Известно, что газ или пар (рабочее тело) при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается,
в результате принудительного сжатия, например, в цилиндре при помощи поршня рабочее тело нагревается, а во время расширения охлаждается, однако, при расширении газа в пустоту (вакуум) его температура почти не меняется, потому что в процессе этого расширения внутренняя энергия газа не расходуется на совершение работы.
Следует еще отметить, что только обратимые термодинамические процессы являются наиболее экономичными и приводят к максимальному значению термического коэффициента полезного действия тепловых двигателей.
Обратимый процесс (то есть равновесный) – термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не останется микроскопических изменений.
Естественно, что такой цикл работы тепловой машины осуществить в реальности невозможно, однако, можно проводить процессы в разных направлениях. Если процесс нагревания и расширения рабочего тела считать прямым термодинамическим процессом, то процесс его охлаждения и сжатия можно назвать обратным.
В известных поршневых тепловых машинах (паровых двигателях, ДВС) используется процесс, который проходит только в прямом направлении, да и то не в полной мере.
Например, в паровых двигателях отработавший пар под сравнительно высоким давлением выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор (холодильник). Остаточное тепло, отведенное из конденсатора, может быть использовано для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котел. Однако во время выпуска пара безвозвратно тратится достаточно много энергии на преодоление сопротивления давления окружающей среды. Кроме того, происходит охлаждение цилиндра и поршня, а это тоже приводит к потере тепловой энергии потому, что при дальнейшей работе двигателя значительное количество теплоты затрачивается на нагрев вышеназванных деталей.
Я считаю, что если производить тепловые машины, использующие в цикле работы не только прямой, но и обратный термодинамический процесс, то удастся сэкономить процентов 20-30 горючего и значительно уменьшить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Для увеличения КПД тепловых машин ученые и изобретатели предлагают использовать цикл с продолженным расширением, что позволяет значительно повысить степень расширения продуктов сгорания по сравнению со степенью сжатия рабочего тела. Для осуществления данного цикла советуют использовать компаундные двигатели (англ. compound – составной), которые имеют два (или более) рабочих цилиндра разного диаметра.
Например, на выставке «Engine EXPO 2009» британская фирма «Ilmor Engineering» представила публике трехцилиндровый компаундный ДВС, в котором инженеры задействовали классическую схему работы двигателя с продолженным расширением. Два крайних цилиндра такого устройства работаю по обычному четырехтактному циклу, средний (расширительный) имеет больший диаметр, чем крайние, а его поршень совершает рабочий ход за счет остаточного давления отработавших газов в малых цилиндрах. Я считаю, что автор идеи и разработчики данной конструкции допустили ошибку, установив в расширительном цилиндре выпускные клапаны.
https://vk.com/video-30297447_168468927
В данном устройстве во время выпуска отработавших газов остывают не только расширительный цилиндр и его поршень, охлаждаются соединительные патрубки, а это ведет к большим потерям тепловой энергии. Уверен, что по этой причине инженерам фирмы не удалось достичь поставленной цели – создать двигатель, у которого коэффициент полезного действия значительно выше, чем у традиционного ДВС, думаю, что поэтому до сих пор не налажено массовое производство этого устройства.
У меня есть конструктивное решение, которое позволит в значительной степени повысить КПД двигателей такого типа.
Турбонаддув: 1) импульсная турбина;
2) турбина постоянного давления. В ресивере поддерживается постоянное давление.
Термический кпд импульсной турбины выше термического кпд поршневого двигателя, а кпд термического комбинированного цикла с турбиной постоянного давления равен кпд термического поршневого. Кпд с импульсной турбиной меньше кпд с постоянным давлением.
При применении наддува увеличивается плотность на впуске, эффективная мощность прямопропорциональна рок. Массовое наполнение увеличивается, уменьшаются относительные потери давления на впуске. Газ совершает полезную работу, которая характеризуется работоспособностью. Тем самым увеличиваются кпд.
8) Покажите возможности улучшения эффективных показателей двигателя регулированием параметров газораспределения (фаз, высоты подъема клапана, закона его движения). Предложите несколько вариантов двигателя с регулированием параметров газораспределения.
Оптимальное соотношение момента. Хода и продолжительности клапана на низких оборотах, выльются в недостаточный объем рабочей смеси на высоких оборотах, что сильно уменьшить выходную мощность. И, наоборот, оптимальные настройки для высоких оборотов приведут к неустойчивой работе на холостом ходу. В идеале двигатель должен изменять настройки в широких диапазонах.
Для этого на низких оборотах открывался только один впускной клапан, впуская обедненную смесь и тем самым экономя топливо. При высоких оборотах, давление масла подключала второй клапан и повышало мощность.
