Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания реферат

Обновлено: 05.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Содержание:

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 4

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ 6

Области применения теплового расширения 6

ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 8

Классификация ДВС 8

Основы устройства поршневых ДВС 9

Принцип работы 10

Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя 11

Принцип действия четырехтактного дизеля 12

Принцип действия двухтактного двигателя 14

Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей 15

Рабочий цикл четырехтактного двигателя 17

Рабочие циклы двухтактных двигателей 18

Реактивные двигатели. 20

Инновации 20

ВВЕДЕНИЕ

Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров.

Важную роль играет автомобильный транспорт в освоении восточных и нечерноземных районов нашей страны. Отсутствие развитой сети железных дорог и ограничение возможностей использования рек для судоходства делают автомобиль главным средством передвижения в этих районах.

Автомобильный транспорт в России обслуживает все отрасли народного хозяйства и занимает одно из ведущих мест в единой транспортной системе страны. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок.

Автомобильный транспорт создан в результате развития новой отрасли народного хозяйства - автомобильной промышленности, которая на современном этапе является одним из основных звеньев отечественного машиностроения .

Начало создания автомобиля было положено более двухсот лет назад (название "автомобиль" происходит от греческого слова autos - "сам" и латинского mobilis - "подвижный"), когда стали изготовлять "самодвижущиеся" повозки. Впервые они появились в России. В 1752 г. русский механик-самоучка крестьянин Л.Шамшуренков создал довольно совершенную для своего времени "самобеглую коляску", приводимого в движение силой двух человек. Позднее русский изобретатель И.П.Кулибин создал "самокатную тележку" с педальным приводом. С появлением паровой машины создание самодвижущихся повозок быстро продвинулось вперед. В 1869-1870 гг. Ж.Кюньо во Франции, а через несколько лет и в Англии были построены паровые автомобили. Широкое распространение автомобиля как транспортного средства начинается с появлением быстроходного двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г.Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а в 1886 г. К.Бенц - трехколесную повозку. Примерно в это же время в индустриально развитых странах (Франция, Великобритания, США) создаются автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

В конце XIX века в ряде стран возникла автомобильная промышленность. В царской России неоднократно делались попытки организовать собственное машиностроение. В 1908 г. производство автомобилей было организовано на Русско-Балтийском вагоностроительном заводе в Риге. В течение шести лет здесь выпускались автомобили, собранные в основном из импортных частей. Всего завод построил 451 легковой автомобиль и небольшое количество грузовых автомобилей. В 1913 г. автомобильный парк в России составлял около 9000 автомобилей, из них большая часть - зарубежного производства.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы.

Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.

Двигатели внутреннего сгорания. В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в рабочей камере. На большинстве современных автомобилей установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания, а на большинстве современных самолетах – реактивные.

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием криво шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

А теперь немного о первых ДВС. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной. В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1)всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

Быстрое распространение ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных особенностей.

Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС. Среди ДВС дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены.

К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей.

Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения.

Установки с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут летать десятки часов без пополнения горючего. Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках.

Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность. Высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, Токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появлений не уравновешенных сил инерции и моментов от них. Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая функция, т.е. силовое воздействие, создание больших давлений, которую выполняет тепловое расширение, и ради которой это явление применяют в различных технологиях и в частности в ДВС. Именно этому явлению я хочу уделить внимание в следующей главе.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

Тепловое расширение - изменение размеров тела в процессе его изобарического нагревания (при постоянном давлении). Количественно тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения B=(1/V)*(dV/dT)p, где V - объем, T - температура, p - давление. Для большинства тел B>0 (исключением является, например, вода, у которой в интервале температур от 0 C до 4 C B 0 (исключением является, например, вода, у которой в интервале температур от 0 C до 4 C B

Принципиальные отличия протекания процессов в карбюраторных двигателях от таковых в дизелях заключаются лишь в том, что в карбюраторных двигателях производится впуск и сжатие подготовленной вне цилиндра смеси топлива с воздухом до состояния, не допускающего самовоспламенения. В таких двигателях обеспечивается принудительное воспламенение в нужный момент от специальной системы зажигания. Характер… Читать ещё >

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Реальные двигатели внутреннего сгорания: индикаторные диаграммы, идеальные циклы и КПД

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называют тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, при этом сгорание осуществляется непосредственно внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания имеют поршневую или роторную конструкцию.

