Комбинированный метод анализа индикаторной экономичности поршневых ДВС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436.2.018

В.И. Дудкин

Комбинированный метод анализа индикаторной экономичности поршневых ДВС

В поршневых двигателях эффективность преобразования химической энергии топлива в работу газов оценивается индикаторным КПД Г)(. Величину КПД определяют три группы внутренних факторов рабочего цикла, основанные на различном отношении к обратимости замкнутых, либо к необратимости или незавершенности разомкнутых циклов. Представители первой группы определяют степень незавершенности разомкнутого цикла - это параметры физико-химической неполноты сгорания: а) теплота, аккумулированная углеродными частицами и б) скрытый тепловой эквивалент химической энергии продуктов неполного сгорания. Вторую группу составляют источники необратимости разомкнутого цикла: а) внутренние - эндотермические преобразования; б) внешние - теплообмен с окружающей средой и утечки рабочего тела. К третьей группе отнесем факторы замкнутого цикла: 1) параметры обратимых циклов: а) участок подвода-отвода теплоты в цикле; б) показатели состояния рабочего тела на участке: состав, давление и температура; 2) источник необратимости замкнутого цикла: изменение состава рабочего тела в развитии цикла.

Количественную оценку влияния факторов на значение г|, дают с помощью методов анализа экономичности, различающихся структурой строения и глубиной проводимых исследований. Известны три структурные разновидности методов: аддитивные, мультипликативные и смешанные. Исследования ведут на участке подвода-отвода теплоты на трех уровнях: на уровне макроцикла, где участок определяют габариты цикла; на уровне элементарного цикла - при дискретно-временном анализе, где участок определяют момент т и продолжительность Дх ввода теплоты; на уровне микроцикла - при дискретном пространственно-временном анализе, где участок определяют Т , Дт и пространственное расположение места V ввода теплоты.

Зарождение методологии анализа экономичности циклов связано с установлением второго начала термодинамики. Первые методы имели аддитивную структуру и применялись для анализа экономичности образцовых циклов на

уровне макроцикла. Принимая во внимание возможность применения 2-го начала термодинамики к разомкнутым процессам, указанную еще Клаузиусом Р., в теории ДВС понятие «цикл» распространили также и на рабочий процесс путем условного замыкания его через внешнюю среду, цикл назвали рабочим, а замыкающее звено - его необратимостью. Первые работы по вскрытию рабочего цикла для привлечения к анализу экономичности факторов его необратимости связаны с созданием академиком Н.Р. Брилингом в начале 30-х гг. графического метода анализа со смешанной структурой строения. Аналитическим средством служило уравнение связи Г], с термическим КПД Г], эталона, а в основе анализа лежала аддитивная связь относительного коэффициента Г}0 с величинами А, устанавливаемой при посредстве Т, Б-диаграммы на уровне макроцикла:

П|=т1« П„=Л, (1 -Д„„-Дя-Дис), (1)

где Днп , , Днс - структурные коэффици-

енты, величина которых определяется действи-** ем представителей всех трех групп внутренних факторов: неполнотой сгорания (первая группа), теплообменом (вторая группа) и несвоевременностью ввода теплоты в цикл (третья группа).

Другой подход по включению в анализ экономичности внутренних факторов был предложен профессором К.И. Генкиным [1], который состоял в установлении мультипликативной связи Г|( КПД со структурными коэффициентами Г) по результатам анализа индикаторной диаграммы на тепловыделение, а исследования велись на базе упрощенного представления рабочего процесса как суммы двух последовательных стадий преобразования энергии (рис. 1а).

На 1-й стадии располагаемая в цикле теплота Орасп , эквивалентная химической энергии цикловой порции топлива, в соответствии с 1-м началом термодинамики, преобразуется в тепловую энергию газов 0ТСПЛ , при этом часть теплоты (2расп ТерЯвТСЯ ВСЛвДСТВИе НеПОЛНО-ты сгорания топлива () и тепловых потерь в стенки. На 2-й стадии, в соответствии со 2-м началом термодинамики, активная теп-

А

Первая стадия

>1*-

Вторая стадия

терм

X

^расп ^ нп 1 ■£- ■ * Г) : ^ і 1 — А Т

1 * ^ тепл ' ^ Ь .

<2*

в

раем

нп

і:

Ах

Д5к Д6,

Ахпсл 1 Л8„от

А5.

Д.х!

А.х

расп

А.хи

-г

А.х!

А.а.

А.е.

А.а,

А.сі"

А.е,

А.а

А.а

нр

А.а.

да:

А.СІ!

1 .Теплогенераториая стадия

2. Тепло передаточная стадия

3.Теплотрансформаторная стадия

Рис. 1. Стадийная форма представления преобразования энергии в рабочем процессе ДВС на уровне: А) макроцикла (по Генкину К.И.), В) элементарного цикла; С) микроцикла

лота (?тепл преобразуется в индикаторную работу Ь, газов с отдачей части теплоты р.тсрм теплоприемнику. При этом связь с коэффициентами, характеризующими использование энергии на стадиях рабочего процесса, имела вид:

Л| ~ ^-'1 / ^ расп — Лег л терм I (2)

где Лег = тепл / ^^рвеп " коэффициент сгорания, который определяется действием факторов необратимости разомкнутого цикла на первой стадии, Лтерм = Ь; / С)тспл - термический коэффициент, определяемый действием факторов замкнутого цикла на второй стадии.

Впоследствии для раздельной оценки влияния на значение индикаторного КПД изменения теплоемкости рабочего тела и времени ввода теплоты в цикл К.И. Генкиным было предложено рассматривать термический коэффициент Птерм в виде сомножителей [2]:

Л терм = Л, Лсгтчд* (3)

где Л огн я “ относительный действительный коэффициент, оценивающий несвоевременность ввода активной теплоты в цикл, Г|, =1-1/С*-1 - КПД эталона (теоретический цикл Отто), к=Г(сх), Б0 - геометрическая степень сжатия, а “ коэффициент избытка воздуха.

Методическая ценность стадийного подхода состояла в констатации принципиальной возможности раздельной оценки влияния на КПД факторов разомкнутого цикла в процессе ввода теплоты в цикл - по 1-му началу термодинамики и факторов замкнутых циклов при преобразовании тепловой энергии рабочего тела в

механическую работу газов - по 2-му началу. Реализация стадийного подхода на уровне элементарных циклов состоялась в методе анализа

[3], основанном на аналитической связи значения 7( с Х| = С2,/С}ввсд ~ относительной характеристикой ввода активной теплоты, установленной Б.С. Стечкиным [2]:

= 1 -

(4)

Здесь (Зввед - вся введенная теплота в цикл на рабочем участке а~Ъ, а ввод относительного количества активной теплоты произ-

водится на дифференциальном участке в элементарном идеальном цикле Отто с термическим КПД Г], при степени сжатия £т и значении показателя адиабаты Кт, являющегося функцией параметров состояния рабочего тела - средних по цилиндру температуры Тт и состава рабочего тела на текущий момент т •

Для рассмотрения метода [3] воспользуемся принятой в нем дискретно-непрерывной формой представления ввода теплоты в цикл с шагом по времени Дт, для чего придадим уравнению (4) соответствующую форму записи на рабочем участке цикла в интервале времени Та -Ть:

П|=Х(Ах|(1-1/е^'|)) = ^(Дх,Г1,). (5)

т. Т.

Описание принципа построения метода произведем с позиций стадийного представления процесса преобразования энергии, происходя-

А :

расп

Первая стадия

Вторая стадия

<2„„

С>„

ртерм

••дг":

В:

расп

Ах

Л5к Дбнс Д6,

1

Д5.

С :

А.х'

А.х

расп

А.х!

А.а.

А.е.

1. Теплогенератор пая стадия

А.а

А.е ж—► А.е

А.сі"

А.е,

Д.а

А.а,

А.а.

Д8'

Д<С

2. Тепло передаточная стадия

3.Теплотрансформаторная стадия

Рис. 1. Стадийная форма представления преобразования энергии в рабочем процессе ДВС на уровне: А) макроцикла (по Генкину К.И.); В) элементарного цикла; С) микроцикла

тепл преобразуется в индикаторную ра-

терм

лота ()

ботуЬ| газов с отдачей части теплоты (). теплоприемнику. При этом связь с коэффициентами, характеризующими использование энергии на стадиях рабочего процесса, имела вид:

Л; / Орасп “ Лег Л терм * (2)

где Лег = Ртепл / Фрасп “ коэффициент сгора-ния, который определяется действием факторов необратимости разомкнутого цикла на первой стадии, Л терм = 1-1 / 0 тспл “ термический коэффициент, определяемый действием факторов замкнутого цикла на второй стадии.

Впоследствии для раздельной оценки влияния на значение индикаторного КПД изменения теплоемкости рабочего тела и времени ввода теплоты в цикл К.И. Генкиным было предложено рассматривать термический коэффициент Л терм в виде сомножителей [2]:

Л герм — Л1 Лотн.д » (3)

механическую работу газов — по 2-му началу. Реализация стадийного подхода на уровне элементарных циклов состоялась в методе анализа [3], основанном на аналитической связи значения с Х( = (^/(^„вед “ относительной характеристикой ввода активной теплоты, установленной Б.С. Стечкиным [2]: ь

Пі=1~ \-

а<

Здесь 0>

к,-1

<іх.

(4)

где Г|4

- относительный действительный ко-

эффициент, оценивающий несвоевременность ввода

К—I

активной теплоты в цикл, Г|! =1-1/С^ - КПД

эталона (теоретический цикл Отто), к=Г(а), Е0 - геометрическая степень сжатия, а ~ коэффициент избытка воздуха.

Методическая ценность стадийного подхода состояла в констатации принципиальной возможности раздельной оценки влияния на КПД факторов разомкнутого цикла в процессе ввода теплоты в цикл - по 1-му началу термодинамики и факторов замкнутых циклов при преобразовании тепловой энергии рабочего тела в

- вся введенная теплота в цикл на рабочем участке а— Ъ, а ввод относительного количества активной теплоты (Зх производится на дифференциальном участке в элементарном идеальном цикле Отто с термическим КПД Г|, при степени сжатия и значении показателя адиабаты Кт, являющегося функцией параметров состояния рабочего тела - средних по цилиндру температуры Т, и состава рабочего тела на текущий момент т.

Для рассмотрения метода [3] воспользуемся принятой в нем дискретно-непрерывной формой представления ввода теплоты в цикл с шагом по времени Дх, для чего придадим уравнению (4) соответствующую форму записи на рабочем участке цикла в интервале времени Та-Ть:

П, =Х(Дх|(1-1/е,к’-|» = ^(Дх,т1|). (5)

Т. Т.

Описание принципа построения метода произведем с позиций стадийного представления процесса преобразования энергии, происходя-

щего на уровне элементарного цикла (рис. 1в).

На 1-й стадии в соответствии с 1-м началом термодинамики образуется активная теплота AXj, которая составляет разницу между теплотой Ах , введенной в элементарный цикл, и потерей части ее на теплообмен с окружающей средой Axt = Ах — Ахп(ГГ. Исходя из допущения, что на 2-й стадии теплота Ахпот теряется при тех же термодинамических условиях, при которых вводится теплота Ах, в цикл, выражение под знаком суммы в уравнении (5), названное позднее коэффициентом эффективности использования теплоты А5,

[4], было преобразовано к виду:

A5j = Дх " Ах 1/ ' Ахпот (1 — 1/Б*' 1) =

= Дх- Дбпот- Д5НС - Д5,, (6)

где структурные коэффициенты Д5 вследствие отдачи теплоты в эталоне Дб,, а также связанные с наличием теплообмена А5ПОТ и несвоевременностью сгорания топлива А6НС в развитии цикла преобразований на участке ввода теплоты, определялись по уравнениям:

А«,= 1/С дх ; Д6НС =(1/б''-'-1/8^1) Дх;

Ав-г-(1-1/в;,-,)Ах„. (7)

где Е0 - геометрическая степень сжатия, K=f(ot) ~ показатель адиабаты в эталоне -теоретическом цикле Отто, который полностью соответствует эталону в методе К.И. Генкина.

Благодаря переводу представления процесса преобразования энергии с макро- на уровень элементарных циклов и применению аддитивной структуры, в рассмотренном методе появилась возможность оценивать влияние на формирование значения КПД в развитии цикла - факторов несвоевременности и теплообмена, а в конце - неполноты сгорания хнп :

Л, = 1 -х.п-Дв.^-5^-5,. (8)

В то же время в методе, как и у К.И. Генкина, фактор изменения теплоемкости рабочего тела оказался скрытым в значениях коэффициентов 6НСи 5,, что из-за показателя адиабаты к вело к некорректности в определении понятия эталон и расчете фактора несвоевременности. Для устранения недостатка было предложено [4] в структуре анализа применить два идеальных «воздушных» цикла Отто с показателем адиабаты К, = 1,41, при этом один из них, с вводом теплоты в ВМТ и степени сжатия Б0, принять за эталон, а второй,

при текущей 8Т, - за образец и использовать в качестве промежуточной ступени идеализации состояния рабочего тела на уровне элементарного цикла для выделения указанного фактора в отдельную статью потерь.

В результате [5] уравнение (8) связи 5І со структурными коэффициентами § приняло вид:

81 = Е< Д5.)=Х( Дх -Дб^,-Д8к -Д5НС-

Д83) =х-5П0Т-8к-8нс-6,, (9)

где X “ текущее значение введенной теплоты в цикл; А5І - коэффициенты неиспользования теплоты вследствие дб^ = (і - і/є;'-')Дх„„ - потери теплоты Дх„эт = Дх и + Дх + Дх эна из-за теплообмена Дxw , утечек рабочего тела Ах у,, и эндотермических преобразований Ахэнд;

Д8к = (1/Є*’-1 -1/Б*1"1) Дх ~ изменения

теплоемкости рабочего тела;

А5НС = (І/Б*'"1 “ 1/ Б*я“1) Дх - несвоевременности ввода теплоты в цикл; 83= (1/ Є*’-І)Дх_ отвода теплоты в эталонном цикле Отто (рис. 1в). Для дифференцированной оценки влияния изменения состава 8С введен промежуточный «воздушный» цикл с показателем К,, зависящим только от Т:

бк = 5с + 5,; 6С = £(і/єГ' - 1/еГ')Дх;

Т.

б, = 1/ЄтК’~')дх; (10)

т.

Благодаря аддитивной форме строения и цикловому подходу к оценке влияния внутренних факторов на значение КПД, разработанный метод фактически соответствует энтропийному, позволяющему, по выражению Д.П. Гохиггейна [6], «количественно характеризовать степень необратимости не только замкнутых, но и разомкнутых процессов». Принимая во внимание, что в энтропийном методе является приемлемым использование эксергетических понятий, в работе

[5] было произведено сопоставление данного метода с эксергетическим [7], согласно которому коэффициентам (9) введем в соответствие удельные эксергетические функции цикла Отто.

Так коэффициенту А8П0Т , определяющему степень необратимости разомкнутого цикла, соответствует потеря эксергии СІпот. Коэффициентам, формируемым факторами замкнутых циклов, соответствует убыль эксергии (анергия) aJ: величине 8Э отвода теплоты в эталоне, определяющей теоретический уровень ка-

чества вводимой теплоты дх в цикл - анергия аэ; величине Д5к, определяющей потерю качества теплоты из-за изменения теплоемкости рабочего тела, - анергия ак ; величине Д6НС , составляющей резервы повышения качества теплоты вследствие наличия фактора несвоевременности ввода, - анергия анс.

Уравнение для определения коэффициента эффективности использования теплоты Д5| будет:

Д5, = (Дх “ <*„„,) - (а* +а„с+а,), (11)

где ак = (1/е*’’1 -а°)Дх; а„с = (а“-а^ )дх ;

а; = 1/е;"; а” = 1/е-'

С помощью данного метода, разработанного на уровне элементарных циклов и имеющего аддитивную структуру строения, можно давать весовую оценку влияния на КПД при средних по объему параметрах рабочего тела: компонентных составляющих тепловыделения, например, сажеобразования [5]; факторов второй группы - источников необратимости разомкнутого цикла - по результатам анализа потерь эксергии; факторов третьей группы — параметров замкнутого цикла (вариант А энергетического анализа; рис. 2).

Однако практическая реализация связанных с этим резервов повышения экономичности ограничена величинами качественных показателей рабочего цикла, определяющих ресурсные и экологические характеристики двигателя. Для обеспечения ведения комплексных исследований при доводке рабочего процесса дальнейшее развитие метода направлено на установление связи между экономичностью

рабочего цикла и показателями его качества:

1) термодинамическими параметрами цикла -максимальными значениями давления и температуры в макроцикле; 2) экологическими параметрами отработавших газов.

1. Решение первой задачи по установлению связи экономики цикла с его термодинамическими параметрами производится на уровне элементарных циклов. В варианте В (рис. 2) связь КПД с Рг установлена путем введения в схему анализа идеальных «ь эздушных» циклов Брайтона с отводом теплоты по изобаре Рос : образца при т|, = 1-а®, а® = 1/а(гак£",)к’, где СТтт — Р0 с / Р7 “ степень повышения давления и промежуточного элементарного цикла, имеющего термический КПД т]® = 1_а^, а^ = 1/ дЛк .-ПКэ I ДрИ этом потерю каче-

ства теплоты на уровне элементарного цикла определяет неполнота расширения, составляющая работоспособную часть теплоты отработавших газов и оцениваемая величиной удельной анергии анр, а оценка резервов повышения качества теплоты производится с помощью величины удельной анергии а6ц, определяемой посредством брайтонизации цикла - повышением текущего давления в цикле до Р :

>нр

= Д6„Р = (1/8,‘

*'■' а‘)дх; а0ц =

= Д5, -'-в ~6

■бц - (а;-а,)дх- (12)

В варианте С (рис. 2) для установления связи КПД с Т, в схему анализа введены циклы Карно: образцовый цикл с КПД Г|* = 1~а*; а;=Т„, /Т2 и с КПД п;-1-а;;а:-Т0Х./Т, -промежуточный элементарный цикл. При этом

Факторы снижения качества —р Качество теплоты -т- Резервы повышения качества

В :

Цикл Отто

1 -я ступень ►

1-Я

ст^г

Изменение теплоемкости рабочего тела Сік

Цикл Отто 77? = /(£>,а:э)

2-я степень ]—►

Несвоевременность ввода теплоты анс

Образец: цикл Отто

Цикл Отто < = аєт,к,) " ‘ ?

2-я

2-я

С:

сі^пе

пень

СТЛ-

пень

Неполнота расширения анр

Цикл Брайтона ^=/(ог,/гэ)

ТтйТ2

Цикл Брайтона ті® = ґ(а,к,)

~^| 3-я степень

Брайтонизация цикла а§ц

Образец: цикл Брайтона

ІПІП

3-я

сг\

пень

Отбросная теплота апт

Цикл Карно

т=\-т0.е /тг

4-я

пень

Образен: цикл Карно

Карнотизация

цикла а

кц

:и

Эталон: Триадный цикл

'тц

+ а

кц

Рис. 2. Варианты схем энергетического анализа теплоты в цикле ДВС

потерю качества теплоты в элементарном цикле определяет отбросная теплота, составляющая неработоспособную часть теплоты отработавших газов и оцениваемая величиной удельной анергии аот, а резервы повышения качества теплоты, оцениваемые величиной удельной анергии а^, определяются посредством карнотизации цикла - повышением текущей температуры до Тг '■

аот = Д5от= (а^ -а*) дх;

акц = = <а? “ а1) Дх • (13)

Алгоритмизация метода включает все три варианта анализа (рис. 2), при этом оцениваемые потери качества теплоты ак , анр, аот являются составляющими для коэффициента использования теплоты Д6, , а оцениваемые резервы повышения качества анс, абц , акц -составляющими анергии атц в эталонном цикле, который назовем триадным.

Триадный цикл включает три образцовых ввода теплоты - по изохоре, изобаре и изотерме. В анализируемом цикле в процессе вво-

да теплоты смену образца ввода по изохоре (атц = анс) на изобару (атц= абц) производят при повышении давления Рад > в ВМТ на продленной текущей адиабате (условие 1, рис.

2), а с изобары на изотерму (3^= акц) - после превышения температуры Т Т в анализируемом цикле (условие 2, рис. 2).

На уровне элементарных циклов аналитической связью коэффициента Дб; с удельными эксергетическими функциями триадного цикла является уравнение:

Л5' = е'-<СОТ -<а*+а"Р + а°Д

где е; = е = е — с!п активной теплоты

4 I введ пот

Дх,; составляет разницу между эксергией °введ = Ах Лт ввеДеНПОЙ теплоты В ЦИКЛ Дх и потерей эксергииёпот . Здесь с1ппот= Дхпот Т|* и а™ = (а* “ а° ) Дхпот - потери эксергии на второй стадии преобразования энергии в результате действия внутренних факторов рабочего цикла 2-й группы по В.М. Бродянскому соответствуют «техническим» и «собственным» потерям эксергии [5]; а” = 1/Е*‘-1 ~ анергия в текущем цикле Отто; величины, ак , анр| аот находят по соответствующим уравнениям (11, 12, 13). В то же время эксергия е, = е, +еи -аи активной теплоты Д\( заключаете себе эксергию е, = Дх, Г|" величины изменения теплового эквивалента работы газов Дх, = Рт ДУт/Оввел, эксергию еи = Дхи (Кт- 1)/

(Кэ- 1) Г|* величины изменения внутренней энергии идеального рабочего тела состава воз-духа Дх„ = (Р, V,- Р,.| V,.,)/ 0В„М /(К, - 1) и убыль эксергии аи = е„ “ Дхи Г|* вследствие изменения состояния рабочего тела на участке Дх-

Для учета реальных условий ввода теплоты в цикл, связанных с наличием неоднородностей параметров состояния рабочего тела, введем промежуточные микроциклы: Брайто-

на с КПД Т)*„ = 1-а®,; а', = 1/;

= Рос. /Р,,- и Карно с КПД а* у = Тос /Тт у . Тогда уравнение анализа (14) при вводе теплоты Д% = ДХі +ДХпот в °бъе-ме V примет вид:

д§, = Л6Г“ >= £( Ле-)"

V V

Д<С ) Х<- Да'к+Аа;+Аа^), (15)

V V

где Де,, = ^„+Леи,„-даиу; Де, = А%, у;

ДХі “ у ~~ ДХц ( ” 1)/

(к,- і) л!!..; Ла«л = ^еи.«-Дх„ дх„ =

(Р,у V,- Рн,. уи)/0*,/(к,,,- 1); ДсС -

(а* ” і/є*”'1) Дхпот; Да“ = (а° - а°) Дх; а°У = 1/б*"' ; Да^ = (а“- а„) ДХ; Да), = (а'»“ О Дх; Дх, = Дх, + Дхи.

На стадии преобразования тепловой энергии рабочего тела в работу газов возможна оценка влияния на экономичность объемных неоднородностей параметров состояния рабочего тела (состава, давления, температуры), которая на уровне элементарного цикла ведется путем сравнения соответствующих величин удельных анергий в уравнениях (14)—(15). Так, влияние изменения теплоемкости рабочего тела из-за неоднородности состава и температуры оценивается величиной анк, неоднородности давления с*іід, температуры

апк ~ ак - Аак); а нд — анр -

V

Х(Да„Р); а|1Т = а01- £(Да0Т). (16)

V V

2. Для установления связи экономики цикла с экологическими параметрами отработавших газов определим эксергию Де,'’ введенной в микроцикл активной теплоты Д^( в виде

ле: = де;га- «*», = дхл:..-Асгг;-

(^Храсп- ^Хип ~ Даввед) - Ас1П01 , (17)

где АХрасп “ располагаемая теплота в микроцикле; Лхнм = Л)Ср + “ теплота фак-

торов 1-й группы, определяющая величину незавершенности процесса преобразования химической энергии в тепловую энергию рабочего тела в микроцикле, включающая скрытый тепловой эквивалент химической энергии образовавшихся продуктов неполного сгорания Ах^р и теплоту Ах, аккумулированную в сажевых частицах; Деввсд = Аха*у -анергии введенной теплоты Дх •

Изменения в структуре метода анализа позволяют, начиная с уровня микроцикла, ввести трехстадийную форму представления преобразования энергии в рабочем процессе (рис. 1в). В период горения преобразование энергии начинается на теплогенераторной стадии, где факторы 1-й группы определяют величину незавершенности цикла Дхн„ и эк~ сергию Деввед дискреты Дх потока теплоты На теплопередаточной стадии факторы 2-й группы образуют «собственные» потерпи эксергии, определяющие величину необратимости цикла <3 ЦотУ и эксергию Ае* дискреты Д^ потока активной теплоты На теплотрансформаторной стадии в ходе преобразования тепловой энергии рабочего гела в механическую работу газов, факторы 3-й группы вызывают «технические» потери Да* и убыль Дс1^ эксергии [5]. Они формируют величину эффективности преобразования теплоты в микроцикле.

Сравнение схем по уровням анализа показывает, что с углублением ведения исследований (рис. 1) происходит обогащение формы стадийного представления новым содержанием. Результирующими расчетными уравнениями по определению эффективности использования теплоты Д5( на уровне элементарного цикла и индикаторного КПД в масштабе цикла будут:

Д8, = X (Д8Г“) = I(дХр«„ - ДХ„„ -Ла^)-

V V

-1(АО-1(ДсС + Да; + Да; + Да;); (18)

V V

П, = X!(5>)= 1 “ XСЛхн„ -а^)-

Т Т

-1«С,)-1>1+ак+аот), <19>

т т

Так как разностная схема, принятая при сравнении циклов для оценки влияния внутренних факторов на КПД, заимствована из методов феноменологической квазиравновесной термодинамики, содержательная часть метода является эксергетической, а цикловый подход и аддитивная форма построения анализа соответствуют энтропийному, разработанный метод можно назвать комбинированным. Применение в методе в качестве ступеней идеализации циклов Брайтона и Карно позволило: 1) на уровне элементарных циклов вести анализ теплоты, уносимой с отработавшими газами, а с помощью триадного цикла оценивать резервы повышения индикаторного КПД при наложенных ограничениях на максимальные значения давления и температуры в рабочем цикле; 2) на уровне микроцикла уточнить стадийную форму представления преобразования энергии в рабочем процессе, ввести в анализ экологические составляющие рабочего процесса и применить дискреты, формирующие эксергию тепловых потоков; 3) на уровне микромира выйти на возможность проведения углубленных эко-лого-экономических исследований рабочего процесса с использованием современных достижений в области неравновесной термодинамики и квантовой механики; 4) объединить в комбинированном методе - эксергетический, энтропийный и методы феноменологической квазиравновесной термодинамики при анализе КПД в циклах ДВС.

Выводы. Подведены итоги совершенствования термодинамического метода анализа экономичности поршневых ДВС, названного комбинированным. Определены два пути его дальнейшего развития, которые состоят во включении в анализ качественных параметров рабочего цикла и экологических показателей двигателя, что позволит вести комплексные исследования резервов повышения эффективности преобразования энергии и улучшения качественных показателей рабочего процесса, а также определять пути по их реализации на стадии доводки с учетом реальных пространственно-временных термодинамических условий, существующих в период преобразования энергии в цилиндре поршневых двигателей.

Литература

1. Генкин К.И. Анализ и расчет влияния сгорания на рабочий процесс в двигателе с искровым зажиганием // Труды конференции по поршневым двигателям. М., 1956..

2. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя. М., 1960.

3. Матиевский Д.Д., Толстов В.Т. Уравнение связи индикаторного КПД с характеристиками подвода и отвода тепла и его анализ // Исследование рабочего процесса и систем быстроходных дизелей: Межвуз. сб. Барнаул, 1976..

4 Дудкин В.И. Метод анализа использования теплоты в рабочем цикле поршневого ДВС // Моло-

дые ученые и специалисты Алтая - народному хозяйству. Барнаул, 1982.

5. Дудкин В.И Резервы повышения индикаторной экономичности и пути их реализации в современных тракторных дизелях: Дис.... канд. техн. наук. Л., 1984.

6. Г ох штейн Д.П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок. М., 1969.

7. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его прилозкения / Под ред. В М.Бродянского. М., 1988.

8. Дудкин В.И., Янкин Е.М. К методу оценки влияния термодинамических условий подвода теплоты в цикл на индикаторный КПД поршневых ДВС // Известия АГУ. 2001. №1.