Ids00307
В связи с прогрессирующим нарастанием в последние десятилетия количества эксплуатируемых поршневых двигателей непрерывно повышаются требования к их экономическим и экологическим показателям. Однако, несмотря на непрерывный процесс совершенствования, они не соответствуют современным требованиям. Эффективный коэффициент полезного действия двигателей с искровым зажиганием рабочей смеси не превышает 35%, дизелей – 45% [1].
Новые разработки, имеющие высокие эффективные показатели, оказываются неработоспособными, а работоспособные – малоэффективными. Определить обоснованные направления совершенствования двигателей на базе существующих методик крайне сложно, так как они не отражают многофункциональных связей между термодинамическими, конструктивными, теплотехническими характеристиками механизмов, преобразующих энергию газов, и показателями эффективности.
Существующие методики, уравнения и формулы не позволяют проводить их математический анализ, что создает существенные затруднения при выборе конструкторских решений. Поэтому в настоящее время при модернизации или проектировании новых двигателей используется опыт предыдущего проектирования и эксплуатации без достаточно теоретического обоснования.
Так, например, базовые уравнения, определяющие среднее индикаторное расчетное давление или коэффициент полезного действия, не отражают влияния конструктивных параметров механизма двигателя, термодинамических параметров рабочего газа, законов теплообмена на эффективные показатели работы двигателей. Основными расчетными показателями в уравнениях выступают безразмерные показатели политропы сжатия, расширения и показатель степени сжатия, условно отображающий массу рабочего газа, участвующего в процессе.
Как будет показано ниже, более объективным показателем является масса газа. Связь между массой газа и степенью сжатия определяется формулами
При проектировании и расчете нового двигателя в общем случае значения показателей политропы неизвестны и не рассчитываются аналитически. Их содержание не раскрыто.
Например, по уравнению среднего индикаторного давления для двигателя со сгоранием топлива при постоянном объеме (V = const) определить оптимальные кинематические и конструктивные параметры двигателя невозможно.
До настоящего времени закономерности изменения основных термодинамических параметров рабочего процесса двигателей не установлены, следовательно, не определены и зависимости между конструктивными параметрами и эффективными показателями.
Существующие затруднения являются следствием того, что при математическом описании рабочих процессов используются два уравнения с тремя основными параметрами (давление, объем, температура):
- уравнение состояния газов РV = MRT;
- уравнение сохранения и превращения энергии dQ = dU + dL.
Число неизвестных параметров газа превышает число уравнений, следовательно, в аналитическом виде задача не решается не только для реальных термодинамических процессов, но и для действительных циклов. Аналитическое описание рабочего процесса возможно при исключении из уравнений одного из неизвестных параметров. Так как кинематические характеристики двигателя определяются видом выбранного механизма, закон изменения объема рабочего газа можно считать известным, и термодинамические параметры определяются как функции конструктивных параметров и времени.
Для решения уравнений процессов расширения (сжатия) газов запишем дифференциальное уравнение баланса энергии:
(1)Решение дифференциального уравнения позволяет определить функции изменения температуры в цилиндре двигателя и давления [2, 3].
(2)Функцию изменения объема считаем известной, так как она определяется видом выбранного механизма и режимом его работы.
Уравнение показателя политропы приводится к виду
(4)Уравнение коэффициента преобразования энергии в каждой точке процесса (КПД в каждой точке) описывается уравнением
(5)Уравнение коэффициента полезного действия будет имеет вид
(6)Из уравнения (6) следует, что коэффициент полезного действия процесса расширения рабочего газа приближается к 100% при значениях показателя пролитропы, близких к показателю адиабаты. Это условие соблюдается при значениях функционала стремящихся к нулю:
Математический анализ этого функционала позволяет определить направление совершенствования как механизма двигателя, так и элементов его конструкции.
Для детальных аналитических исследований необходимо функции f(t) и f ' (t) заменить их значениями согласно законам перемещения поршня и его скорости.
Например, для центрального кривошипно-шатунного механизма [4]:
Для смещенного кривошипно-шатунного механизма:
Аналогичные исследования необходимо проводить для других видов известных или разрабатываемых механизмов, например бесшатунных, с косой шайбой, кулачковых и так далее.
Предварительные расчеты показывают, что важнейшим направлением совершенствования современных двигателей является выбор механизмов с оптимальными передаточными характеристиками (диаграммами скоростей) и продолженным расширением газов, снижением тепловых потерь в окружающую среду.
Одновременно механизм должен обеспечить максимальное значение механического коэффициента полезного действия (0,8–0,9). Реализация всех перечисленных условий в различных сочетаниях для двигателей различного назначения при современных технологиях их изготовления возможна.
Литература
- Артамонов М. Д., Морин М. М. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. – М. : Высшая школа, 1973. – 205 с. – С. 145.
- Щигарцов И. М. Математическая модель необратимых термодинамических процессов в поршневых машинах // Изв.вузов. Авиационная техника. – 2005. – № 1. – С. 77–80.
- Щигарцов И. М., Макушин А. А., Фатыхов К. З. Математическая модель рабочих процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Основные уравнение и элементы их анализа// Проектирование и исследование технических систем. – 2011. – № 3(17). – С. 60–67.
- Семенов М. В. Кинематические и динамические расчеты исполнительных механизмов. – Машино строение, 1974. – 429 с. – С. 57–74.
Метки: Транспорт