Поршневые ДВС разделяют по способу подготовки горючей смеси (внешнее или внутреннее смесеобразование) и способу ее воспламенения (принудительное или самовоспламенение — воспламенение от сжатия).

К двигателям внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением относят газовые и карбюраторные, ДВС с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением называют дизелем.

По числу тактов (такт — ход поршня от одной мертвой точки до другой), за которые совершается цикл, поршневые ДВС делят на четырехтактные и двухтактные.

Графическую запись реального процесса, протекающего внутри цилиндра ДВС, называют его индикаторной диаграммой.

Рассмотрим кратко индикаторную диаграмму четырехтактного ДВС с внутренним смесеобразованием и с воспламенением от сжатия (дизель), представленную на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля.

При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) через открытый впускной клапан в цилиндр поступает воздух (такт всасывания, впуска) в процессе г—а. Второй такт сжатия а—с происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах. На подходе поршня к ВМТ в сжатый воздух через специальную форсунку подается топливо, которое после распыливания самовоспламеняется. При этом выделяется большое количество теплоты, вследствие чего значительно возрастают давление и температура продуктов сгорания. Одновременно начинается третий такт расширения — рабочий ход (процесс с—/—Ь). Четвертый такт — выпуск (процесс ?—г) происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при открытом выпускном клапане. Затем процессы повторяются.

Реальные процессы не совпадают с тактами. Так, выпуск газов и наполнение цилиндров воздухом начинаются раньше и заканчиваются позже соответствующих тактов, в зависимости от времени открытия соответствующих клапанов. Топливо также подается с опережением, а его подача заканчивается уже на такте расширения.

Площадь индикаторной диаграммы в координатах рУ характеризует работу, которая подразделяется на две части. Отрицательную работу называют работой насосных потерь Ь_{Н П}> положительную — индикаторной работой цикла Ц.

Отношение величины индикаторной работы к теплоте, вносимой в цилиндр за цикл, называют внутренним или индикаторным КПД:

Двухтактные ДВС отличаются от четырехтактных тем, что в них процессы наполнения и выпуска совмещены по времени. На рис. 5.8 представлена индикаторная диаграмма двухтактного дизеля с двумя типами окон — продувочными и выпускными, открываемых и закрываемых телом поршня.

Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля.

Процесс сжатия начинается при ходе к ВМТ после закрытия телом поршня всех окон в точке а. При подходе поршня к ВМТ подается топливо, которое распыливается и самовоспламеняется. Рабочий ход заканчивается в точке Ь в момент открытия выпускных окон. В точке е открываются продувочные окна, через которые подается специально подготовленный воздух. Процесс продувки заканчивается в точке / т. е. потерей работы. Степень приближения реальных процессов к идеальным оценивается внутренним относительным индикаторным КПД г|_о/, а экономическое совершенство реального цикла — внутренним абсолютным (индикаторным) КПД тр. Связь этих КПД с термическим КПД находят из соотношений:

где и ?_ц — действительная (индикаторная) работа и работа идеального цикла; (?_х — количество подведенной за цикл теплоты.

Отдаваемая на потребитель работа (мощность) называется эффективной и обозначается Ь_е (ЛД. Она отличается от индикаторной работы (мощности).

(где т — время цикла) на величину механических потерь.

Механический КПД двигателя

Умножив числитель и знаменатель дроби на получим откуда.

Мощность механических потерь учитывает:

• потери на трение во всевозможных узлах и передачах;
• работу насосных потерь (см. индикаторную диаграмму ДВС);
• потери механической энергии на привод навешенных на коленчатый вал механизмов, на собственные нужды двигателя, например насосов систем питания, охлаждения, смазки и г. н.

Эффективный КПД двигателя обычно вычисляется по результатам испытания, но формуле.

где Д, — часовой расход топлива, кг/ч; 0?— низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг; g_e — удельный эффективный часовой расход топлива, кг/(кВт • ч).

Таким образом, при конкретном топливе величина удельного эффективного часового расхода топлива обратно пропорциональна эффективному КПД двигателя.

Формула (5.12) позволяет провести анализ возможностей повышения эффективности двигателя, используя аппарат термодинамического исследования.

На рис. 5.9 представлена ступенчатая связь между коэффициентами полезного действия в процессе преобразования энергии от первичного источника в механическую энергию — работу транспортного средства.

Рис. 5.9. Схема преобразования энергии от источника теплоты до потребителя.

