VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Основной задачей современного двигателестроения является дальнейшее повышение эффективности силовых установок различного назначения при одновременном уменьшении их массогабаритных показателей и расхода топлива. Форсирование поршневых двигателей по числу оборотов, среднему эффективному давлению, а также путем повышения температурного режима работы двигателя являются наиболее перспективным направлением в двигателестроении.

Форсирование двигателей путем повышения температуры деталей цилиндропоршневой группы характеризуется снижением тепловых потерь через систему охлаждения, а также позволяет уменьшить массу и габариты жидкостных охладителей. Поэтому исследования, направленные на улучшение показателей энергоустановок путем уменьшения тепловых потерь в охлаждающую жидкость, являются актуальной проблемой.

Большинство современных двигателей имеют тепловое состояние, близкое к наилучшему, только на номинальных режимах работы. Однако даже на этих режимах температуры деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) часто остаются ниже наилучших с точки зрения экономичности. Это связано, со стремлением получить запас по температурам деталей на случай высоких температур окружающего воздуха, образования отложений в полостях охлаждения и других случаях, способных вызвать повышение температур деталей выше допустимых значений. В случае частичных нагрузок, на которых в основном и работают автотранспортные двигатели, температуры деталей ЦПГ еще ниже оптимальных, вследствие несовершенства управления охлаждением двигателя.

Температурный режим охлаждения является внешним фактором, влияющим как на параметры рабочего процесса, мощность и эконо­мичность двигателя, так и на износ его деталей. Повышенная температура охлаждающей жидкости влияет не только на индикаторные параметры, но и на эффективные, так как при ее возрастании повышается также и температура смазки цилиндропоршневой группы, что приводит к понижению вязкости масла и, как результат, ‒ к уменьшению потерь на трение. Так как потери на трение составляют 60‒80% от всех механических потерь в двигателе, то и уменьшение приведет к существенному увеличению механического КПД η_m. Поэтому в конечном итоге будет увеличиваться эффективная мощность, уменьшаться удельный эффективный расход топлива и износ деталей двигателя.

Температура охлаждающей жидкости влияет в первую очередь на интенсивность охлаждения стенок цилиндра, камеры сгорания, а также на рабочий процесс двигателя. В связи с этим, особо важным является установление взаимосвязи процессов теплопередачи через стенку цилиндров и тепловыделением в цилиндре двигателя с целью минимизации тепловых потерь в охлаждающую систему при различных температурных режимах.

Тепловыделение в цилиндрах дизеля ‒ важнейший функциональный процесс. Исследование процесса сгорания топлива с помощью закона Вибе [1] предусматривает отыскание оптимального закона тепловыделения, описывающего желаемую организацию процессов смесеобразования и сгорания, и достижения улучшения топливно-экономических показателей ДВС. Наибольшее влияние на экономические показатели рабочего цикла оказывают продолжительность процесса сгорания _z и коэффициент эффективности сгорания m. Параметр _z в большей степени зависит от состава смеси, а показатель m однозначно определяет максимум скорости выделения теплоты и момент ее достижения в интервале продолжительности сгорания. Повышение коэффициента m достигается снижением потерь теплоты в стенки цилиндров и повышением полноты сгорания топлива.

Следовательно, определяющей задачей улучшения процессов тепловыделения в дизелях является достижение оптимальных значений продолжительности процесса сгорания _z и показателя характера сгорания m, что сводится, в основном, к минимизации тепловых потерь в тепломассообменных процессах рабочего цикла и при теплопередаче через стенки цилиндров.

Однако точность определения диссипативных потерь теплоты ограничивается недостаточной изученностью процесса теплообмена, что в большей степени обусловлено его сложностью и быстротечностью. Это обусловлено тем, что процессы тепловыделения и теплопередачи в двигателях неравновесные, и продолжительности их конечны. Следовательно, оценку степени необратимости внутрицилиндровых процессов лучше производить на основе энтропийного анализа, так как энтропия ‒ единственная термодинамическая функция, позволяющая однозначно различать обратимые и необратимые процессы. Использование понятия «энтропия» позволяет также ввести в расчетную схему дополнительные термодинамические связи 2,3.

При таком подходе задача оптимальной организации процессов тепловыделения и тепломассообмена в цилиндре теплового двигателя состоит в том, чтобы выбором температур, давлений и химических потенциалов взаимодействующих подсистем и их конструктивных параметров, а также показателей сгорания m и _z добиться минимума возникновения энтропии (диссипации) при известной интенсивности потоков рабочего тела. При этом значения кинетических параметров _z и m, при которых получается наилучшие сочетания высоких значений p_i и η_iпри наименьших значениях можно назвать оптимальным.

Литература

1. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. – М. Свердловск: Машгиз, 1962. – 272 с.

2. Зейнетдинов Р.А. Теоретические основы анализа тепловыделения в поршневых двигателях с учетом необратимости внутрицилиндровых процессов // Известие Международной академии аграрного образования (МААО). СПб. 2013 – №16. Т.3. – С. 139-143.

3. Зейнетдинов Р.А. Системный анализ теплоиспользования в поршневых двигателях / Монография. – СПб.: СПбГУСЭ, 2012. – 171 с.

Код для цитирования: Скопировать