Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия.
Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, чтоподаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут, смолы и проч.
В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ε=20), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.
Рассмотрим идеальный цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении pν - диаграмме (рис. 9.3).
Рис. 9.3
Этот цикл осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p1, v1, T1сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты q2. Характеристиками цикла являются:
- степень предварительного расширения.
Количество подведенной и отведенной теплоты определяются по формулам
;
.
Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей сpи cvи их отношения k=cp/cvбудет
.
Параметры рабочего тела в характерных точках цикла будут.Точка 2.
;
;
.
Отсюда
.
Точка 3.
.
.
Отсюда
.
Точка 4.
;
;
.
Так как
,
то
.
Подставляя полученные значения температур в формулу для кпд, получим
. (9.2)
Отсюда следует, что с увеличением ε и k кпд увеличивается, а с увеличением ρ - уменьшается.
Работа цикла определяется по формуле
.
Сравнения кпд циклов ДВС с подводом теплоты при р = const и ν = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных ε показывают, что
.
При этом степень сжатия ε в цикле с подводом теплоты при р = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при ν = const (доказательство см. в [5,13]).
Величина ε в цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует ε = 14 -18. Подробнее о методах сравнения кпд циклов различных тепловых двигателей см. § 10.8.
poznayka.org
Этот цикл является идеальным для многочисленного класса карбюраторных и газовых двигателей, широко распространенных в установках на самолетах, автомобилях, на катерах и моторных лодках, в маломощных стационарных установках (например, для приведения в действие небольших электродвигателей и т.п.)
Величины, характеризующие этот цикл:
1) степень сжатия
;
2) степень повышения давления
.
Подведенная теплота и отведенная теплота, соответственно:
.
Рис. 3 Цикл Отто в p,v- иT,s– диаграммах
Согласно определению термический КПД равен
Выражая температуры в характерных точках цикла через его параметры и начальную температуру 
, получим:
;
;
.
После подстановки в формулу (2.2.5) этих уравнений, имеем
.
Среднее давления цикла с изохорным подводом теплоты определяется по зависимости
.
Цикл с изобарным подводом теплоты является идеальным циклом для турбинных установок (рис.4).
Величины, характеризующие этот цикл:
1) степень сжатия
;
2) степень повышения давления при изохорном теплоотводе
=1;
3) степень предварительного расширения 
;
4) степень последующего расширения 
.
Параметры цикла связаны соотношением 
Рис. 4 Цикл Дизеля в p,v- иT,s– диаграммах
Температуры в характерных точках цикла выразим через его параметры и начальную температуру:
;
;
.
Поведенная и отведенная теплоты
Подставляя эти результаты в формулу термического КПД для любого цикла, получаем:
Среднее давления цикла с изохорным подводом теплоты можно определить по выражению
.
Этот тип ГТУ в настоящее время является основным. Все процессы, протекающие в этом цикле в камере сгорания, а именно: процесс подачи топлива и воздуха, горение топлива, образование рабочей газовой смеси – совершаются непрерывно при постоянном давлении. В итоге поток газовой смеси, протекающий через турбину, получается тоже непрерывным и с установившимися параметрами рабочей смеси.
Рис. 5 Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты в p,v- иT,s– диаграммах
Удельное количество подведенной теплоты по изобаре 
.
Удельное количество теплоты, отведенной по изобаре 
.
При этих значениях 
и
получаем формулу для термического КПД цикла
. (2.2.4)
Введем в расчет основные характеристики цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты:
1) степень повышения давления при адиабатном сжатии (соответствует сжатию воздуха в компрессоре)
;
2) степень предварительного расширения газов при сгорании
.
Выразим температуры 
,
и
через температуру
.
Из соотношения параметров адиабатного процесса 
:
;
.
Из соотношения параметров изобарного процесса 
:
;
.
Из соотношения параметров адиабаты 
:
;
т.к.
и
, то
.
После подстановки полученных значений температур в уравнение (2.2.4) и сокращений, получаем
. (2.2.5)
Для циклов ГТУ необходимо подсчитать оптимальную степень повышения давления при адиабатном сжатии 
опт по формуле
опт=
.
studfiles.net
В двигателях с подводом теплоты при 
производится раздельное сжатие воздуха и жидкого топлива (горючего), что исключает самовоспламенение и позволяет получить высокие степени сжатия. Давление в конце сжатия порядка 3-4 МПа. Степень сжатия 
=14¸18.
На рис. 7.9 приведен термодинамический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме в vP- и sT-диаграммах для 1 кг рабочего тела.
Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – подвод теплоты при постоянном давлении; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.