Полное преобразование теплоты в работу — вечный двигатель второго рода СПвдир = 1) противоречит второму началу термодинамики, а термодинамический предел (в заданном интервале температур) возможен в цикле Карно Термические КПД идеальных циклов реальных двигателей всегда ниже КПД цикла Карно. Внутренние потери, связанные с необратимостью реальных процессов, степень отличия их от идеальных процессов оцениваются относительным индикаторным КПД Г|_о/, а механические потери — механическим КПД г|_мех.

Далее эффективный КПД двигателя г_е уменьшается за счет механических потерь передачи к движителю (колеса, винт и т.и.), а затем и за счет потерь механической энергии, определяемых КПД движителя.

Представленная схема, справедливая для любого теплового двигателя, работающего на какой-либо потребитель, позволяет представить место частного КПД в общей системе коэффициентов полезного действия, оценить его весомость, рассмотреть возможности его повышения и влияние на общий КПД транспортной установки.

Рассмотрим ниже идеальные циклы двигателей и проанализируем пути повышения их КПД.

В двигателях этого типа подвод теплоты к рабочему телу, находящемуся в цилиндре, осуществляется не из окружающей среды через разделительную стенку, а происходит в самом рабочем теле при химической реакции горения топлива. Такая особенность обусловила их название в отличие от двигателей с внешним теплоподводом, к которым относится, например, пароэнергетическая установка, где теплота рабочему телу (воде и водяному пару) передаётся от топочных газов через стенки теплообменных поверхностей парогенератора.

Так как на судах речного флота преимущественно применяются четырехтактные дизели, далее будет рассмотрен принцип действия такого двигателя. На рисунке 9.1 показана его схема.

Рисунок 9.1

цилиндре 1 перемещается поршень 2 с кривошипно-шатунным механизмом 3, позволяющим преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. В крышке цилиндра находятся клапаны впуска К1 и выпуска К2, которые открываются и закрываются в нужные моменты времени с помощью специального механизме, не показанного на рисунке. В крышке цилиндра находится также форсунка 4 для подачи в нужный момент распыленного топлива.

Рабочий процесс осуществляется за четыре хода поршня. При движении поршня вниз через открытый клапан впуска К1 из окружающей среды в цилиндр поступает воздух, необходимый для горения топлива. Когда поршень достигает нижнего положения (нижней мёртвой точки), клапан впуска закрывается, и при следующем ходе поршня вверх происходит процесс сжатия газа в цилиндре. Вблизи верхнего положения поршня (верхней мёртвой точки) в цилиндр форсункой впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. Выделившаяся в процессе горения теплота увеличивает внутреннюю энергию рабочего тела, что сопровождается увеличением давления и температуры газа. Следующее за этим перемещение поршня сверху вниз, называемое рабочим ходом, происходит с передачей энергии в форме работы от газа, находящегося в цилиндре, через кривошипно-шатунный механизм потребителю энергии, которым может быть гребной винт, электрогенератор, компрессор и др. После рабочего хода, при очередном движении поршня снизу вверх, следует вытеснение продуктов сгорания через клапан К2 в атмосферу. Затем рабочий процесс повторяется в той же, строго определённой, последовательности.

Если в цилиндре ДВС установить датчик прибора, фиксирующего давление газа в каждом положении поршня, то с помощью такого прибора можно проследить за динамикой изменения давления в рабочем пространстве. Полученный при этом график , где ^ V - объём цилиндра, называется индикаторной диаграммой . На рисунке 9.1,б линия 1-2 соответствует ходу всасывания, 2-3 - процессу сжатия, 3-4 - рабочему ходу и 4-1 - процессу выпуска газа, а изобара р определяет давление атмосферного воздуха.

Так как рабочий процесс в таком двигателе осуществляется за четыре хода поршня (такта), он называется четырёхтактным. Следует отметить, что два хода поршня у этих двигателей предназначены для осуществления процесса газообмена - выпуска отработанного газа и впуска свежего воздуха. Существуют двухтактные ДВС, у которых процесс газообмена происходит на части хода поршня, что обеспечивается особой конструкцией таких двигателей.

Рабочий процесс, происходящий в поршневых ДВС, очень труден для анализа из-за сложности физических и химических процессов, происходящих в цилиндрах, однако некоторые упрощения позволяют использовать термодинамические методы анализа, дающие возможность выяснить основные закономерности в процессах энергообмена и наметить пути совершенствования этих двигателей.

