизелей бар. Температура рабочего тела в конце процесса расширения составляет К. (том2)

Процесс выпуска

В процессе выпуска продукты сгорания удаляются из цилиндра, за счет чего обеспечивается осуществление последующих рабочих циклов. Процесс выпуска у четырехтактных и двухтактных двигателей осуществляется по-разному.

На газообмен в четырехтактном двигателе отводятся два хода поршня.

Рис. Фазы газообмена четырехтактного дизеля

В действительности для более полной очистки цилиндра от продуктов сгорания и лучшего наполнения свежим воздухом впускные и выпускные клапаны, как видно из диаграммы газораспределения приходится открывать раньше и закрывать позже. В итоге продолжительность газообмена занимает более двух ходов поршня и состоит из следующих периодов: свободного выпуска ; выпуска ; продувки ; наполнения и дозарядки .

Рис. Изменение давления в процессе газообмена в четырехтактном дизеле

На рис приведены кривые изменения давления в цилиндре , в выпускном патрубке и в ресивере в функции угла поворота вала. Здесь же нанесены моменты открытия и закрытия клапанов.

Свободный выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана, осуществляемого за 20…50⁰ поворота коленчатого вала (п.к.в.) до прихода поршня в НМТ, поэтому расширение газа в цилиндре заканчивается ранее – в точке . Давление в цилиндре в этот момент равно 0,88 МПа, а давление в выпускном патрубке – 0,16 МПа.

Продолжительность свободного выпуска приблизительно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана . Принужденный выпуск начинается в НМТ и продолжается в течение всего хода поршня к ВМТ.

Продувка начинается с открытия впускного клапана (ориентировочно за 30…50⁰ п.к.в. до прихода поршня в ВМТ) – и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана (40…70⁰ п.к.в. за ВМТ) - . К моменту полного открытия выпускного клапана давление оказывается равным, а затем ниже давления воздуха в ресивере - точка 3, благодаря чему он получает возможность поступать в цилиндр, несмотря на продолжающееся движение поршня вверх. Давление в выпускном патрубке еще ниже ( ); оставшиеся в камере сжатия газы вытесняются воздухом и уходят вместе с ним в выпускной тракт. Наличие периода продувки способствует также снижению температур стенок камеры, выпускного клапана и его седла, температуры выпускных газов, а это положительно сказывается на ресурсе газовой турбины. Поэтому в двигателях с высоким наддувом, где проблема теплонапряженности особенно остра идут на увеличение фазы перекрытия клапанов; в отдельных случаях она достигает 150⁰ п.к.в.

Наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха фактически начинается вблизи ВМТ и вначале, до закрытия выпускного клапана - , протекает одновременно с продувкой. Окончание наполнения совпадает с приходом поршня в НМТ.

Дозарядка продолжается от НМТ, и, хотя поршень пошел вверх, воздух продолжает поступать в цилиндр через открытый клапан вследствие отсасывающего действия столба воздуха, движущегося по инерции по впускному тракту, а также вследствие существования положительной разности .

Общая продолжительность газообмена четырехтактного двигателя составляет 400…500⁰ п.к.в.

Процессы газообмена в двухтактных дизелях

Особенностью осуществления процессов очистки и наполнения цилиндров сводятся к следующему:

- процессы газообмена происходят лишь в конце рабочего хода, занимая всего 140…150⁰ п.к.в. (рис. );

- невозможность использования всасывающего и выталкивающего действия поршня требует для осуществления газообмена предварительного сжатия воздуха в продувочном или надувочном агрегате до давления, по крайней мере превышающего сопротивление выпуску.

Рис. Фазы и процесс газообмена двухтактного дизеля

В двухтактном двигателе процесс газообмена условно принимается состоящим из трех периодов: свободного выпуска ; принудительного выпуска, продувки и наполнения ; потери или дозарядки /

При построении диаграммы по оси ординат откладываются сечения открытия окон или щели под клапаном, а по оси абсцисс – время открытия или п.к.в.

Рис. Процесс газообмена в двухтактном дизеле .

Поэтому площади под кривыми (рис. ) представляют собой время х сечение открытия органов газообмена в соответствующие периоды, определяющие их пропускную способность ( - свободного выпуска; - принудительного выпуска; - продувки; - потери заряда). Представленная диаграмма построена применительно к прямоточно-клапанной системе газообмена двигателей типа .

Согласно диаграмме (рис. ) первым в точке с опережением в 70⁰ открывается выпускной клапан и начинается процесс свободного выпуска. В цилиндре к этому моменту заканчивается расширение продуктов сгорания, давление составляет ≈ 1,0 МПа, а давление в выпускном коллекторе МПа. Поэтому продукты сгорания с большой скоростью устремляются в выпускную систему

( или ).

Схемы газообмена двухтактного дизеля

Схемы газообмена двухтактных дизелей в зависимости от направления движения потоков воздуха внутри цилиндра подразделяются на два основных типа – контурные и прямоточные.

Рис. Поперечно-щелевая система продувки

В контурных схемах газообмена поступающий через продувочные окна поток продувочного воздуха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описывают контур цилиндра. Сначала воздух по одной стороне цилиндра поднимается, у крышки поворачивает на 180⁰ и опускается к выпускным окнам. Верхний ряд 1 занимают выпускные окна, а нижний – продувочные 1 окна.

Поскольку при восходящем движении поршня сначала закрываются продувочные и в течении некоторого времени остаются открытыми выпускные, возможна потеря части заполнившего цилиндр воздуха. Это нежелательно, поэтому фирма Зульцер прибегает к установке в выпускных каналах за окнами 2 заслонки 3 (рис. б). Необходимость в заслонках диктуется также наличием у поршней короткой юбки. Действительно, когда поршень находится у ВМТ, выпускные и продувочные окна оказываются открытыми, и если бы заслонка не перекрывала выпускной канал, то продувочный воздух, поступая в цилиндр под поршень, свободно уходил бы из цилиндра в выпускную систему. Контурные системы газообмена были широко распространены в малооборотных двигателях до 80-х годов. В дальнейшем они не смогли конкурировать с прямоточными. Это связано с худшим качеством очистки цилиндра, большим расходом воздуха на продувку и несимметричным распределением температур у втулки цилиндра и поршня.

Прямоточные системы газообмена в сравнении с контурными системами лишены этих недостатков.

Рис. Прямоточно-клапанная система газообмена: 1 – цилиндр двигателя; 2 – выпускной клапан; 3 – газовыпускной коллектор; 4 – турбокомпрессор; 5 – охладитель наддувочного воздуха; 6 – воздушный ресивер; 7 – продувочные окна

Продувочные окна расположены в нижней части втулки равномерно по всей окружности цилиндра, что обеспечивает большие проходные сечения и малое сопротивления окон, а также равномерное распределение воздуха по сечению цилиндра. Тангенциальное расположение окон 7 способствует закручиванию потоков воздуха. Вихревое движение воздуха существенно улучшает процесс смесеобразования. Выпуск газов осуществляется через клапан, расположенный в крышке цилиндра.