Рисунок 7.9 - Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания
с подводом теплоты при постоянном давлении:
а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме
Параметрами, характеризующими данный цикл, являются:
- степень адиабатного сжатия; 
- степень предварительного расширения; 
- степень адиабатного расширения.
Термический КПД цикла определяется по формуле:
.
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе 2-3:
. (7.18)
Количество теплоты, отводимое в изохорном процессе 4-1:
. (7.19)
Количество подведенной теплоты 
и отведенной 
можно определить через параметры цикла. Для этого температуры 
и 
выражаются через температуру 
и параметры цикла и 
.
Таблица 7.2 - Определение температуры в характерных точках цикла с изобарным подводом теплоты
После преобразований:
; 
; (7.20)
. (7.21)
Из выражения (7.21) видно, что термический КПД данного цикла зависит от степени сжатия , степени предварительного расширения и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. С увеличением степени сжатия термический КПД увеличивается. При возрастании степени предварительного расширения он уменьшается. Интенсивность роста термического КПД с возрастанием степени сжатия постепенно уменьшается. Величина степени сжатия в двигателе с подводом теплоты при должна обеспечить самовоспламенение топлива и создать температурные условия для быстрого протекания процесса сгорания.
Из рис. 7.9 видно, что при равенстве площадей отведенной теплоты 
= пл.6145 термический КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия , так как площадь его полезной работы будет больше, чем у двигателя с меньшей степенью сжатия (пл. 1784 > пл. 1234).
Работа цикла:
. (7.22)
При 
и при увеличении теплоты 
увеличивается объем 
(рис. 7.10), т.е. возрастает степень предварительного расширения 
. При этом увеличивается работа цикла и уменьшается термический КПД.
Среднее индикаторное давление в этом цикле определяется выражением:
. (7.23)
Отсюда видно, что среднее индикаторное давление увеличивается при возрастании 
и .
7.2.3 Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)
Двигатель со вмешанным подводом теплоты в отличие от двигателя с подводом теплоты при 
не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Распыление жидкого топлива производится при помощи механических форсунок. Жидкое топливо подается в предкамеру через форсунку 5 (рис. 7.11). В процессе сжатия давление в цилиндре 1 растет быстрее, чем в предкамере 4. За счет разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра 1 в предкамеру 4, который используется для распыления жидкого топлива, впрыскиваемого в предкамеру. При этом образуется однородная смесь, сгорающая в предкамере при постоянном объеме. Давление в предкамере возрастает и направление потока изменяется: смесь продуктов сгорания и несгоревших паров топлива, имеющих температуру 1500…1800°С, устремляется из предкамеры в цилиндр, где происходит их перемешивание и догорание. В результате поршень перемещается слева направо при постоянном давлении. После сгорания топлива происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, которые затем удаляются из цилиндра.
Рисунок 7.11 Схема ДВС со смешанным подводом теплоты
1-цилиндр; 2-поршень; 3-выпускной клапан; 4-предкамера; 5-свеча;
6-впускной клапан; 7-узкий канал
Рисунок 7.12 - Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты:
а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме
Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты (рис. 7.12) состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 - изобарный подвод теплоты; 4-5 - адиабатное расширение рабочего тела; 5-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.
Подвод теплоты в цикле со смешанным сгоранием осуществляется вначале по изохоре 2-3, а затем по изобаре 3-4.
Параметрами, характеризующими цикл со смешанным подводом теплоты, являются:
- степень адиабатного сжатия; 
- степень повышения давления;
- степень предварительного расширения.
Термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты:
.
Теплота, отводимая по изохоре 5-1, определяется соотношением:
,
тогда как теплота складывается из теплоты, подводимой в изохорном процессе 2-3, и теплоты, подводимой в изобарном процессе 3-4:
= 
, (7.24)
тогда:
. (7.25)
Выразив температуры 
и 
через температуру и параметры цикла через 
, получим формулы для определения температуры в характерных точках цикла (табл. 7.3).
Таблица 7.3 - Определение температуры в характерных точках цикла со смешанным подводом теплоты
| Процесс | Формулы |
| 1-2 - адиабатный |  |
| 2-3 - изохорный |  |
| 3-4 - изобарный |  |
| 4-5 - адиабатный |  |
Поставив полученные значения температур в выражения для определения подведенной и отведенной теплоты, получим:
и 
, (7.26)
и далее, подставив полученные выражения в формулу для определения термического КПД:
(7.27)
Из выражения (7.27) следует, что термический КПД смешанного цикла, как и термический КПД циклов с изобарным и изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением 
и 
. С увеличением термический КПД уменьшается.
Сравнение циклов ДВС
7.2.4.1 Сравнение циклов поршневых ДВС с подводом теплоты при 
и 
На рис. 7.13 а изображены рассматриваемые циклы при одинаковых степенях сжатия 
и одинаковых количествах отведенной теплоты 
пл.7146. Из рисунка видно, что количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 ( 
пл.7236), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-5-4 ( 
= пл. 7256). Поэтому, согласно формуле (7.13), цикл 1-2-3-4 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при , т.е. 
> 
.
На рис. 7.13 б представлены оба цикла при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты (пл.7238 = пл.7259). Из рисунка видно, что количество отведенной теплоты в цикле 1-2-5-6 ( 
= пл.7169) больше, чем количество отведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 ( 
= пл.7148). Следовательно, цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при имеет больший КПД, т.е. 
> .
 |  |
Рисунок 7.13 - Сравнение циклов с подводом теплоты при 
и 
при одинаковой степени сжатия
На рис. 7.14 а приведены оба цикла при одинаковых максимальных давлениях и температурах 
и различных степенях сжатия . При 
(пл. а14b) количество подведенной теплоты в цикле 1-5-3-4 ( 
= пл.а53b) больше, чем количество подведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 ( пл. а23b). Поэтому цикл 1-5-3-4 с подводом теплоты при постоянном давлении имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть > .
 |  |
Рисунок 7.14 - Сравнение циклов с подводом теплоты при и
с различной степенью сжатия
На рис. 7.14 б представлены оба цикла при одинаковых количествах подведенной теплоты 
( = пл.а78с= 
пл .а23b) и при различных степенях сжатия . Как видно, количество теплоты, отведенной в цикле 1-2-3-4 (пл. .а14b), больше, чем количество теплоты, отведенной в цикле 1-7-8-5 (пл. а15с). Следовательно, цикл 1-7-8-5 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, то есть > .
7.2.4.2 Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты при , и со смешанным подводом теплоты
На рис. 7.15 видно, что при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты (пл. а23b = пл. а265с = пл. а28d) максимальный термический КПД имеет цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при , а минимальный – цикл 1-2-8-9 с подводом теплоты при . Термический КПД цикла 1-2-5-6-7 со смешанным подводом теплоты имеет промежуточное значение.
 |  |
| а | б |
Рисунок 7.15 - Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты
при , и со смешанным подводом теплоты
Из рис. 7.15 б видно, что при одинаковых конечных давлениях и температурах ( ) во всех трех циклах и одинаковом количестве отведенной теплоты 
= пл. а14b = 
, > 
> .
Действительно, пл. а73b > а56b> а23b, то есть > 
> 
. Поэтому > > . При этих условиях наибольшая степень сжатия будет у двигателей с подводом теплоты при .
7.3 Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
cyberpedia.su
Этот цикл является идеальным для многочисленного класса карбюраторных и газовых двигателей, широко распространенных в установках на самолетах, автомобилях, на катерах и моторных лодках, в маломощных стационарных установках (например, для приведения в действие небольших электродвигателей и т.п.)
Величины, характеризующие этот цикл:
1) степень сжатия
;
2) степень повышения давления
.
Подведенная теплота и отведенная теплота, соответственно:
.
Рис. 3 Цикл Отто в p,v- иT,s– диаграммах
Согласно определению термический КПД равен
.
Выражая температуры в характерных точках цикла через его параметры и начальную температуру 
, получим:
;
;
.
После подстановки в формулу (2.2.5) этих уравнений, имеем
.
Среднее давления цикла с изохорным подводом теплоты определяется по зависимости
.
Цикл с изобарным подводом теплоты является идеальным циклом для турбинных установок (рис.4).
Величины, характеризующие этот цикл:
1) степень сжатия
;
2) степень повышения давления при изохорном теплоотводе
=1;
3) степень предварительного расширения 
;
4) степень последующего расширения 
.
Параметры цикла связаны соотношением 
.
Рис. 4 Цикл Дизеля в p,v- иT,s– диаграммах
Температуры в характерных точках цикла выразим через его параметры и начальную температуру:
;
;
.
Поведенная и отведенная теплоты
Подставляя эти результаты в формулу термического КПД для любого цикла, получаем:
.
Среднее давления цикла с изохорным подводом теплоты можно определить по выражению
.
Этот тип ГТУ в настоящее время является основным. Все процессы, протекающие в этом цикле в камере сгорания, а именно: процесс подачи топлива и воздуха, горение топлива, образование рабочей газовой смеси – совершаются непрерывно при постоянном давлении. В итоге поток газовой смеси, протекающий через турбину, получается тоже непрерывным и с установившимися параметрами рабочей смеси.
