Основы тепловых двигателей внутреннего сгорания. Издание II

Применение светильного газа было известно уже давно – еще на стационарных двигателях Отто. Однако на борту автомобиля это альтернативное топливо было трудно хранить. У нас уже тогда практически решили эту задачу и даже придумали проведение дорожных испытаний в автопробегах. Этими работами, как и испытаниями занимался профессор Бриллинг Н. Р. Он же занимался и организацией испытательных дизельных пробегов, то есть непосредственном практическим усовершенствованием дизельных двигателей. Других ученых двигателистов у нас в данном случае выделить сложно, так как они в большой степени занимались другими альтернативными конструкциями, а кроме того – об этом мало что известно. Во всяком случае газогенераторные автопробеги у нас позволили выделить альтернативное топливо для дизелей еще тогда: сжатый и сжиженные газы, а также проводились эксперименты с топливом из древесных чурок и соломы. Это лишь одна из известных детально научных разработок по тепловым двигателям внутреннего сгорания из СССР причем именно на альтернативных топливах.

Все остальные исследователи уже не были авторами научной школы и теории данного типа изотермического процесса, принесшего колосальнейшую пользу человечеству, а лишь его исследователями, внесшими необходимые практические улучшения или изменения. Теория теплового процесса двигателя внутреннего сгорания в данном случае получила необходимое правильное направление и позволила развить системы впрыска от высокого давления – до низкого. Сперва был создан процесс воспламенения от сжатия, а потом он еще был развит до впрыска для бензиновых двигателей. При этом были созданы сложные прецезионные схемы топливных насосов высокого давления и форсунок и более того – усовершенствованные схемы с низким давлением и портативными форсунками. Для увеличения экономичности в данном случае были найдены способы практического наддува топливовоздушной смеси с охлаждением или подогревом, электронное и калильное зажигание, форкамерное зажигание, формы поршней и головок, и многое другое.

Таким образом, теория термического теплового процесса для тепловых двигателей внутреннего сгорания на практике сразу совершила гигантский скачек для транспортных большегрузных двигателей и даже породила новую форму для легкового – впрыск топлива вместо процесса карбюрации. Эволюция данной области естествознания уже почти сразу определила и современные уровни и требования, а также качество техники и технический прогресс. Это было плодом определенных конкретных исследователей и ученых и их творческим вкладом в науку.

В 1957 г Ф. Ванклем (Япония) был создан работоспособный роторно-поршневой двигатель, который впервые появился на серйных моделях «НСУ-Спайдер». Однако при этом известно также, что в СССР в это же время проводились аналогичные работы под руководством академика Стечкина Б. С. в основном для аэросаней и другой спецтехники.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

При проектировании тепловых двигателей, а так же в некоторых других случаях используются несколько фундаментальных научных дисциплин. Наряду непосредственно с машиноведением, то есть проектировочными тяговыми и прочностными расчетами и некоторыми другими, – базовыми являются в первую очередь теплотехника и термодинамика. Они определяют сущность рабочих процессов, происходящих c газами и их законы. Более того, они являются интегрированными научными и учебными дисциплинами, обосновывающими достижения других в данной области (математики, физики, химии…),то есть применительно непосредственно к устройствам, способным совершать работу (двигателям).Изучение данной дисциплины позволит получить необходимые первоначальные знания и сведения в области тепловых двигателей, которые могут потребоваться в дальнейшем для разных целей и на практике.

Основные термодинамические параметры газов

Газы, которые встречаются повсеместно являются инертными, но рассматриваются как рабочие тела с помощью которых происходит превращение теплоты в механическую работу и они подчиняются основным законом теплотехники. Идеальным называют вооброжаемый газ, в котором молекулы рассматриваются как материальные точки (обладающие массой, но не имеющие обьема), между которыми отсутствуют силы взаимодействия. Основными параметрами рабочего тела являются: давление (p),температура (Т),удельный обьем (отношение обьема газа к его плотности – v).

Удельной теплоемкостью называют:

    С = dq / d T,
где dq – теплота [Дж],

dT – приращение температуры, [K].

Она показывает, какое количество теплоты необходимо подвести к единице количества вещества для нагревания его на 1К..Различают теплоемкость: массовую [Дж/кгК],киломольную [Дж/кмольК],обьемную [Дж/м3К].Общая формулировка несколько иная:

Ѡ= dU/dT + p*dV/dT,

где dU – изменение внутренней энергии газа,
p*dV/dT – удельная работа.

Энтропией является величина:
dS = dq/T

изменение которой в элементарном процессе равно отношению количества теплоты dq, участвующей в этом процессе к постоянной температуре Т.

Энтальпией называют функцию :

    u + p*v = i,
– где U -внутренняя энергия системы.