Система Valvetronic– технологияBMW. Регулировка высоты подъема клапанов за счет изменения положения оси вращения коромысел. Закон его движения: чем быстрее открывается тем лучше.
Система VTEC– электронная система регулировки фаз газораспределения. Регулировка заключается в использовании двух кулачков для регулируемого клапана. На низких оборотах обеспечивается экономичный режим работы, на средних – максимальный крутящий момент, на максимальных оборотах – максимальную мощность.
- создать условия, чтобы смесь успевала догорать в цилиндре.
- уменьшить задержку воспламенения топлива.
- уменьшить инерционные нагрузки, уменьшить массы.
- уменьшить жесткость работы: оптимизировать процесс сгорания, двухступенчатый впрыск ( пленочное смесеобразование)
- с ростом оборотов растут потери, т.е надо уменьшить потери на трение тем самым повысить мех кпд, уменьшить соотношение S/D, увеличить кпд компрессора, турбин вспомогательного оборудования, температура масла воды и т.д.
- улучшение качества обработки поверхности
- увеличение оборотов вызывает рост нагрузки от инерции, отсюда рост потерь, рост износа, напряжения в коленвале, т.е необходимо применять материалы и обработку.
- лучше рост удельной мощности добиться наддувом, т.к. растут потери.
studfiles.net
Турбонаддув: 1) импульсная турбина;
2) турбина постоянного давления. В ресивере поддерживается постоянное давление.
Термический кпд импульсной турбины выше термического кпд поршневого двигателя, а кпд термического комбинированного цикла с турбиной постоянного давления равен кпд термического поршневого. Кпд с импульсной турбиной меньше кпд с постоянным давлением.
При применении наддува увеличивается плотность на впуске, эффективная мощность прямопропорциональна рок. Массовое наполнение увеличивается, уменьшаются относительные потери давления на впуске. Газ совершает полезную работу, которая характеризуется работоспособностью. Тем самым увеличиваются кпд.
8) Покажите возможности улучшения эффективных показателей двигателя регулированием параметров газораспределения (фаз, высоты подъема клапана, закона его движения). Предложите несколько вариантов двигателя с регулированием параметров газораспределения.
Оптимальное соотношение момента. Хода и продолжительности клапана на низких оборотах, выльются в недостаточный объем рабочей смеси на высоких оборотах, что сильно уменьшить выходную мощность. И, наоборот, оптимальные настройки для высоких оборотов приведут к неустойчивой работе на холостом ходу. В идеале двигатель должен изменять настройки в широких диапазонах.
Для этого на низких оборотах открывался только один впускной клапан, впуская обедненную смесь и тем самым экономя топливо. При высоких оборотах, давление масла подключала второй клапан и повышало мощность.
Система Valvetronic– технологияBMW. Регулировка высоты подъема клапанов за счет изменения положения оси вращения коромысел. Закон его движения: чем быстрее открывается тем лучше.
Система VTEC– электронная система регулировки фаз газораспределения. Регулировка заключается в использовании двух кулачков для регулируемого клапана. На низких оборотах обеспечивается экономичный режим работы, на средних – максимальный крутящий момент, на максимальных оборотах – максимальную мощность.
- создать условия, чтобы смесь успевала догорать в цилиндре.
- уменьшить задержку воспламенения топлива.
- уменьшить инерционные нагрузки, уменьшить массы.
- уменьшить жесткость работы: оптимизировать процесс сгорания, двухступенчатый впрыск ( пленочное смесеобразование)
- с ростом оборотов растут потери, т.е надо уменьшить потери на трение тем самым повысить мех кпд, уменьшить соотношение S/D, увеличить кпд компрессора, турбин вспомогательного оборудования, температура масла воды и т.д.
- улучшение качества обработки поверхности
- увеличение оборотов вызывает рост нагрузки от инерции, отсюда рост потерь, рост износа, напряжения в коленвале, т.е необходимо применять материалы и обработку.
- лучше рост удельной мощности добиться наддувом, т.к. растут потери.
