УДК 620.93 Магистрант И.О. Миткеввич

(ФГБОУ ВО СПбГАУ)

Способы снижения тепловых потерь поршневой установки в

различных условиях эксплуатации

Все

серийно

выпускаемые

поршневые

двигатели

используют

углеводородные

топлива.

Эффективный

КПД

двигателя

внутреннего

сгорания

изменяется,

от

20%

у

газовых

двигателей,

22%

у

бензиновых

двигателей

и

до

45%

у

дизельных.

Причем

для

газовых

и

бензиновых

двигателей,

в

которых

применяется

количественное

регулирование

указанный

КПД

соответствует

максимальному

открытию

дроссельной

заслонки.

В

качестве

авиационных

силовых

установок,

вращающих

воздушный винт применяются именно поршневые двигатели с искровым

зажиганием и соответственно количественным регулированием

Распределение тепла, введенного в поршневой двигатель с топливом

описывает тепловой баланс двигателя. Типичный тепловой баланс двигателя

с

искровым

зажиганием

при

полностью

открытой

дроссельной

заслонке

приведен на рис. 1.

Рис. 1. Пример теплового баланса бензинового ДВС. Qe - теплота, перешедшая в

работу

на

валу

Qохл

-

теплота,

отведенная

в

систему

охлаждения

Qог

-

теплота,

потерянная с отработавшими газами Qост - теплота, учитывающая остальные потери

Для

подавляющего

количества

существующих

ДВС,

которыми

являются двигатели автомобилей, режим максимального газа используется

крайне

редко,

и

в

основном

двигатели

эксплуатируются

на

режимах

частичной

мощности,

при

которых

значительно

возрастает

количество

остаточных

газов

и

КПД

двигателя

имеет

минимальные

значения.

Если

рассматривать большинство поршневых ДВС, то можно выделить следующие

диапазоны составляющих теплового баланса:

Табл. 1. Тепловой баланс современных поршневых ДВС [1].

Для ДВС с искровым зажиганием характерным тепловым балансом

является использование 23% тепла, подведенного с топливом на создание

мощности на валу, 27% - потери в систему охлаждения, 45% - потери тепла с

отработавшими газами и 5% другие потери [1]. Видно, что основные потери

извлеченной из топлива энергии, приходятся на долю тепла уходящего через

выпускную

систему

с

отработавшими

газами

и

могут

составлять

более

половины всей тепловой энергии. В отличии от лопаточных тепловых машин

действительный рабочий цикл поршневого двигателя имеет более высокий

уровень эффективности, за счет того, что основная доля тела подводится при

малом изменении объема. Не смотря на известную высокую экономичность

поршневого

двигателя,

существует

возможность

дальнейшего

повышения

эффективности цикла за счет использования части тепла уносимого через

выпускную систему с отработавшими газами.

Современные

способы

утилизации

энергии

отработавших

газов

Проблема утилизации теряемого с выхлопными газами тепла для повышения

эффективности

цикла

двигателя

давно

известна

и

довольно

успешно

решается

различными

способами.

Эти

способы

можно

разделить

на

внешнюю

утилизацию

энергии,

которая

была

бы

выброшена

с

отработавшими газами и внутреннюю утилизацию. К способам внешней

утилизации

относится

использование

турбокомпрессора

и

использование

утилизирующей

турбины

(турбокомпаунд).

Внутренняя

утилизация

подразумевает, что тепло обычно теряемое с выхлопными газами совершает

работу внутри цилиндра двигателя, например, циклы полного расширения -

цикл Аткинсона или цикл Миллера

.[2]

Турбокомпрессор и утилизирующая турбина Двигатели, использующие

энергию

отработавших

газов

на

турбине,

приводящей

центробежный

нагнетатель имеют больший индикаторный КПД и больший механический

КПД,

и

соответственно

больший

эффективный

КПД,

являющийся

их

произведением. Известно, что для обеспечения наддува требуется меньшее

количество энергии, чем содержится в отработавших газах, следовательно,

значительная ее часть все же теряется с выхлопом и эта энергия так же может

быть

утилизирована.

