Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя.
С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных вышедвух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении. На рис. 9.4 представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv - координатах.
Рис.9.4
В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты 
, а в изобарном процессе 3-4 - вторая - 
. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты q2в теплопрнемннк.
Характеристиками цикла являются:
- степень сжатия;
- степень повышения давления,
- степень предварительного расширения.
Количества подведенной 
и отведенной q2 теплот определяются по формулам.
;
;
.
Термический кпд цикла будет
.
Найдем параметры рабочего тела в характерных точках цикла.
Точка 2.
;
;
.
Отсюда
.
Точка 3.
;
;
.
Точка 4.
;
;
;
.
Точка 5.
;
;
;
;
;
.
Подставив найденные значения температур в формулу для кпд, будем иметь
Отсюда следует, что с увеличением k, ε и λ кпд цикла возрастает, а с увеличением ρ уменьшается.
Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты. Если положить λ = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном объеме (р2= р3)), то формула (9.3) приводится к формуле (9.2), т.е. к формуле для кпд цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Если принять р = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном давлении (ν3 = ν4)), то формула (9.3) приводится к формуле (9.1) для кпд цикла с изохорным подводом теплоты.
Цикл со смешанным подводом теплоты лежит в основе работы большинства современных дизелей.
Глава 10
poznayka.org
Данный цикл называют также циклом быстрого сгорания или циклом Отто (по имени его автора, немецкого инженера). В реальных условиях такой цикл совершается в бензиновых карбюраторных двигателях, а также в газовых двигателях (в которых топливом служит газ). Изобразим такой цикл в координатах - p, u и T, s (рис. 13.3). Этот цикл состоит из следующих процессов: а-с - адиабатное сжатие рабочего тела; c-z - изохорный подвод теплоты q1 к рабочему телу; z-в - адиабатное расширение рабочего тела; в-а - изохорный отвод теплоты от рабочего тела.
Цикл с изохорным подводом теплоты определяется заданием начального состояния в точке а (ра и Та) и параметров цикла:
- степень сжатия; 
- степень повышения давления.
Найдем термический к.п.д. цикла. Для этого определим температуры в характерных точках цикла через заданную начальную температуру Та в точке а. Для определения температур воспользуемся формулами для связи параметров в термодинамических процессах.
В адиабатном процессе а - с
и 
.
В изохорном процессе c - z
и 
.
В адиабатном процессе z - в
и 
.
Определим значения q1 и q2.
q1 = cu(Tz - Tc) = cu(Taeк-1l - Таeк-1) = cvTaeк-1(l - 1).
q2 = cu(Tв - Tа) = cu(Tal - Та) = cuTa(l - 1).
Тогда
. (13.1)
Из формулы (13.1) видно, что ht цикла с изохорным подводом теплоты увеличивается с повышением степени сжатия e. В ДВС с подводом теплоты при u = const максимальное значение e ограничено следующими факторами.
1. Во-первых, т.к. в цилиндрах двигателей данного типа происходит сжатие горючей смеси, то конечная температура сжатия Тс не должна превышать температуру самовоспламенения смеси с тем, чтобы не произошло самопроизвольной преждевременной вспышки горючей смеси, что может привести к поломке двигателя.
2. Во-вторых, степень сжатия ограничена явлением детонации горючей смеси, т.е. взрывным ее горением. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. Интенсивная детонация может привести к разрушению двигателя.
По указанным причинам степень сжатия таких двигателей обычно лежит в пределах 8 - 10. Поэтому и термический к.п.д. таких двигателей относительно небольшой.
Степень сжатия e может быть значительно повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (назван по имени немецкого инженера Р. Дизеля) - это позволяет работать двигателю с высокой степенью сжатия (e = 14-20). При таких степенях сжатия воздух, поступивший внутрь цилиндра, в конце сжатия имеет давление 30-40 Па и температуру от 500 до 800 оС, которая обеспечивает надежное самовоспламенение и сгорание топлива. Жидкое топливо подается в камеру сгорания в мелко распыленном виде через форсунки в конце процесса сжатия. Ввод топлива осуществляется сжатым воздухом, подаваемым от компрессора под давлением 50-60 бар. Подача топлива организована таким образом, что сгорание происходит при постоянном давлении. Изобразим такой цикл как чисто термодинамический с указанными ранее допущениями (рис. 13.4).
В этом цикле : а-с - адиабатное сжатие рабочего тела; c-z - подвод теплоты при p = const; z-в - адиабатное расширение; в-а - отвод теплоты при u = const.
- степень сжатия; 
- степень предварительного расширения;
- степень последующего расширения (иногда говорят степень адиабатного расширения). Величиныd, e и r связаны между собой следующим соотношением:
.
Из адиабаты а - с имеем
.Из изобары c - z
, тогда 
.
Из адиабаты z - в
,
откуда 
.