studfiles.net
УДК 621.43 Рабочие процессы в ДВС В.А. Корогодский, канд. техн. наук., С.В. Обозный, инж., В.Г. Степанко, инж. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В этом разделе дается изложение теории основных цилов а двигателей внутреннего сгорания, та и авиационных реативных. При изучении теории термодинамичесих цилов следует усвоить,
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. Общие положения второго заона термодинамии Первый заон термодинамии, заон сохранения и превращения энергии, дает оличественную и в то же время ачественную харатеристиу превращения
РАЗДЕЛ ΙΙΙ. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В этом разделе дается изложение теории основных цилов а двигателей внутреннего сгорания, та и авиационных реативных двигателей и рато рассмотрены обратные цилы поршневых
ДВС Основные понятия и определения Основные понятия и определения ВМТ такое положение поршня в цилиндре, когда поршень наиболее удален от оси коленчатого вала. НМТ такое положение поршня в цилиндре, при
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ по дисциплине «Силовые агрегаты» Вопросы к зачету 1. Для чего предназначен двигатель, и какие типы двигателей устанавливают на отечественных автомобилях? 2. Классификация
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Цикл Отто.. Цикл Дизеля. Цикл Тринклера Лекция. ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ЦИКЛ ОТТО. Двигатель
На правах руописи ТЕРЕХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ГРАФИКЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ 05.04.02 тепловые двигатели
Оглавление ВВЕДЕНИЕ... 8 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ... 10 1.1 Обоснование необходимости использования альтернативных топлив в двигателях...
Тема 1 (сокращённая) Цикл, классификацияи показателидвигателей внутреннегосгорания (ДВС) Вопросы темы: 1.0 Цель теории ДВС 1.1 Понятия теплового двигателя и рабочего цикла 1.2 Сведения из истории, классификация
3.2 Задание по всему курсу 3.2.1 Задание по варианту Студент выбирает свое задание по последним двум цифрам зачетной книжки или при помощи преподавателя. Вариант 1 1. Аналитическое выражение первого закона
ВАРИАНТ 81 Задача 1 Газовая смесь массой m, имеющая начальную плотность 0,9 кг/м3, в ходе политропного процесса сжимается от давления 0,1 МПа до давления Рк. При этом еѐ температура достигает значения
ISSN 2073-3216 Прогресивні технології і системи машинобудування Вип. 1(45)-2(46), 2013 УДК629.5:656.6 Г.М. Бабаев Азербайджанская Государственная Морская Академия, Азербайджанская Республика Тел/Факс:
Тывинский государственный университет Учебно-методический комплекс дисциплины Устройство двигателей СДМ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТУВИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА
14 Исследования, конструкции, технологии УДК 621.43 СОВРЕМЕННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВС С ПЕРСПЕКТИВНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ, ЭКОНОМИЧЕСКИМИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ, ПОЛУЧАЕМЫМИ ЗА СЧЁТ ПОВЫШЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
УДК 6. ЭАЛОННЫЙ ЦИКЛ ЭДВАРДСА ДЛЯ ДВИГАЕЛЕЙ ВНУРЕННЕГО И ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Докт. техн. наук, профессор Пиир А.Э. Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова Проблема кономичности
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1 Цель дисциплины. Дисциплина - Автомобильные двигатели относится к специальным дисциплинам и имеет своей целью: на основе овладения расчетнотеоретическими методами динамики
УДК 621.436.038 Рабочие процессы в ДВС А.Н. Врублевский, канд. техн. наук, А.В. Грицюк, канд. техн. наук, Г.А. Щербаков, инж., А.В. Денисов, асп. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРСУНКИ ДЛЯ ДВУХФАЗНОГО ВПРЫСКИВАНИЯ
Проет энергоэффетивной пропарочной амеры Целью выполнения раздела является определение наиболее эффетивных методов прогрева железобетонной смеси с использованием масимально возможного теплосъема с целью
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева ДЗЕРЖИНСКИЙ
Большая российская энциклопедия ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Авторы: Т. Г. Гаспарян ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС), тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в его рабочей
Автор: учитель физики Харченко В.В. 1. Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называется 2. Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется 3. Перечислите
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Модуль
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет Кафедра автомобильного транспорта
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет Рабочая программа дисциплины Б.3.В4 Конструкция и основы расчета энергетических установок
Проект «Инженерные кадры Зауралья» МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганский
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет Кафедра автомобильного транспорта
docplayer.ru
В реальном двигателе процесс сгорания начинается до прихода поршня в ВМТ и не заканчивается после окончания подачи топлива в цилиндр, а продолжается на линии расширения. IV-я фаза процесса сгорания (догорание) оказывает значительное влияние на характер процесса расширения. Это влияние может быть проиллюстрировано с помощью кривой использования тепла ξ = f(V), данной на рис.
Рис. 1 Характер изменения коэффициента использования тепла ξ(V) в цилиндре малооборотного (1) и быстроходного (2) дизеляОсновная доля тепла подводится на участке z1z рабочего хода. Однако за счет догорания правее точки z коэффициент ξ продолжает увеличиваться, достигая максимума в точке М. При этом в начале процесса расширения (у точки z) из-за влияния догорания показатель политропы расширения составляет величину n2 = 1,0 ÷ 1,1.
При движении поршня от ВМТ к НМТ догорание уменьшается; в то же время, увеличивается поверхность охлаждения цилиндра и соответственно увеличивается отвод тепла. Наконец, в точке М количество подводимого тепла становится равным количеству отводимого тепла. При этом мгновенное значение показателя n2 равно показателю адиабаты: n2 = k.
При дальнейшем движении поршня к НМТ процесс расширения протекает с отводом тепла, величина ξ уменьшается. В конце расширения показатель n2 равен: n2 = 1,5 ÷ 1,6.
Как правило, в судовых дизелях максимум кривой ξ = f(V) находится между точками z и b. В точке b коэффициент использования тепла равен: ξв = 0,8 ÷ 0,9. Чем ближе максимум кривой к точке z, тем меньше температура в точке b и экономичнее цикл. У высокооборотных двигателей точка М может находиться вообще за пределами графика (кривая 2 на рис.). У этих двигателей догорание протекает на всем ходе расширения и не заканчивается в точке b; количество подводимого тепла на линии расширения больше отводимого. Экономичность цикла понижается за счет недожога топлива и высокой температуры отработавших газов.
При построении расчетного цикла дизеля кривая расширения условно принимается за политропу со средним показателем политропы n2, постоянным для всего процесса расширения. По аналогии с процессом сжатия, средний показатель n2 принимается таким, чтобы площади под расчетной и истинной кривыми расширения в PV — диаграмме были равными. Величина среднего значения показателя политропы расширения зависит от линейных размеров двигателя, уровня его форсировки, нагрузки, частоты вращения коленчатого вала, физических характеристик топлива и ряда эксплуатационных факторов.
Увеличение линейных размеров цилиндра уменьшает относительную площадь поверхности охлаждения; теплоотвод уменьшается, что приводит к снижению показателя n2. В том же направлении действуют форсировка двигателей наддувом и увеличение нагрузки цилиндра, повышение частоты вращения коленчатого вала, ухудшение физических характеристик топлива, вызывающее снижение скорости его сгорания, изменение эксплуатационных факторов — уменьшение угла опережения подачи топлива, ухудшение распыливания топлива, повышение температуры охлаждающей среды.
Повышение частоты вращения коленчатого вала при прочих равных условиях уменьшает время контакта газов и стенок цилиндра, что уменьшает отвод тепла. Одновременно уменьшаются протечки газа через кольца, увеличивается догорание. Все это способствует уменьшению показателя n2.
Форсировка двигателя или увеличение нагрузки даже при постоянной частоте вращения приводит к увеличению температуры газа, росту теплоотвода и одновременному переносу сгорания на линию догорания. Возрастание IV-ой фазы оказывается определяющим, что и снижает показатель n2. К развитию догорания приводит также ухудшение качества топлива и указанное выше изменение эксплуатационных факторов.
Значения средних показателей политропы расширения для номинальных режимов работы различных двигателей находятся в пределах:
Меньшие значения n2 у высокооборотных двигателей — из-за догорания на линии расширения и меньшего времени теплоотвода. Параметры цикла в конце процесса расширения находятся из соотношений:
Рb =Pz (Vz /Vb ) n 2 =Pz/δ n2
Tb =Tz/δ (n2-1)
Обычно температура в точке b менее Tв < 1100 + 1200°К — во избежания обгорания выпускных клапанов, головок поршней, пригорания поршневых колец.
Объем в точке b в расчетах теоретических циклов 2-х и 4-тактных дизелей принимается равным объему в точке а цикла: Vв = Va. Влияние действительных углов опережения открытия органов газообмена в дальнейшем учитывается при построении теоретической индикаторной диаграммы путем нанесения действительных моментов на диаграмму и ее исправления от руки.
Давление в точке b находится в пределах:
sea-man.org
Термодинамические циклы, лежащие в основе работы современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), подразделяются на цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто), цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) и цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера). Их характерной особенностью является то, что расширение рабочего тела в них всегда производится до объема, с которого начинается сжатие.
Очевидно, что более полного использования энергии подведенного тепла можно добиться, если увеличить степень расширения рабочего тела. Термодинамические циклы, степень расширения рабочего тела в которых больше степени его сжатия, называются термодинамическими циклами с продолженным расширением.
Примеры таких циклов рассматриваются далее.
1. Идеальный термодинамический цикл с продолженным расширением и подводом теплоты при постоянном объеме.
Диаграмма цикла в PV-координатах приведена на Рисунке 1.
Рисунок 1.
Рабочее тело с начальными параметрами p1, V1 сжимается по адиабате 1-2, затем в изохорном процессе 2-3 к нему подводится теплота q1, далее оно расширяется по адиабате 3-4. Цикл завершается отводом теплоты q'2 по изохоре 4-5, q"2 по изобаре 5-1 и возвратом рабочего тела в начальное состояние.
