К методу оценки влияния термодинамических условий подвода теплоты в цикл на индикаторный КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 436.2. 018
В. И. Дудкин, Е.М. Янкин
К методу оценки влияния термодинамических условий подвода теплоты в цикл на индикаторный КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания
В теории двигателей внутреннего сгорания (ДВС) комплекс факторов рабочего процесса, причастных к экономичности преобразования энергии в рабочем цикле, по принципу их связи со значением индикаторного КПД, подразделяют на две группы: внутренние факторы, имеющие прямую связь со значением индикаторного КПД и внешние факторы, имеющие непосредственное отношение к организации рабочего процесса в двигателе, но косвенно, через внутренние факторы, связанные со значением индикаторного КПД.
При этом внешние факторы различают по принадлежности к параметрам конструкции двигателя и режимам его работы, а также параметрам, определяющим организацию преобразования энергии в цилиндре двигателя (например, момент закрутки свежего заряда).
Внутренние факторы различают по принадлежности их участия в процессе преобразования энергии в обратимых или необратимых циклах. К факторам обратимых циклов относят значение теплоемкости рабочего тела, а также место подвода и отвода теплоты в цикле.
Факторами необратимых циклов являются источники их внешней и внутренней необратимости. Так, согласно условиям существования источников внешней необратимости циклов в рабочем цикле ДВС таковыми являются: теплообмен с окружающей средой, утечки рабочего тела через неплотности ЦПГ, а также неполнота сгорания. Источники внутренней необратимости цикла: изменение состава рабочего тела в процессе подвода теплоты, эндотермические реакции и превращения (затраты энергии на испарение топлива в камере сгорания, диссоциацию, образование промежуточных продуктов сгорания — сажи, СО, сложных углеводородов), диссипативные явления.
Среди внутренних факторов особую роль в эффективности использования подведенной теплоты в цикл О-подв играет неполнота сгорания Qнп,
которая определяет величину располагаемой теплоты в цикле
QPACП = QПOДB Qнп (!)
Количественная оценка влияния остальных внутренних факторов на значение индикатор-
ного КПД, включая термодинамические условия подвода теплоты в цикл, возможна только на уровне второго закона термодинамики и может производиться, например, с помощью феноменологического метода [ 1, 2 ], основанного на методе элементарных адиабатных циклов [3]. Подход к анализу КПД, реализованный в феноменологическом методе, в принципе полностью соответствует подходу, предложенному для построения энтропийного метода анализа [ 4 ], где коэффициенты эксергетических потерь определяются отношением эксергетических потерь отдельных узлов теплоэнергетической установки к количеству подведенной теплоты в цикл QПOДB. Отличительные особенности в построении феноменологического метода анализа связаны с необходимостью рассматривать вместо узлов теплоэнергетической установки, определяющих ее КПД, внутренние факторы рабочего процесса. В этих целях в качестве цикла максимальной работоспособности был принят идеальный «воздушный» цикл Отто, и наряду с эксергетическими потерями в цикле появилась необходимость учитывать также и убыль эксергии.
Согласно теоретическим представлениям, принятым в эксергетическом методе термодинамического анализа тепловых энергетических установок [ 5 ], факторы обратимых циклов причастны к формированию убыли эксергии (анергии А), а источники необратимости циклов — к потере эксер-гии В1. При этом источники внешней и внутренней необратимости определяют соответственно внешние В и внутренние Ц потери эксергии.
В соответствии с изложенным следует признать, что феноменологический метод по сути является приложением энтропийного метода к анализу экономичности действительных циклов поршневых ДВС.
Схематичное представление связи индикаторной работы Ц с эксергетическими функциями А1 и В можно представить в виде диаграммы баланса энергии (рис.), а аналитическая связь индикаторного КПД с этими функциями будет иметь следующий вид:
ФИЗИКА
Янп Лэ + Лнс + Лк + + Оут + Д,
Яп
я*
— 1 -х -у-А______________у
— 1 хнп ^ ҐЛ ИЛИ
(2)
й8Э — -
Є
(5)
б) несвоевременностью подвода теплоты в идеальном «воздушном» цикле:
'- Qподв 1 Qподв Я = 1 — хнп, (3)
I ]
где 81,8] - коэффициенты соответственно убыли
и потери эксергии- хнп — относительная доля неполноты сгорания.
Анс — Яп.
= йх
¦ 1й8н
о
1

(7)
е
текущая степень сжатия в момент подвода теплоты (X.