При

использовании

утилизирующей

турбины,

соединенной

через

планетарный

редуктор

с

коленчатым

валом,

неизрасходованная доля энергии отработавших газов может быть возвращена

в

рабочий

цикл.

Утилизирующая

турбина

позволяет

еще

повысить

индикаторный и механический КПД.

При использовании турбокомпрессора прирост эффективности цикла

может составлять до 25% от КПД атмосферного двигателя. Т.е. для двигателя

с искровым зажиганием эффективный КПД может увеличиться до 30...35%, а

КПД дизельного двигателя до 50%. Надо заметить, что указанный прирост

эффективного КПД достижим только при использовании промежуточного

охлаждения. Иначе сжатый в центробежном компрессоре воздух, за счет

нагрева будет иметь низкую плотность.

Использование

утилизирующей

турбины

дает

дополнительное

увеличение КПД на несколько процентов. Но применение такого решения

целесообразно только для стационарных двигателей большой мощности, в

том

числе

судовых.

Т.к.

усложняет

и

удорожает

конструкцию,

а

также

увеличивает габариты и вес двигателя[3]

Джеймс Аткинсон предложил использовать вместо кривошипно-шатунного

механизма, придуманный им альтернативный преобразующий механизм, в

котором за один оборот выходного вала совершалось четыре такта, причем

ход поршня на тактах впуска и сжатия был меньше чем ход поршня при

тактах расширения и выпуска. Таким образом в двигателе Аткинсона

реализовывалось близкое к полному расширение отработавших газов.

Современный вариант цикла Аткинсона, реализуется за счет отличных от

применяемых в цикле Отто фаз газораспределения (двигатели автомобилей

Toyota Prius и Mazda Xedos 9). Закрытие впускного клапана выполняют

значительно позже. При этом часть свежего заряда вошедшего в цилиндр на

впуске выходит обратно во впускной коллектор и реальное сжатие начинается

только когда закроется впускной клапан. Такой процесс называют

"укороченное сжатие". При этом действительная степень сжатия будет ниже,

чем геометрическая, которая буде равна степени расширения.

В цикле Миллера изначально предлагалось выполнять снижение

действительной степени сжатия относительно заложенного в конструкции

отношения полного объема цилиндра к объему камеры сгорания за счет

регулирования фаз механизма газораспределения. С той разницей, что

Миллер предложил закрывать впускной клапан намного раньше, чем это про-

исходит в цикле Отто. Так называемый "укороченный впуск". Достоинством

цикла Миллера является то, что отсутствуют обратное истекание свежего

заряда через впускной клапан и соответствующие негативные явления

(подогрев свежего заряда во впускной системе, работа связанная с

вытеснением части свежего заряда и др.). Однако цикл Миллера менее

эффективен чем цикл Аткинсона. Это связано с тем, что в цикле Миллера

присутствуют затраты работы на расширение свежего заряда, отсутствует

снижающее вероятность детонации охлаждение деталей цилиндропоршневой

группы перед сжатием, которое обеспечивает в цикле Аткинсона

возвращаемая во впускной коллектор порция свежего заряда. С другой

стороны в двигателе выполненном по циклу Аткинсона, 6 при повышении

частоты вращения, проще обеспечить требуемое наполнение цилиндра за

счет большого времени-сечения впускного клапана.

Оба цикла полного расширения обеспечивают повышение эффективного

КПД цикла. •

Во-первых, при увеличении степени расширения относительно степени

сжатия снижаются потери тепла уходящего с отработавшими газами. •

Во-вторых, за счет более полного расширения и меньшего объема камеры

сго- рания снижается средняя температура цикла и соответственно

снижаются поте- ри тепла в систему охлаждения

Список использованных источников :

1 Конкс Г. А. Поршневые ДВС. Современные принципы конструирования /Г.

А. Конкс, В. А. Лашко. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. унт-та, 2006.

2 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинирован- ных

двигателей /под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. – М. : Машинострое ние,

1983 .

3. Теория двигателей внутреннего сгорания /под ред. Н. Х. Дьяченко. – Л.:

Машиностроение. – 1974.

10. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на проч-

ность поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А. С. Орлина, М.

Г. Круглова.– М. : Машиностроение, 1984.