На рисунке 9.2 показана такая упрощенная термодинамическая модель поршневого ДВС. Предполагается, что в цилиндре этой модели находится постоянное количество (1кг) идеального газа, химический состав которого не изменяется и теплоёмкость которого не зависит от температуры. Горение топлива заменяется условным термодинамическим процессом подвода теплоты, а выпуск газа в атмосферу - условным процессом отвода теплоты. Процессы сжатия и расширения принимаются адиабатными.

Рисунок 9.2

бобщенный цикл такой термодинамической модели, с учётом вышесказанного, состоит из следующих термодинамических процессов:

- адиабатного сжатия ^ 1-2;

- изохорного 2-3 и изобарного 3-4 процессов подвода теплоты;

- адиабатного расширения 4-5;

- изохорного процесса отвода теплоты 5-1.

Отношение объёмов в процессе сжатия называется степенью сжатия

отношение давлений в процессе изохорного подвода теплоты называется степенью повышения давления

отношение объёмов в процессе изобарного подвода теплоты называется степенью предварительного расширения

Термический кпд цикла определяется по формуле

где - теплота, подведённая в процессах 2-3 и 3-4,

- отведённая в процессе 5-1 теплота.

где - показатель адиабаты, - температуры в соответствующих точках цикла.

Температуры в характерных точках цикла определяются, исходя из того, что известны параметры () в начальной точке ^ 1 и безразмерные характеристики , и .

Для адиабатного процесса 1-2 справедливо соотношение

В изохорном процессе

В следующем изобарном процессе

с учетом значения температуры , следует:

После подстановки значений температур в формулу (9.1) получается

и, окончательно после сокращений,

Задаваясь различными значениями ,, и k, можно определить влияние этих безразмерных характеристик на термический кпд цикла. Такие зависимости показаны на рисунке 9.4,а. Из графиков видно, что термический кпд цикла ДВС возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления, но снижается с увеличением степени предварительного расширения. Кроме того, из формулы (9.2) следует, что применение в качестве рабочих тел одноатомных газов с большим показателем адиабаты оказывается предпочтительным по сравнению с двухатомными и многоатомными газами. Правда, эта рекомендация для реальных ДВС, работающих в условиях земной атмосферы и использующих углеводородное многоатомное топливо, практического значения не имеет.

Рисунок 9.4

ля определения давлений и удельных объёмов в характерных точках цикла используются соотношения между параметрами в соответствующих процессах и уравнение состояния идеального газа:

из процесса 4-5 – v₅=v₁, p₅=p₄(v₄/v₅) k , T₅=p₅v₅/R

Удельная работа цикла ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты определяется по алгебраической сумме работ отдельных процессов, в которых она не равна нулю:

Частным вариантом рассматриваемого цикла является цикл ДВС с изохорным подводом теплоты 1234, представленный в диаграмме на рисунке 9.4,б. При  =1 формула термического кпд значительно упростится

Таким образом, в цикле ДВС с изохорным подводом теплоты термический кпд зависит только от показателя адиабаты и степени сжатия газа. Удельная работа этого цикла определяется алгебраическим суммированием работ в процессах 1-2 и 3-4:

Ещё одним частным вариантом является цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (1256 на рисунке 9.4,б). Для этого цикла =1, и формула термического кпд имеет вид:

Удельная работа цикла с изобарным подводом теплоты равна

На рисунке 9.5 в диаграмме T - s показаны все три цикла ДВС при следующих условиях:

- начальные параметры одинаковы;

- степень сжатия одна и та же, поэтому процесс 1-2 оказывается одинаковым для всех циклов;

- подведённая теплота в циклах одинакова.

Из последнего условия следует, что площади под процессами подвода теплоты равны:

В принятых условиях в цикле с изобарным подводом теплоты количество отведенной теплоты, определяемое площадью , оказывается наибольшим, а в цикле с изохорным подводом теплоты - наименьшим. Промежуточное значение отведённой теплоты (а) получается в цикле 12345 с изобарно-изохорным подводом теплоты.

Рисунок 9.5

з основополагающей формулы термического кпд следует, что при одинаковом количестве подведённой теплоты термический кпд больше в том цикле, где отводится меньше теплоты. Это означает, что в заданных условиях сравнения наибольшим термическим кпд обладает цикл с изохорным подводом теплоты, а наименьшим - цикл с изобарным подводом теплоты.