Коэффициент С8нс определяет относительную
долю убыли эксергии Анс в соответствии с заданной характеристикой ввода теплоты в цикл-
в) изменением теплоемкости рабочего тела:
в
Ак — Я*одв ¦ 1 й8к
Диаграмма баланса энергии по энтропийному методу для действительного цикла поршневого двигателя
Расчет эксергетических функций производится в развитии цикла, значение каждой из которой связано со следующими показателями:
а) отдачей теплоты теплоприемнику в эталонном цикле (идеальный «воздушный» цикл Отто):

АЭ — Я*ОДВ ¦ 1 э, (4)
о
где хв — относительная доля подведенной теплоты за весь цикл-
йх
где? — номинальная степень сжатия- с1х — относительный коэффициент подвода теплоты в элементарном цикле- кэ = 1,4 — показатель адиабаты, характеризующей состояние рабочего тела, представляющего собой атмосферный воздух, находящийся при нормальных условиях окружающей среды.
Коэффициент С8э оценивает относительную долю убыли эксергии Аэ в процессе подвода теплоты (х в максимально достижимом по значению экономичности элементарном цикле при данных конструктивных параметрах ДВС-
где С8к = С8ог + С8с + С8Т + (8^. (9)
Особенности протекания процесса преобразования энергии в рабочем цикле поршневого ДВС заключается в том, что он происходит в условиях большой не только температурной неоднородности, но и неоднородности по составу рабочего тела в объеме камеры сгорания Укс именно в период благоприятных термодинамических условий для преобразования тепловой энергии в работу. Для учета этой особенности в энтропийном методе необходимо ввести представления интегрального Сх и его дифференциальных составляющих второго порядка малости Схэ (Х, У, Z) коэффициентов подвода теплоты, учитывающих состояние рабочего тела, существующего в ограниченном элементарном объеме (V с координатами Х, У^.
В этом случае коэффициенты С8ог, С8с, С8Т определяют относительную долю убыли эксергии Ак вследствие увеличения значения теплоемкости благодаря влиянию «чистых» продуктов сгорания, находящихся в составе остаточных газов, а также изменений состава и температуры рабочего тела в развитии цикла в объеме СV.
Расчет значений указанных коэффициентов производится путем введения соответствующих ступеней идеализации состояния рабочего тела:
й8т -1
1 1 1
е (ххг)-' екс (х, г. г)-1 т
1
?ка (х, г, г)-1 еКт (х, г, г)-1 т
1
?кт (х, г, г)-1 еКэ (х, г, г)-1 т
(х, г, г) (х, г, г) (х, г, г)
где к — текущее значение показателя адиабаты в объеме СV камеры сгорания в месте подвода теплоты Схэ- кс, кТ, кэ — показатели адиабат в объеме СV, в котором последовательно исключают влияние на значение теплоемкости рабочего тела сначала «чистых» продуктов сгорания, находящихся в остаточных газах, затем изменения состава и, наконец, температуры рабочего тела- С8^ -коэффициент убыли эксергии вследствие различного состояния рабочего тела на участках сжатия и расширения в объеме (V-
г) потерями теплоты: !:
О, — ЯпОДВ ¦У й5= Яш
]=1 о
1
«Д «Д «Д
ci5w + d5yT + й5 В,
где й8 — йх
1 --
(11)
(12)
йх, — относительные коэффициенты потери теплоты в элементарном цикле:
1) по поверхности камеры сгорания в результате теплообмена с окружающей средой, йхш-
2) вследствие утечек рабочего тела через неплотности ЦПГ, Схут-
3) наличия эндотермических реакций и превращений Схвн.
Коэффициенты С8Ж, С8УТ определяют соответственно относительную долю внешней потери эксергии Дг и ВУТ, связанной с условиями сопряжения ЦПГ с окружающей средой, а коэффициент С8вн- величину внутренней потери эксергии Ввн, связанной как с наличием эндотермических реакций и превращений, так и диссипативными явлениями.
Как следует из изложенного, энтропийный метод анализа экономичности циклов поршневых ДВС позволяет схематизировать сложные физико-химические процессы, происходящие в процессе преобразования энергии, дает возможность производить оценку влияния на индикаторный КПД цикла термодинамических условий как во времени, так и по месту подвода теплоты в объеме цилиндра поршневого ДВС.
К -1
е
т
Литература
1. Дудкин В. И. Резервы повышения индикаторной экономичности и пути их реализации в современных тракторных дизелях: Автореф. дис. «. канд. техн. наук. Л., 1984.
2. Матиевский Д. Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла дизеля // Двигателестроение. 1984. № 6.
3. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделе-
ния и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя. М., 1960.
4. Селиверстов В. М., Бажан П. И. Термодинамика, теплопередача и теплообменные аппараты: Учебник. М., 1988.
5. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М., 1973.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой