WEB-ресурс научно-практических конференций

СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ИНЖЕНЕРНОЙ СПЕЦТЕХНИКИ

Гаркуша Е.В., Загоруля М.О., Валенкевич А.В.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются основными средствами энергетики на автотранспорте, а также они используются в различных отраслях народного хозяйства. Не только область применения, но и конкретное назначение двигателей предъявляют определенные специфические требования к его конструкции, режимам работы, способам регулирования и т.д.

В настоящее время развитие и совершенствование двигателей внутреннего сгорания осуществляется в комплексе решения общих проблем транспортного и хозяйственного машиностроения с учетом основных тенденций развития мирового двигателестроения, а именно организации рабочих процессов двигателей.

Ниже рассмотрены способы организации рабочих процессов ДВС путем применения нетрадиционных топлив, в частности, использование закиси азота (химический наддув), использование искусственных газовых смесей, использование однокомпонентного топлива нитрометана.

Химический наддув ДВС

Одним из оптимальных по соотношению стоимость-надежность-ресурс способом кратковременного форсирования бензинового ДВС является химический наддув, осуществляемый путем присадки к свежему заряду цилиндра закиси азота N ₂ О с про­порциональным, в смысле обеспечения постоянства коэффициента избытка кислорода для сгорания топлива , увеличением подачи бензина [1]. При полном замещении воз­духа закисью азота мощность двигателя может быть увеличена в 1,77 раза, при одновременном росте максимального дав­ления цикла , характеризующего механические нагрузки на детали ДВС, в 1,517 раза. При этом максимальная температура цикла , как и при традиционном способе наддува путем повышения плотности за­ряда повышением его давления, сохраняется неизменной, а КПД двига­теля незначительно снижается (в 0,965 раза).

Химический наддув присадкой закиси азота поршневого бензинового ДВС можно считать термодинамически подобным обычному наддуву, о чем свидетельствует постоянство максимальной температуры цикла и температуры в конце расширения и линейная зависимость параметров цикла , , от объемной концентрации закиси азота r _{N 2 O} в свежем заряде рабочего цилиндра двигателя.

При высоком химическом наддуве бензинового ДВС присадкой кислорода О ₂ к свежему заряду цилиндра максимальная температура цикла становится столь высокой, что необходимо применение внутреннего охлаждения камеры сгорания двигателя впрыском воды , что приводит к значительному снижению КПД цикла, вызванному увеличением по­терь теплоты с отработавшими газами, ввиду высокой мольной тепло­емкости водяного пара .

Таким образом, применение форсажного химического наддува присадкой к свежему заряду рабочего цилиндра закиси азота, в сра­внении с присадкой кислорода, является предпочтительным, в связи с ожидаемым незначительным возрастанием теплонапряженности дета­лей двигателя, одинаковым ростом механической напряженности рабо­ты деталей и меньшим падением КПД цикла при равной степени форси­рования бензинового двигателя по мощности.

Использование искусственных газовых смесей

Радикальным способом повышения КПД поршневых ДВС может стать переход на замкнутый рабочий цикл с искусственным рабочим телом на основе одноатомных (инертных) газов, значение показателя адиабаты которых имеет наибольшую величину среди газообразных химических элементов, а теплоемкость слабо зависит от изменения температуры.

Выполненные расчетные исследования рабочих процессов ДВС с использованием искусственного рабочего тела с балластным компонентом [2] показали повышение эффективного КПД рабочего цикла на 17–23 % при некотором росте показателей цикла, характеризующих тепловую и механическую напряженность деталей двигателя.

Применительно к наземным транспортным и технологическим машинам поиск систем и средств, обеспечивающих работоспособность энергетических установок вне зависимости от атмосферного воздуха является актуальной проблемой с точки зрения решения вопроса их эксплуатации в условиях аномального состояния атмосферы.

Использование однокомпонентного топлива нитрометана

В поршневых ДВС спортив­ных автомобилей однокомпонентное топливо (нитрометан) применяют как простой способ форсирования. В работе [3] утверждается, что при использовании однокомпонентного топлива должно наб­людаться значительное повышение КПД двигателя. Сведения о рабочем процессе ДВС на однокомпонентных топливах, за исключением вышеуказанной работы отсутствуют, поэтому дальнейшие исследования в этой области представляют большой теоретический и практический интерес.

При замене бензина нитрометаном с коэффициентом избытка воздуха по кислороду мощности двигателя повышается в 1,53 ра­за, КПД снижается в 0,93 раза и возрастает механическая и тепловая нап­ряженность деталей из-за возрастания максимального давления цикла в 1,32 раза и максимальной температуры цикла в 1,12 раза. С учетом запаса прочности деталей современных двигателей без наддува на уровне трехкратного можно сделать заключение о возмож­ности кратковременной работы двигателя обычной конструкции на нитрометане, что подтверждается практикой спортивных гоночных соревнований.

Таким образом, рассмотренные выше малоизвестные способы организации рабочих процессов поршневых ДВС в настоящее время актуальны ввиду современных тенденций повышения энергетических показателей ДВС и улучшения их экологических характеристик.

Список использованных источников:

1. Приходько А.М., Приходько В.М. Химический наддув двигателя Отто // Труды международного научно-технического семинара «Исследования, проектирование и эксплуатация судовых ДВС». – СПб.: ПаркКом, 2006. – С. 182–185.

2. Назарец В.С., Приходько А.М., Загоруля М.О. Оптимизация состава рабочего тела поршневых двигателей внутреннего сгорания // Подъемно-транспортная техника. – 2007. - № 1. – С. 60–70.

3. Захребетков Ю.В. Эффективность нового способа работы теплового двигателя // Двигателестроение. – 2001. – № 2. - С. 34 – 36.