Количество теплоты же тогда можно определить следующим образом:

dq = di + v*dp.

Кроме указанных термодинамических параметров важную роль играет уравнение состояния:

P*V = R*T,

где R – газовая постоянная, а для 1 Кмоля газа это уравнение имеет вид:

P*Vm = Ro*T,

где Ro=8,31*1000 [Дж/КмольК] – универсальная газовая постоянная, одинаковая для любого газа,

Vm=v*m=m/p – обьем, занимаемый 1 Кмолем газа при нормальных условиях. Киломоль – это количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе.

Основные законы теплотехники и термодинамики

С помощью газов можно совершать положительную работу, т.е. их обычно используют для приводов тепловых двигателей различных типов или холодильных машин. Поэтому для оценки работы необходимо знать основные понятия о термодинамическом процессе.

Состояние системы газа может быть равновесным или неравновесным. Равновесным считают состояние при котором параметры газа (P,V,T) остаются неизменными сколько угодно долго, пока какие-либо внешние воздействия не изменят их. Иначе состояние считается неравновесным. Последовательность же изменения термодинамического состояния системы называют термодинамическим процессом. Если в результате прямого термодинамического процесса система перешла из одного состояния в другое, а затем вернулась обратно к первоначальному состоянию, то возник обратный термодинамический процесс. Обратимым называют равновесный процесс, который протекает в прямом и обратном направлениях через один и тот же ряд равновесных состояний, не вызывая изменения в самом газе и в телах, окружающих систему. Неравновесные процессы необратимы и все действительные процессы в теплотехнике практически необратимы.

При расширении и сжатии газа совершается работа (изнутри или извне).Здесь она определяется как:

dL = p * dV

где р – сила, dV – элементарное изменение обьема.

Полная работа является суммой или интегралом этого выражения и измеряется в [Дж]: 1 Дж= 1 Квтч. Работа газа в практической области давно уже применяется для тепловых двигателей и других машин и поэтому имеет свои исторические законы.

Законы в термодинамике играют важную роль и обуславливаются для идеальных газов: но на практике переносятся на реальные газы. Далее приводятся основные термодинамические законы и некоторые аспекты их практического применения.

Закон Авогадро для идеальных газов гласит, что все газы при одинаковом давлении и температуре содержат в равном обьеме одинаковое число молекул.

Закон Дальтона определят для смеси газов следующее: если различные компоненты газовой смеси не вступают в химические реакции друг с другом, то каждый газ занимает весь обьем сосуда, равномерно распределяясь в нем. Давление каждого из газов называется парциальным: таким образом, давление, оказываемое газовой смесью, равно сумме парциальных давлений.

Основные типы термодинамических процессов и законы их определяющие: это изохорный, изобарный, изотермический и аддиабатный. Самым простым термодинамическим циклом, приближенным к реальным условиям является, например, цикл Карно.

Изохорный процесс протекает при постоянном обьеме (он может совершаться, например, при нагревании газа, помещенного в сосуд: кстати один из первых паровых автомобилей под названием повозка Куньо работал именно так!).Его обоснованием является закон Шарля: давление оказываемое на стенки сосуда при изохорном процессе прямо пропорционально абсолютной температуре

P1/T1 = P2/T2.

Изобарный процесс протекает при постоянном давлении (он осуществляется при помещении газа в плотный цилиндр с подвижным поршнем, на который действует постоянная внешняя сила при подведении и отводе теплоты: похожий процесс, например, осуществлялся в старых движителях паровозов, без учета отвода теплоты!).В данном случае при нагревании температура газа повышается и он расширяясь выталкивает поршень из цилиндра; а при отводе теплоты температура газа понижается и поршень, например, под действием внешней силы возвращается в исходное состояние. Этот процесс определяет закон Гей-Люссака: в изобарном процессе обьем, занимаемый данной массой газа, прямо пропорционален температуре

V1/T1 = V2/T2.

Изотермический процесс протекает при неизменной температуре: практически его осуществить очень сложно! Здесь имеем

    P1*V1 = P2*V2

Аддиабатный процесс протекает без теплообмена с окружающей средой (также осуществить очень сложно).

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических процессов: энергия не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одного вида в другой в эквивалентных количествах. Примером является переход теплоты в механическую работу и наоборот.

Если к М кг газа, занимающего при температуре Т обьем V подвести при постоянном давлении некоторое количество теплоты, то в результате этого температура газа повысится, а обьем – увеличится. Если при этом в газе дополнительно никаких процессов не происходит, то на основании закона сохранения энергии можно записать:

    dQ = dK + dH + dL,

где dK – изменение средней кинетической энергии газа,