10 Идеальные циклы газотурбинных

двигателей

Принципиальная схема газотурбинного двигателя показана на рисунке 10.1,а. Атмосферный воздух, попадая в компрессор КМ, сжимается и перемещается в камеру сгорания КС, куда одновременно подаётся газообразное или жидкое распыленное форсункой топливо. Горение топлива происходит при постоянном давлении, в результате чего температура и удельный объём газа увеличиваются. Из камеры сгорания газовый поток поступает в турбину ГТ, где происходит преобразование потенциальной энергии газа сначала в кинетическую, а затем в энергию вращения рабочего ротора турбины. Часть работы, полученной в турбине, расходуется на привод компрессора, находящегося на одном валу с турбиной, а остальная энергия в форме работы передаётся потребителю, которым может быть гребной винт, электрогенератор или иной механизм. Отработавший в турбине газ выбрасывается в атмосферу.

Рисунок 10.1

уществуют газотурбинные двигатели с замкнутой системой циркуляции рабочего тела. Схема такого двигателя показана на рисунке10.1,б. Роль камеры сгорания здесь выполняет теплообменник ТИ, в котором от внешнего источника (например, от тепловыделяющих элементов атомного реактора) теплота передаётся рабочему телу. В этой схеме есть теплообменник ТП, в котором теплота передаётся в окружающую среду (охлаждающий атмосферный воздух или вода). В предыдущей открытой схеме роль этого теплообменника выполняет атмосферная среда.

На рисунке 10.2 показан цикл ГТД с изобарным подводом теплоты. На диаграммах:

^ 1-2 - адиабатный процесс в компрессоре,

2-3 - изобарный подвод теплоты в камере сгорания,

3-4 - адиабатное расширение газа в турбине,

4-1 - изобарный отвод теплоты

Отношение давлений в процессе сжатия газа в компрессоре называется степенью повышения давления в компрессоре , а отношение удельных объёмов в процессе изобарного подвода теплоты называется степенью предварительного расширения .

П
ри термодинамическом анализе циклов ГТД следует помнить, что рабочее тело находится в потоке, и это должно найти отражение в применяемых формулах.

Рисунок 10.2

ермический кпд рассматриваемого цикла определяется по формуле

Температуры в характерных точках цикла определяются, исходя из того, что известны параметры в точке 1 , а также - безразмерные характеристики  и :

из соотношения между параметрами в адиабатном процессе ^ 1-2 следует ;

из соотношения между параметрами в изобарном процессе 2-3 определяется неизвестная температура в точке 3 - ;

из соотношения между параметрами в адиабатном процессе 3-4 находится неизвестная температура в точке 4 -

После подстановки значений температур в формулу (10.1) получается

и, после сокращений,

Из формулы (10.3) следует, что термический кпд этого цикла зависит от степени повышения давления и показателя адиабаты газа. В реальных двигателях степень повышения давления в компрессоре составляет  =5-8.

Давления и удельные объёмы в характерных точках цикла определяются с помощью уравнения состояния идеального газа и с учётом особенностей цикла:

Удельная работа цикла ГТД с изобарным подводом теплоты определяется как алгебраическая сумма работ турбины и компрессора, при этом следует понимать, что работа турбины положительна, а работа компрессора отрицательна.

Удельная работа газа в турбине равна

На диаграмме p - v работа турбины изображается площадью 34аб.

Удельная работа газа в компрессоре, изображаемая на диаграмме p - v площадью 12ба равна

С учётом (10.4) и (10.5) удельная работа цикла, определяемая на диаграмме площадью 1234, равна

Рисунок 10.3

азотурбинные двигатели обладают рядом достоинств: они малогабаритны, их конструкция уравновешена, а массовые характеристики наилучшие среди существующих двигателей. Основной их недостаток - низкая экономичность, выражающаяся в больших расходах топлива.

Для выяснения причин низкой экономичности следует сравнить цикл ГТД с циклом ДВС. Такое сравнение представлено на рисунке 10.3,а где в диаграмме T - s показаны эти циклы при следующих условиях :

- одинаковые начальные параметры газа;

- одинаковы давления в конце процесса сжатия;

- одно и то же количество подведённой теплоты в одинаковых процессах подвода теплоты;

- одно и то же рабочее тело.