Рис. 5 Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты в p,v- иT,s– диаграммах
Удельное количество подведенной теплоты по изобаре 
.
Удельное количество теплоты, отведенной по изобаре 
.
При этих значениях 
и
получаем формулу для термического КПД цикла
. (2.2.4)
Введем в расчет основные характеристики цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты:
1) степень повышения давления при адиабатном сжатии (соответствует сжатию воздуха в компрессоре)
;
2) степень предварительного расширения газов при сгорании
.
Выразим температуры 
,
и
через температуру
.
Из соотношения параметров адиабатного процесса 
:
;
.
Из соотношения параметров изобарного процесса 
:
;
.
Из соотношения параметров адиабаты 
:
;
т.к.
и
, то
.
После подстановки полученных значений температур в уравнение (2.2.4) и сокращений, получаем
. (2.2.5)
Для циклов ГТУ необходимо подсчитать оптимальную степень повышения давления при адиабатном сжатии 
опт по формуле
опт=
.
studfiles.net
В качестве топлива в таких двигателях применяются легкое топливо и газообразное (бензин, керосин, генераторный или светильный газ).
В поршневых двигателях рабочим телом являются смесь воздуха и паров жидкого топлива (на начальном участке цикла) и газообразные продукты сгорания на остальных участках цикла.
На рис.7.7 приведен термодинамический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме в vP- и sT-диаграммах для 1 кг рабочего тела.
Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – подвод теплоты при постоянном объеме; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.
Параметрами, характеризующими данный цикл, являются:
- степень адиабатного сжатия; 
- степень повышения давления. Термический КПД цикла определяется по формуле:
. (7.13)
Рисунок 7.7 - Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания
с подводом теплоты при постоянном объеме:
а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме.
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе 2-3:
. (7.14)
Количество теплоты, отводимое в изохорном процессе 4-1:
. (7.15)
Количество подведенной теплоты и отведенной можно определить через параметры цикла. Для этого температуры и выражаются через температуру и параметры цикла и 
.
Таблица 7.1 - Определение температуры в характерных точках цикла с изохорным подводом теплоты
| Процесс | Формулы |
| 1-2 - адиабатный | |
| 2-3 – изохорный | |
| 3-4- адиабатный |  |
После преобразований:
; 
.
. (7.16)
Из выражения (11.6) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при 
зависит от степени сжатия рабочего тела (конструкции двигателя) и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. От степени повышения давления термический КПД не зависит. В современных двигателях =7¸12. При значениях =10¸12 темп возрастания 
уменьшается. Степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. При высоких степенях сжатия значительно повышаются температура и давление в конце сжатия. Так, при некоторых значениях часто еще до прихода поршня в левое крайнее положение происходит воспламенение горючей смеси, т.е. возникает ее детонация. При этом процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива возрастает. Поэтому каждому виду топлива соответствует своя степень сжатия.
На рис. 11.2 приведены два цикла с различной степенью сжатия . Из рисунка видно, что при равенстве 
пл. 67810 = пл. 6235, но при разных степенях сжатия термический КПД больше у цикла с большей степенью сжатия, т.к. в окружающую среду отводится меньшее количество теплоты, т.е. пл. 61910 < пл. 6145.
Работа цикла:
(7.17)
Из выражения (11.7) видно, что работа, получаемая за цикл, зависит от начальной температуры и параметров цикла и .
Рисунок 7.8 - Влияние степени сжатия на величину 
цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при и 
cyberpedia.su
В качестве топлива в таких двигателях применяются легкое топливо и газообразное (бензин, керосин, генераторный или светильный газ).
В поршневых двигателях рабочим телом являются смесь воздуха и паров жидкого топлива (на начальном участке цикла) и газообразные продукты сгорания на остальных участках цикла.
На рис.11.1 приведен термодинамический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме в vP- и sT-диаграммах для 1 кг рабочего тела.
Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – подвод теплоты при постоянном объеме; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.
Параметрами, характеризующими данный цикл, являются:
- степень адиабатного сжатия; 
- степень повышения давления. Термический КПД цикла определяется по формуле:
. (11.3)
Рис. 11.1. Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом
теплоты при постоянном объеме:
а - в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме.
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе 2-3:
. (11.4)
Количество теплоты, отводимое в изохорном процессе 4-1:
. (11.5)
Количество подведенной теплоты 
и отведенной 
можно определить через параметры цикла. Для этого температуры 
и 
выражаются через температуру 
и параметры цикла 
и 
.
Таблица 11.1 - Определение температуры в характерных точках цикла с изохорным подводом теплоты
| Процесс | Формулы |
| 1-2 - адиабатный |  |
| 2-3 – изохорный |  |
| 3-4- адиабатный |  |
После преобразований:
; 
.
. (11.6)
Из выражения (11.6) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при 
зависит от степени сжатия рабочего тела (конструкции двигателя) и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. От степени повышения давления термический КПД не зависит. В современных двигателях =7¸12. При значениях =10¸12 темп возрастания 
уменьшается. Степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. При высоких степенях сжатия значительно повышаются температура и давление в конце сжатия. Так, при некоторых значениях часто еще до прихода поршня в левое крайнее положение происходит воспламенение горючей смеси, т.е. возникает ее детонация. При этом процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива возрастает. Поэтому каждому виду топлива соответствует своя степень сжатия.
На рис. 11.2 приведены два цикла с различной степенью сжатия . Из рисунка видно, что при равенстве 
пл. 67810 = пл. 6235, но при разных степенях сжатия термический КПД больше у цикла с большей степенью сжатия, т.к. в окружающую среду отводится меньшее количество теплоты, т.е. пл. 61910 < пл. 6145.
Работа цикла:
(11.7)
Из выражения (11.7) видно, что работа, получаемая за цикл, зависит от начальной температуры и параметров цикла и .
Рис. 11.2. Влияние степени сжатия на величину 
цикла двигателя внутреннего сгорания
с подводом теплоты при 
и 
megaobuchalka.ru
Двигатели внутреннего сгорания - тепловая машина, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя.
Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух, а на втором - продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.
Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя существенными преимуществами:
- Компактность, так как горячий источник тепла находится внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему;
- Температура рабочего тела, получающего тепло не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела, может превосходить предел температуры, допустимой для конструкционных материалов.
Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы.
Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасывание рабочего тела, а через другое - выброс рабочего тела по завершению цикла.
Различают 3 основных вида:
- Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме - цикл Отто,
- Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении - цикл Дизеля,
- Цикл со смешанным подводом теплоты - цикл Тринклера.
Поршень I совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженном всасывающим III и выхлопным IV клапанами.
1 - поршень движется слева направо, в цилиндре создается разрежение, открывается клапан III и в цилиндр подается горючая смесь. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения, всасывающий клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении.
2 - горючая смесь сжимается, давление возрастает.
После того как давление смеси в цилиндре достигает величины, соответствующей т.2, с помощью электрической свечи V производиться поджигание горючей смеси.
3 - процесс сгорания смеси происходит практически мгновенно, поршень не успевает переместиться, и поэтому процесс сгорания можно считать изохорным. В процессе сгорания повышается давление до т.3.
4- под этим давлением поршень перемещается вправо.
4-5 - после того как поршень дойдет до т.4, с помощью устройства открывается клапан IV и давлении в цилиндре снижается до значения больше атмосферного.
5-b - поршень движется влево, выталкивая оставшуюся часть газов.
Т.о. поршень совершает 4 хода (такта) - всасывание, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продуктов сгорания в атмосферу.
Термодинамический анализ цикла Отто удобно проводить, рассматривая идеализированный цикл. Процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) в этом цикле происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой, то с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными.
Работа, производимая двигателем за один цикл, изображается площадью 2-3-4-1-2.
Определим величину термического к.п.д. цикла Отто.
Термический КПД
Из уравнения ясно, что термический к.п.д. цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатный процесс 1-2, причем, чем больше степень сжатия в, тем выше термический к.п.д. цикла.
Вывод: благодаря применению предварительного сжатия возрастает термический к.п.д.
Бинарные циклы
На основании рассмотренных циклов можно сформулировать требования к свойствам наиболее удобного рабочего тела:
- рабочее тело должно обеспечивать более высокий коэффициент заполнения цикла. Для этого рабочее тело должно иметь меньшую изобарную теплоемкость в жидком состоянии, более высокие критические параметры,
- свойства рабочего тела должны быть такими, чтобы верхняя температура при достаточно высоком коэффициенте заполнения цикла обеспечивалась при не слишком высоком давлении пара, т.к. высокое давление приводит к усложнению установки,
- рабочее тело должно быть недорогим, не должно быть токсичным, агрессивным в отношении конструкционных материалов.
Так как в настоящее время нет рабочих тел, удовлетворяющих этим требованиям, то можно осуществить цикл, используя комбинацию двух рабочих тел, применяя каждое из них в той области температур, где это рабочее тело обладает наибольшими преимуществами. Циклы такого рода носят название бинарных циклов.
Читайте также:
lektsia.com