Определим значения q1 и q2.
q1 = cp(Tz - Tc) = cp(Tareк-1 - Таeк-1) = cpTaeк-1(r - 1).
q2 = cv(Tв - Tа) = cu(Tarк - Та) = cuTa(rк - 1).
Тогда 
Окончательно перепишем
. (13.2)
Следовательно, ht цикла с подводом тепла при p = const зависит от e и r. Анализ выражения (13.2) показывает, что ht увеличивается с ростом e и уменьшением r.
Верхний предел e у этих двигателей устанавливается тем обстоятельством, что при увеличении e происходит увеличение ht и одновременно уменьшение механического к.п.д. hм. При этом при высоких степенях сжатия выгода от увеличения ht может поглотиться возрастающим расходом работы на преодоление трения. Оптимальной является e, при которой произведение ht × hм принимает максимальное значение. Нижний предел значения e в этих двигателях определяется температурой воспламенение топлива. Двигатели, работающие по такому циклу, называют компрессорными дизелями.
studfiles.net
1.10. Дайте определения термического КПД и среднего давления цикла. Приведите качественный график зависимости термического КПД от степени сжатия.
Термический КПД - характеризует степень преобразования подведённой теплоты (q1) в работу 1ц. Он равен 1ц/q. Среднее давление цикла -p(t) - работа за цикл, отнесённая к единицеp(t) = 1ц/v(h)
Дополнительное преимущество: с ростом рzуменьшаетсяrи уменьшаются размеры котла. Недостаток:xb2<xb1.
1) Одновременное увеличениеTzи рz(рис. 11.5:а,б).
2) Промежуточный перегрев пара (рис. 11.5:в):
lц иntвозрастают;xb2>xb1; наибольший эффект приTz```=Tz.
3) Понижение р0 при Tz=const,pz=const(рис. 11.5:г):lц увеличивается на дельтаlц =hb1-hb2,
q2 уменьшаетсяhb2-hа2<hb1-hbа1), так ка изобара при меньшем рbболее пологая.
Ограничение: tохлmin= 10...15⁰С, соответственноtb= 25..35⁰С и Рtmin= 3...6 кПа.
1.11. Сравните по величине термического КПД цикл со смешанным подводом тепла при постоянном объёме при условии одинаковости для обоих циклов максимального давления цикла и количества отведённой теплоты. Какой вывод можно сделать по результатам этого сравнения.
Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты
Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя.
С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении. На рис. 4 представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv - координатах.
Рис 4.
В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты q1 штрих , а в изобарном процессе 3-4 - вторая - q1 два штриха. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты q2в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются :
Степень сжатия -
Степень повышения давления -
Степень предварительного расширения -
Количества подведенной
и отведеннойq2теплот определяются по формулам:
Термический кпд цикла будет:
Найдем параметры рабочего тела в характерных точках цикла.
Точка 2.
откуда получаем
Точка 3.
Точка 4.
Точка 5.
Подставив найденные значения температур в формулу для кпд, будем иметь:
Формула 3
Отсюда следует, что с увеличением k, e и l кпд цикла возрастает, а с увеличением r уменьшается.
Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты. Если положить что лямбда = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном объеме ( P2 =P3 )), то формула (3) приводится к формуле (2), т.е. к формуле для кпд цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Если принять p=1(что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном давлении ( V3 = V4 )), то формула (3) приводится к формуле (1) для кпд цикла с изохорным подводом теплоты.
Цикл со смешанным подводом теплоты лежит в основе работы большинства современных дизелей.
3. Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме
Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора - индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис.1.
Рис.1
При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (линия 0-1). Эта линия не является термодинамическим процессом, так как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Кривой 1-2 (линия сжатия) изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается кривой 2-3. В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают. Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении несколько большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа.
В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с чем, рассмотренные двигатели называются четырехтактными.
Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня и проч.
Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: рабочее тело -идеальный газ с постоянной теплоемкостью; количество рабочего тела постоянно; между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты.
Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их кпд. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а pv- диаграммой его цикла.
Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv координатах представлен на рис. 2.
Идеальный газ с начальными параметрами p1, v1,T1 сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплотыq1. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объемаv4=v1. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплотыq2в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются:
- Степень сжатия;
-Степень повышения давления;
Рис. 2
Количество подведенной и отведенной теплоты определяются по формулам:
Подставляя эти значения теплот в формулу для термического кпд, получим:
Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.
Точка 2.
откуда получаем
Точка 3.
откуда получаем
Точка 4.
откуда получаем
С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид
Формула 1.
И з последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия e и показателя адиабаты k.
Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.
Работа цикла определяется по формуле:
Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.
studfiles.net
В обычных дизельных двигателях был необходим компрессор для сжатия воздуха. Сжатый воздух использовался для распыливания жидкого топлива через форсунки.
Упростить конструкцию дизельного двигателя, путём устранения компрессора, впервые удалось Густову Васильевичу Тринклеру. В 1904 г. им был получен соответствующий патент на двигатель, в котором использовалась механическая форсунка безвоздушного распыления жидкого топлива (сырой нефти).
Тринклер предложил разделить камеру сгорания на две части - основную и предварительную (вспомогательную). Топливо поступало в предварительную камеру, составляющую примерно 1/3 общего объёма камеры сгорания.
Туда же в такте сжатия перетекала часть воздуха из подпоршневого пространства. Проходя через соединительный канал небольшого сечения поток воздуха ускорялся и турбулизировался. Тем самым достигалось лучшее смесеобразование и сокращение периода задержки воспламенения. По мере сжатия давление и температура воздуха в предкамере возрастают. Когда температура воздуха достигает определённого уровня происходит самовозгорание топлива в предкамере.
В предкамере сгорали наиболее лёгкие фракции нефти, которая использовалась в качестве топлива, раньше готовые к самовоспламенению. Давление в предкамере возрастало, из-за чего оставшаяся часть топлива вместе с продуктами сгорания интенсивно вытеснялась из предкамеры в основную камеру, где перемешивалась с воздухом и постепенно догорала. Таким образом процесс выделения химической энергии топлива проходил в два этапа: быстрый процесс сгорания лёгких фракций во вспомогательной камере и достаточно медленное догорание оставшейся части топлива в основной камере.
Схематично ДВС с предкамерой и его индикаторная диаграмма приведены на рис. 7.
Рис. 7. ДВС с предкамерой и его индикаторная диаграмма
Описание работы такого ДВС по индикаторной диаграмме совпадает с описанием работы обычного дизельного двигателя (см. предыдущий раздел 1.3) за исключением участка 2-3. В точке 2 начинается быстрый процесс сгорания лёгких фракций топлива в предкамере. Из-за быстроты сгорания линия 2-3 носит вертикальный характер (поршень за это время не успевает заметно переместиться).
На участке 3-4 оставшаяся часть топлива относительно медленно догорает в основной камере. Поршень за это время успевает заметно переместиться. Поэтому давление заметно вырасти не успевает, и линия 3-4 носит горизонтальный характер.
Чтобы иметь возможность применить для анализа эффективности ДВС метод круговых процессов индикаторную диаграмму требуется преобразовать и упростить с помощью ряда допущений.
О преобразовании индикаторной диаграммы см. раздел 1.3.
Об упрощении вида индикаторной диаграммы см. раздел 1.3 за исключением второго допущения, в котором текст меняется на следующий: «В силу вертикального характера на рис. 7 процесса 2-3 будем приближённо считать, что процесс передачи части подводимой к рабочему телу теплоты происходит в изохорном процессе (это соответствует выделению химической энергии при сгорании части топлива в предкамере).
В силу горизонтального характера участка 3-4 будем приближённо считать, что процесс передачи рабочему телу оставшейся части теплоты происходит в изобарном процессе (это соответствует выделению химической энергии при сгорании оставшейся части топлива в основной камере сгорания)».
Сказанное выше позволяет на рис. 8 в рυ-координатах схематично изобразить термодинамическую модель реальной (полученной экспериментально) индикаторной диаграммы (рис. 7). Такую модель можно считать термодинамической моделью, описывающей работу реального двигателя. Модель представляет собой круговой процесс, состоящий из двух адиабат, двух изохор и одной изобары. Такой круговой процесс называется циклом Тринклера.
Рис. 8.Цикл Тринклера (смешанный цикл ДВС): 1-2 и 4-5 – адиабаты; 2-3 и 5-1 – изохоры; 3-4 – изобара
В цикле Тринклера теплота к рабочему телу подводится в изохорном процессе 2-3 и изобарном процессе 3-4, а отводится в изохорном процессе 5-1:
qпод = q2-3 + q3-4 = сυ (Т3 – Т2) + ср (Т4 – Т3), (27)
|qотв| = |q5-1| = сυ (Т5 – Т1). (28)
Исходя из определения, а также с учётом (27) и (28), термический КПД цикла Дизеля вычисляется следующим образом:
. (29)
Так как процесс 1-2 адиабатный, то из свойств адиабатного процесса известно:
, (30)
где ε – степень сжатия рабочего тела в цилиндре ДВС.
Так как процесс 2-3 изохорный, то из свойств изохорного процесса известно:
, (31)
где λ – величина, которая называется степенью повышения давления, 
.
Так как процесс 3-4 изобарный, то из свойств изобарного процесса известно:
, (32)
где ρ – величина, которая называется степенью предварительного расширения, 
.
Из (31) и (32) следует, что:
. (33)
Так как процесс 5-1 изохорный, то из свойств изохорного процесса известно:
. (34)
Так как процессы 1-2 и 4-5 адиабатные, то по свойствам адиабатных процессов можем записать:
,
. (35)
Разделив в (35) левые и правые части равенств друг на друга получаем:
, откуда
. (36)
Сопоставляя (34) и (36) получаем:
. (37)
Подставляем (30), (31), (33) и (37) в (29) получаем:
. (38)
studfiles.net