Основными характеристиками данного цикла являются:
| ε = V1 ∕ V2 | – | степень сжатия рабочего тела; |
| λ = p3 ∕ p2 | – | степень повышения давления; |
| δ = V4 ∕ V3 | – | степень расширения рабочего тела; |
| β = V5 ∕ V1 | – | отношение степени расширения к степени сжатия рабочего тела. |
Параметры δ, ε и β при этом связаны соотношением δ = ε · β.
Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам
q1 = cv· (T3 – T2),
q'2 = cv· (T4 – T5),
q"2 = cp· (T5 – T1),
(1)
где
| cv | – | теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме; |
| cp | – | теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении; |
| Ti | – | температура рабочего тела в соответствующих точках. |
Термический КПД цикла
| ηt = 1 – | q'2 + q"2 | = 1 – | (T4 – T5) + k · (T5 – T1) | , |
| q1 | (T3 – T2) |
где
Давление и температура в характерных точках цикла
p2 = p1· εk,
T2 = T1· εk-1,
(3)
p3 = p2· λ = p1· λ · εk,
T3 = T2· λ = T1· λ · εk-1,
(4)
(5)
| p4 = p3· | ( | V3 | ) | k | = p3· | 1 | = p1· | λ | , |
| V4 | δk | βk |
| T4 = T3· | ( | V3 | ) | k-1 | = T3· | 1 | = T1· | λ | , |
| V4 | δk-1 | βk-1 |
p5 = p1,
T5 = T1· β.
(6)
Подставляя (3) - (6) в (2) получим
| ηt = 1 – | (T1· λ ∕ βk-1 – T1· β) + k · (T1· β – T1) |
| (T1· λ · εk-1 – T1· εk-1) |
или
| ηt = 1 – | λ – βk | - | k · (β – 1) | . |
| βk-1· εk-1· (λ – 1) | εk-1· (λ – 1) |
При
β = λ1 ∕ k
термический КПД цикла принимает максимальное значение
| ηtmax= 1 – | k · (λ1 ∕ k– 1) | , |
| εk-1· (λ – 1) |
расширение рабочего тела будет происходить до начального значения, точка 4 совпадет с точкой 5, при этом
q'2 = 0,
p4 = p1,
T4 = T1· β.
2. Идеальный термодинамический цикл с продолженным расширением и подводом теплоты при постоянном давлении.
Диаграмма цикла в PV-координатах приведена на Рисунке 2.
Рисунок 2.
Рабочее тело с начальными параметрами p1, V1 сжимается по адиабате 1-2, затем в изобарном процессе 2-3 к нему подводится теплота q1, далее оно расширяется по адиабате 3-4. Цикл завершается отводом теплоты q'2 по изохоре 4-5, q"2 по изобаре 5-1 и возвратом рабочего тела в начальное состояние.
Основными характеристиками данного цикла являются:
| ε = V1 ∕ V2 | – | степень сжатия рабочего тела; |
| ρ = V3 ∕ V2 | – | степень предварительного расширения; |
| δ = V4 ∕ V2 | – | степень полного расширения рабочего тела; |
| β = V5 ∕ V1 | – | отношение степени полного расширения к степени сжатия рабочего тела. |
Параметры δ, ε и β при этом связаны соотношением δ = ε · β.
Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам
q1 = cp· (T3 – T2),
q'2 = cv· (T4 – T5),
q"2 = cp· (T5 – T1).
(9)
Термический КПД цикла
| ηt = 1 – | q'2 + q"2 | = 1 – | (T4 – T5) + k · (T5 – T1) | . |
| q1 | k · (T3 – T2) |
Давление и температура в характерных точках цикла
p2 = p1· εk,
T2 = T1· εk-1,
(11)
p3 = p2 = p1· εk,
T3 = T2· ρ = T1· ρ · εk-1,
(12)
(13)
| p4 = p3· | ( | V3 | ) | k | = p3· | ρk | = p1· | ρk | , |
| V4 | δk | βk |
| T4 = T3· | ( | V3 | ) | k-1 | = T3· | ρk-1 | = T1· | ρk | , |
| V4 | δk-1 | βk-1 |
p5 = p1,
T5 = T1· β.
(14)
Подставляя (11) - (14) в (10) получим
| ηt = 1 – | (T1· ρk ∕ βk-1 – T1· β) + k · (T1· β – T1) |
| k · (T1· ρ · εk-1 – T1· εk-1) |
или
| ηt = 1 – | ρk – βk | – | (β – 1) | . |
| k · βk-1· εk-1· (ρ – 1) | εk-1· (ρ – 1) |
При β = ρ термический КПД цикла принимает максимальное значение
| ηtmax = 1 – | 1 | , |
| εk-1 |
расширение рабочего тела будет происходить до начального значения, точка 4 совпадет с точкой 5, при этом
q'2 = 0,
p4 = p1,
T4 = T1· β.
3. Идеальный термодинамический цикл с продолженным расширением и смешанным подводом теплоты.
Диаграмма цикла в PV-координатах приведена на Рисунке 3.
Рисунок 3.
Рабочее тело с начальными параметрами p1, V1 сжимается по адиабате 1-2, затем к нему подводится теплота q'1 в изохорном процессе 2-3, и q"1 – в изобарном процессе 3-4, после чего оно расширяется по адиабате 4-5. Цикл завершается отводом теплоты q'2 по изохоре 5-6, q"2 по изобаре 6-1 и возвратом рабочего тела в начальное состояние.
Основными характеристиками данного цикла являются:
| ε = V1 ∕ V2 | – | степень сжатия рабочего тела; |
| λ = p3 ∕ p2 | – | степень повышения давления; |
| ρ = V4 ∕ V3 | – | степень предварительного расширения; |
| δ = V5 ∕ V3 | – | степень полного расширения рабочего тела; |
| β = V6 ∕ V1 | – | отношение степени полного расширения к степени сжатия рабочего тела. |
Параметры δ, ε и β при этом связаны соотношением δ = ε · β.
Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам
q'1 = cv· (T3 – T2),
q"1 = cp· (T4 – T3),
(17)
q'2 = cv· (T5 – T6),
q"2 = cp· (T6 – T1).
(18)
Термический КПД цикла
| ηt = 1 – | q'2 + q"2 | = 1 – | (T5 – T6) + k · (T6 – T1) | . |
| q'1 + q"1 | (T3 – T2) + k · (T4 – T3) |
Давление и температура в характерных точках цикла
p2 = p1· εk,
T2 = T1· εk-1,
(20)
p3 = p2· λ = p1· λ · εk,
T3 = T2· λ = T1· λ · εk-1,
(21)
p4 = p3 = p1· λ · εk,
T4 = T3· ρ = T1· ρ · λ · εk-1,
(22)
(23)
| p5 = p4· | ( | V4 | ) | k | = p4· | ρk | = p1· λ · | ρk | , |
| V5 | δk | βk |
| T5 = T4· | ( | V4 | ) | k-1 | = T4· | ρk-1 | = T1· λ · | ρk | , |
| V5 | δk-1 | βk-1 |
p6 = p1,
T6 = T1· β.
(24)
Подставляя (20) – (23) в (19) получим
| ηt = 1 – | (T1· λ · ρk ∕ βk-1 – T1· β) + k · (T1· β – T1) |
| (T1· λ · εk-1 – T1· εk-1) + k · (T1· λ · ρ · εk-1 – T1· λ · εk-1) |
или
| ηt = 1 – | λ · ρk – βk | – |
| βk-1· εk-1· ((λ – 1) + k · λ · (ρ – 1)) |
| – | k · (β – 1) | . |
| εk-1· ((λ – 1) + k · λ · (ρ – 1)) |
При
β = ρ · λ1 ∕ k
термический КПД цикла принимает максимальное значение
| ηtmax= 1 – | k · (ρ · λ1 ∕ k– 1) | , |
| εk-1· ((λ – 1) + k · λ · (ρ – 1)) |
расширение рабочего тела будет происходить до начального значения, точка 5 совпадет с точкой 6, при этом
q'2 = 0,
p5 = p1,
T5 = T1· β.
Сравнение значений термических КПД циклов с продолженным расширением, определяемых из соотношений (7), (15), (25), со значениями термических КПД соответствующих циклов Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одинаковых условиях подвода теплоты показывает, что увеличение степени расширения рабочего тела позволяет повысить их на (10 - 12)%.
Список использованных источников
rotor-project.ru
Изобретение относится к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания и позволяет использовать продолженное расширение. Двигатель содержит корпус с рабочей поверхностью, выполненной движением цендра части окружности по овалу Кассини. Ротор выполнен с ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двухсторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе. Оси роликов смещены относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину К < 0,5 Нп, а центр ротора смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой lo = l2(
-1)/ 2 , где Нп - ширина ползуна в пазе ротора; = l2/ l1> 1 - степень продолженного расширения; l1 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания; l2 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения. 4 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в энергетическом машиностроении в качестве гидродвигателей, насоса и двигателя внутреннего сгорания на сухопутном и водном транспортах.
Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус, ротор с расположенными в пазах ползунами, снабженными роликами [1]. Ползуны, расположенные в пазах ротора, непосредственно контактируют с рабочей поверхностью корпуса, а через ролики с односторонней беговой дорожкой. Рабочая поверхность выполнена цилиндрической и имеет контур с большим радиусом кривизны в зоне всасывания и с меньшим радиусом кривизны в зоне расширения, обеспечивая разные объемы всасывания и расширения, а следовательно, рабочий цикл с продолженным расширением. Известен также роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус, ротор с расположенными в пазах ползунами, контактирующий непосредственно с рабочей поверхностью корпуса [2]. Рабочая поверхность корпуса выполнена цилиндрической, имеющей равные радиусы кривизны, как в зоне всасывания, так и в зоне расширения. Ротор смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса к зоне всасывания, образуя разные объемы всасывания и расширения, обеспечивая рабочий цикл с продолженным расширением. Описанные технические решения обладают следующими недостатками. Взаимодействие ползунов с рабочей поверхностью корпуса без возможности приспосабливаемости к рабочему контуру при асимметричной геометрии рабочей поверхности корпуса [1], а также при симметричной геометрии рабочей поверхности корпуса, но со смещенным центром ротора [2] приводит к значительному увеличению угла контакта ползунов с рабочей поверхностью корпуса [2] и более значительному увеличению угла контакта ползунов с рабочей поверхностью корпуса [1], что приводит к увеличению толщины ползунов, а следовательно, к увеличению их массы. Увеличение массы ползунов приводит к увеличению сил инерции и контактных напряжений, а значит к увеличению износа рабочей поверхности корпуса, сокращению моторесурса, механического КПД и топливной экономичности. Рабочая поверхность корпуса технического решения выполнена цилиндрической, образующие линии которой параллельны оси вала ротора, и образована движением этой образующей по эллипсу [1, 2]. Линия действия газовой силы, действующей на ползуны, всегда проходит вне контура ротора. В этом случае ползуны перекашиваются и имеет место кромочное трение с наружными кромками пазов ротора и внутренними концами ползунов со стенками пазов ротора при вхождении и выдвижении ползунов из пазов ротора. А при больших выдвижениях ползунов из пазов ротора может возникнуть заклинивание и их поломка. Все перечисленные недостатки сводят на нет прирост мощности от продолженного расширения. Наиболее близким техническим решением является роторно-поршневая машина, содержащая корпус с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением
, ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двухсторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе [3]. Ось ротора совмещена с центром рабочей поверхности корпуса, а центры осей роликов установлены на осевых линиях ползунов, поэтому объемы всасывания равны объемам расширения, а следовательно, степень продолженного расширения 
, т.е. отсутствует степень продолженного расширения. Создание роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с высокой топливоэкономичностью и бесшумностью за счет использования продолженного расширения в рабочем цикле с возможностью устранения негативного эффекта кромочного трения за счет возможности приспосабливаемости поршней к контуру рабочей поверхности корпуса при симметричной геометрии рабочей поверхности и со смещенными центром ротора является задачей, на решение которой направлено изобретение. Сущность изобретения заключается в том, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащем корпус с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением 
, ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двухсторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе, оси роликов смещены относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину K п, а центр ротора смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой 
где Hп - ширина ползуна в пазе ротора; 
- степень продолженного расширения; l1 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания; l2 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения; Выполнение корпуса с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением 
, обеспечивает большие объемы всасывания и расширения при тех же размерах малых и больших осей цилиндрической рабочей поверхности аналогов [1, 2], т.к. кривизна овала Кассини в зонах всасывания и расширения меньше по сравнению с кривизной в этих же зонах цилиндрической рабочей поверхности аналогов. Смещение роликов относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину K п, позволяет обеспечить последовательный односторонний прижим ползуна к стенке паза ротора, а также обеспечить минимальное время работы ползуна с перекошенной осью относительно паза ротора, что значительно уменьшает потери на кромочное трение при перекладке ползуна. Смещение роликов, таким образом, позволяет осуществить перекладку ползуна, начиная от шарнира поршня под действием сил газов на сегментные поверхности поршня, а затем ползун выравнивается, прижимаясь всей поверхностью к стенке паза ротора уже под действием составляющей нормальной силы инерции, перпендикулярной к оси ползуна и дополнительного момента, образованного в результате смещения ролика относительно оси ползуна, как произведение реакции нормальной составляющей силы инерции на смещение K п относительно оси ползуна. Совместное действие этих сил, а также шарнирное соединение поршней в пазе ротора при его вращении, т.е. обеспечивает приспособляемость поршней к контуру рабочей поверхности корпуса при вращении ротора, что в итоге повышает механический КПД и эффективность продолженного расширения и обеспечивает бесшумность работы двигателя. Смещение ротора относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой 
где
; l1 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания; l2 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения. Величины l2 и l1 соответственно пропорциональны объемам расширения (Vрасш) и объемам всасывания (Vвсас), т.е. 
. Смещение ротора на величину l0 обеспечивает увеличение объема расширения и уменьшение объема всасывания, т.е. в этом случае объем расширения будет во много раз больше объема всасывания. В зависимости от увеличение объема расширения относительно объема всасывания будет определяться степень продолженного расширения = 2,5-3,5. . На фиг. 1 изображен общий вид роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с продолженным расширением; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - геометрия рабочей поверхности корпуса; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус 1 с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением 
, ротор 2 с расположенными в пазах ползунами 3, связанными шарнирами 4 с поршнями 5. Ползуны 3 снабжены с обеих сторон роликами 6, расположенными в двухсторонних беговых дорожках 7, выполненных в корпусе 1, и образующими рабочую камеру 8. Оси роликов 6 смещены относительно осей ползунов 3 в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2 на величину K п, а центр ротора 2 смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса 1 в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2 на величину, определяемую формулой
, где
. Корпус 1 имеет впускной 9 и выпускной 10 коллекторы, свечу зажигания 11, зоны всасывания 12, сжатия-сгорания 13, расширения 14 и выпуска 15. Работает двигатель следующим образом. При вращении ротора 2 по часовой стрелке в зоне 11 происходит всасывание горячей смеси через впускной коллектор 9. Затем рабочая смесь в рабочей камере 8 сжимается в зоне сжатия 13, где она воспламеняется при возникновении искры на свече зажигания 11. Поскольку ротор 2 смещен относительно центра рабочей поверхности 8 корпуса 1 в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой
, где
- степень продолженного расширения; l1 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания; l2 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения; Величины l2 и l1 соответственно пропорциональны объемам расширения (Vрасш) и объемам всасывания (Vвсас), т.е. 
. В зоне расширения 14 происходит увеличение объема рабочей камеры 8 в несколько раз по сравнению с объемом рабочей камеры в зоне всасывания 12. Такое многократное (2,5 - 3,5) увеличение объема рабочей камеры 8 в зоне расширения 14 за поворот ротора на угол 90o обеспечивает продолженное расширение рабочего тела, а следовательно, максимально возможное использование теплоты рабочего тела - повышение мощности, топливной экономичности и улучшение весогабаритных и мощностных показателей двигателя. Давление и температура газов в результате многократного увеличения объема рабочей камеры 8 в зоне расширения 14 значительно снижается. Величина давления в момент максимального расширения рабочей камеры 8 в зоне расширения 14 снижается до уровня атмосферного. В результате происходит бесшумный выпуск в момент совмещения рабочей камеры 8 с выпускным коллектором 10 в зоне выпуска 15. При вращении ротора 2 на ползуны 3 действуют нормальные силы инерции, передаваемые от ползунов 3 к роликам 6, оси которых смещены относительно осей ползунов 3 в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2, на величину K п, где Hп - ширина ползунов 3. Поскольку оси роликов 6 смещены, то при вращении ротора 2 и прохождении ползунами 3 вертикальной линии в зоне сжатия 12 на угол 15 - 30o (при числе камер от 12 до 8) происходит перекладка ползунов 3 в пазе ротора 2 в результате разности давлений перед и за ползунами 3. А при прохождении роликов 6 вертикальной линии в зоне сжатия 13 на угол 15 - 30o (при числе камер от 12 до 8) продолжается перекладка ползунов 3 в пазе ротора 2 за счет составляющей нормальной силы инерции, перпендикулярной оси ползунов 3. Кроме того, смещение роликов 6 обеспечивает односторонний прижим ползунов 3 при их максимальном выдвижении из паза ротора 2, устраняя кромочное трение ползунов 3 о кромку паза ротора 2 в момент перекоса ползунов 3 в пазах ротора 2, и создает дополнительный момент, равный произведению величины смещения "K" на величину нормальной силы инерции. Таким образом, смещение роликов 6 на величину "K" обеспечивает гарантированный односторонний поджим ползуна к стенке паза ротора 2 без его перекоса, что приводит к устранению потерь от кромочного трения, что увеличивает механический КПД на 10-25% и исключает возможность заклинивания ползунов 3 в пазах ротора 2.Формула изобретения
Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус с рабочей поверхностью, выполненный движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением
ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двусторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе, отличающийся тем, что оси роликов смещены относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину К п, а центр ротора смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину, определяемую формулой
где Нп - ширина ползуна в пазе ротора;
- степень продолженного расширения; l1 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания; l2 - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4www.findpatent.ru
