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

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

й8Э - -

Є

б) несвоевременностью подвода теплоты в идеальном «воздушном» цикле:

' Qподв 1 Qподв Я = 1 - хнп ,

I ]

где 81,8] - коэффициенты соответственно убыли

и потери эксергии; хнп - относительная доля неполноты сгорания.

Анс - Яп.

= йх

1й8н

о

1

£г

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) :

Xв

АЭ — Я*ОДВ  1 э ,

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 +

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

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 + \й5в,

где й8 - йх

1 --

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.