В цикле ДВС () отвод теплоты производится в изохорном процессе , а в цикле ГТД () это происходит в изобарном процессе . При одинаковой подведённой теплоте (пл.23mn) в цикле ГТД отводится меньше теплоты на величину площади . Это означает, что термический кпд цикла ГТД больше чем в цикле ДВС. Отсюда следует, что причину низкой экономичности следует искать не в форме цикла, а в температурах подвода и отвода теплоты.

На рисунке 10.3,б показаны циклы ГТД и ДВС, в которых учтены особенности реальных процессов подвода теплоты. В поршневых дизелях максимальная температура горения достигает 2000 К, а в реальных газотурбинных установках эта температура не превышает 1200 К. Такое различие обусловлено принципом действия этих двигателей.

В поршневом ДВС после процесса горения детали камеры сгорания омываются потоком всасываемого относительно холодного воздуха, и детали на такте всасывания остывают. В камере сгорания и проточной части турбины детали находятся в постоянном потоке горячего газа и, естественно, для их надёжной работы температуру потока следует иметь более низкую. В дизелях коэффициент избытка воздуха, определяющий температуру газа при горении, составляет 1,4-2,0 , а в ГТД он более 4-5. Это означает, что кроме воздуха, необходимого для горения исходя из химических соотношений, в камеру сгорания ГТД подаётся в 4-5 раз больше холодного наружного воздуха.

Из графика видно, что при одинаковом количестве подведённой в циклах теплоты () отведённая в цикле ДВС () теплота, определяемая площадью , значительно меньше отведенной в цикле ГТД () теплоты, характеризуемой площадью . Таким образом, низкая экономичность газотурбинных двигателей по сравнению с поршневыми ДВС обусловлена более низкой средней температурой горения топлива, которая, в свою очередь, ограничена термостойкостью материалов, из которых выполняются детали двигателей.

Для повышения термического кпд и снижения расхода топлива в ГТД применяют регенерацию теплоты. Схема газотурбинной установки с регенератором РГ показана на рисунке 10.4.

Идея регенерации проста - теплота отработанных газов используется для предварительного нагрева сжатого в компрессоре КМ воздуха. После сжатия воздух поступает в регенератор РГ, нагревается за счет теплоты отработанных газов и затем направляется в камеру сгорания КС, где его параметры (температура и удельный объём) доводятся до определённых значений при подводе теплоты в процессе горения топлива. После этого газ поступает в турбину, где отдаёт энергию ротору турбины, затем он проходит регенератор, передавая теплоту сжатому воздуху, и выбрасывается в атмосферу.

В цикле регенеративного ГТД, изображенного в диаграмме ^ T - s на рисунке 10.4, показаны следующие процессы:

1-2 - адиабатное сжатие в компрессоре;

2-2’ - изобарный подвод теплоты к сжатому воздуху в регенераторе;

^ 2’ -3 - изобарный подвод теплоты с воздуху в камере сгорания;

3-4 - адиабатное расширение в проточной части турбины;

4-4’ - изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в регенераторе;

4
’-1 - изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу.

Рисунок 10.4

егенерация теплоты возможна в том случае, когда температура выпускных газов выше температуры воздуха после компрессора.

В идеальном случае теплота процесса ^ 4-4’ численно равна теплоте процесса 2-2’ :

В реальных условиях осуществить полную регенерацию невозможно, так как теплообмен возможен только при наличии разности температур между греющим газом нагреваемым воздухом. Эффективность теплообмена оценивается степенью регенерации , которая представляет собой отношение реально используемого перепада температур к располагаемому температурному перепаду:

где - максимальная температура нагрева воздуха в регенераторе

В судовых газотурбинных установках регенерация применяется довольно часто, так как этот метод позволяет значительно снизить удельный расход топлива.

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера) .
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты) , который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода - вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891) , т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия - в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой) . Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1) .
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи) , после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя) . Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня) . В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра) . На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает "превращаться" в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.

Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе "Л.Нобеля" показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1) .
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты) , которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме) , поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает "убежать" от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов) .

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного ( "чистого" ) дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже) . Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по "чистому" циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем) , которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме) , а затем по изобаре (при постоянном давлении) .
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1) .
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме) , а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме) .
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме) .

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто) , а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ - Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2) , описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно) .

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2' и 1–2" изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2'–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2"–3' и 3'–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q₀ (площадь, заключенная внутри контура цикла) , преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты) . Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

Читайте также: