Тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 2.3.
В теоретическом цикле кривая асдиаграммы изображает адиабатическое сжатие рабочего тела, заключенного в цилиндре,сzиzz' –сообщение теплоты,z'b– адиабатическое расширение иba – отдачу части сообщенной теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.
Рис. 2.3. Индикаторная диаграмма смешанного
теоретического цикла
Значения температуры и давления в конце процесса сжатия аналогичны предшествующим формулам:
; 
.
Максимальное давление смешанного цикла:
.
Температура в ВМТ равна:
.
Температура в конце процесса подвода теплоты равна:
.
Давление в конце адиабатного расширения равно:
Температура в конце адиабатного расширения определяется формулой:
Термический КПД теоретического цикла можно определить по разности количества теплоты: Q1' + Q1'', введенных соответственно при V = const (по изохоре сz) и при р = const (по изобаре zz') иQ2,отданного холодному источнику при V = const (поизохоре ba):
.
Теплота, сообщаемая соответственно по изохоре и изобаре, и отводимая теплота равны
Подставляя Q1', Q1''иQ2в уравнение, определяющее термический КПД смешанного цикла, заменяя все температуры через температуру начала сжатияTа,аналогично предшествующим выводам и учитывая, что
получаем
Это уравнение позволяет утверждать, что использование тепла в смешанном цикле зависит от степени сжатия, предварительного расширения и повышения давления, а также показателя адиабаты.
В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений степени сжатия 10–12 становится малоощутимым. В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15 объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и засасываемого воздуха.
Действительный (рабочий) цикл, осуществляемый в реальном двигателе внутреннего сгорания, представляет собой разомкнутый цикл. Для изучения действительного (рабочего) цикла нужно рассмотреть весь комплекс сложных процессов, связанных с превращением термохимической энергии топлива в механическую работу в реальном двигателе. Исходными для изучения действительного (рабочего) цикла являются материалы, полученные в основном путем лабораторных испытаний двигателей внутреннего сгорания.
В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота. При реализации цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения. В зависимости от типа двигателя, в период впуска в цилиндр поступает либо воздух, либо горючая смесь, состоящая из газообразного или жидкого топлива и воздуха. Воздух или горючую смесь, поступающие в цилиндр и остающиеся в нем к моменту начала сжатия, называют свежим зарядом. В процессе сжатия в цилиндре находится смесь свежего заряда с остаточными газами, которая называетсярабочей. В процессе расширения и выпуска рабочим телом являютсяпродукты сгорания топлива.
При расчете рабочего цикла двигателя необходимо знать низшую теплоту сгорания топлива, которая зависит от композиционного состава топлива и количественного соотношения элементов, составляющих его горючую часть. Подвод теплоты к рабочему телу в действительном цикле осуществляется в результате сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя, что предъявляет определенные требования к физическим и химическим свойствам топлива, которые приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания
| Топливо | Элементарный состав (средний) 1 кг топлива, кг | Молекулярная масса, mT, Кг/кмоль | Низшая теплота сгорания, hu, MДж/кг | ||
| С | Н | 0Т | |||
| Автомобильные бензины Дизельное | 0.855
0.870 | 0.145
0.126 | –
0.004 | 110–120
180–200 | 44
42.5 |
Сгорание топлива в цилиндрах двигателя протекает согласно следующим реакциям:
; 
.
Количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, можно подсчитать следующим образом:
Для топлива, имеющего состав по весу:
весовое количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, составит:
, или 
или, исчисляя в кмоль,
.
При расчете состав сухого атмосферного воздуха принимают равным: в % по весу О – 23, N – 77, а в % по объему О – 21, N – 79.
Тогда теоретически необходимое количество сухого атмосферного воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива может быть определено по следующим формулам:
В весовом выражении
В молярном выражении
.
Связь между l0 иL0 имеет вид:
Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.
Отношение количества воздуха L(l)в горючей смеси к количеству воздухаL0 (l0), которое необходимо для полного сгорания топлива, называетсякоэффициентом избытка воздуха:
При работе двигателя состав горючей смееи изменяется. Горючую смесь принято называть нормальной, если α = 1, бедной, если α > 1 и богатой, если α < 1.
Коэффициент избытка воздуха находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей α = 0.8–1.3, для дизельных – α = 1.2 – 5.
Количество свежего заряда, приходящегося на 1 кг топлива, составляет:
для карбюраторного двигателя
[кг воздуха / кг топл.]
или
[кмоль воздуха / кг топл.],
где тТ –молекулярная масса топлива.
Для дизельного двигателя
[кг воздуха / кг топл.]
или
[кмоль воздуха / кг топл.].
Молекулярная масса автомобильного бензина тТ=114. Поэтому величиной обычно пренебрегают.
В конце сжатия перед сгоранием цилиндр двигателя заполнен рабочей смесью, количество которой равно:
,
где Мr- количество кмолей остаточных газов.
Отношение количества остаточных газов к действительному количеству свежего заряда называетсякоэффициентом остаточных газов:
. Подставив выражение 
в выражение дляМа, получим:
.
Процесс сгорания сопровождается тепловыми потерями. Часть тепла в процессе сгорания передается в охлаждающую среду через стенки цилиндра. Часть топлива проникает в картер через неплотности поршневых колец. Из-за недостатка времени и несовершенства смесеобразования часть топлива не успевает сгореть и догорает во время расширения. В то же время под влиянием высоких температур происходит расщепление молекул Н2О и CO2продуктов сгорания, расщеплению сопутствует поглощение тепла.
Коэффициентом использования тепла называется часть теплотворной способности топлива, которая действительно используется для повышения энергии газов при сгорании:
где: hu –низшая теплотворная способность топлива;
Δ Q– потери тепла в процессе сгорания.
Коэффициент использования тепла всегда меньше единицы. Он тем выше, чем совершеннее смесеобразование, выше скорость распространения пламени, короче промежуток времени, затрачиваемый на сгорание.
Коэффициент использования тепла, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется в карбюраторных двигателях в пределах 0.85–0.95, в дизельных от 0.7 до 0.9.
При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO2и Н2О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N2– азот воздуха и O2– свободный кислород воздуха.
Суммарное количество продуктов сгорания 1 кг топлива равно:
.
Подставив в правую часть уравнения значения слагаемых:
получим:
В процессе сгорания происходит увеличение количества кмоль газов.
.
Это увеличение зависит от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.
Для карбюраторных ДВС
Для дизельных ДВС
Отношение количества кмоль продуктов сгорания М2к количеству кмоль смеси до сгоранияМ1называетсякоэффициентом молекулярного изменения.
В зависимости от того, учитывается ли при вычислении коэффициента молекулярного изменения количество остаточных газов или нет, различают коэффициент молекулярного изменения горючей смеси
и коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.
или
.
Следовательно, у карбюраторных и дизельных двигателей коэффициент молекулярного изменения всегда больше единицы.
Увеличение количества кмолей газов при сгорании, оцениваемое коэффициентом молекулярного изменения, вызывает увеличение полезной работы при расширении продуктов сгорания в цилиндре, что повышает мощность двигателя. Следовательно, чем выше коэффициент молекулярного изменения, тем больше мощность, развиваемая двигателем.
Средняя мольная изохорная теплоемкость заряда в конце сжатия для карбюраторных и дизельных двигателях может быть определена по следующей формуле:
кДж/кмоль ·К.
Средняя молекулярная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле (кДж/кмоль К):
процесс сгорания при V = const
;
процесс сгорания при p = const
.
studfiles.net
На рисунке 13.1 в pv-диаграмме изображены процессы, протекающие в идеальном компрессоре. Линия 4-1 изображает процесс всасывания газа, 1-2 – процесс сжатия, 2-3 – процесс нагнетания. Диаграмма 1-2-3-4 называется теоретической индикаторной диаграммой.
Теоретическая работа компрессора зависит от процесса сжатия. Кривая 1-2 – процесс изотермического сжатия, 1-2” – адиабатного сжатия и 1-2’ – политропного сжатия.
Рисунок 13.1 - Теоретический цикл поршневого компрессора
При изотермическом сжатии теоретическая работа компрессораравна работе изотермического сжатия
(23)
Работа, отнесённая к 1м3 всасываемого воздуха 
(24)
Работа для получения 1м3 сжатого воздуха 
(25)
Количество теплоты, которое должно быть отведенопри изотермическом сжатии
или 
(26)
При адиабатном сжатии теоретическая работа компрессоравkраз больше работы адиабатного сжатия
(27)
Работа, отнесённая к 1м3 всасываемого воздуха
(28)
Работа для получения 1м3 сжатого воздуха
(29)
При политропном сжатии теоретическая работа компрессоравmраз больше работы политропного сжатия
(30)
, Вт (кВТ) (31)
а) цикл с подводом теплоты при постоянном объёме(цикл Отто)состоит из двух адиабат и двух изохор (рисунок 13.2). Характеристиками цикла являются степень сжатия ε и степень повышения давления λ.
Рисунок 13.2 – Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме в PV-диаграмме и TS-диаграмме
Степень сжатияопределяется по формуле
(1)
Степень повышениядавленияопределяется по формуле
(2)
Количество подведённой теплоты определяется по формуле
(3)
Количество отведённой теплотыопределяется по формуле
(4)
Работа циклаопределяется по формуле
(5)
Термический к.п.д. циклаопределяется по формуле
(6)
б) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении ( цикл Дизеля)состоит из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры (рисунок 13.3). Характеристиками цикла являются степень сжатия ε и степень предварительного расширения ρ.
Рисунок 13.3 – Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении в PV-диаграмме и TS-диаграмме
Степень сжатияопределяется по формуле
(7)
Степень предварительного расширениядавления определяется по формуле
(8)
Количество подведённой теплоты определяется по формуле
(9)
Количество отведённой теплоты(абсолютное значение) определяется по формуле
(10)
Работа циклаопределяется по формуле
(11)
Термический к.п.д. циклаопределяется по формуле
(12)
в) цикл с комбинированным подводом теплоты (цикл Тринклера) состоит из двух адиабат, двух изохор и одной изобары (рисунок 13.4).
Рисунок 13.4 – Цикл с комбинированным подводом теплоты PV-диаграмме и TS-диаграмме
Характеристиками цикла являются степень сжатия ε, степень повышения давления λ и степень предварительного расширения ρ.
Степень сжатияопределяется по формуле
(13)
Степень повышениядавления определяется по формуле
(14)
Степень предварительного расширениядавления определяется по формуле
(15)
Количество подведённой теплоты определяется по формуле
(16)
Количество отведённой теплоты(абсолютное значение) определяется по формуле
(17)
Термический к.п.д. циклаопределяется по формуле
(18)
Во всех рассмотренных теоретических циклах внутреннего сгорания уравнения для определения количества подведённой и отведённой теплоты, термического к.п.д. даны для случая 
.
studfiles.net
Рис. 12. Термодинамические циклы со смешанным подводом теплоты и с наддувом: а – с продолженным расширением: bf- адиабатное расширение газов на лопатках турбины; fm – отвод теплоты; ma – адиабата сжатия воздуха в компрессоре. б — с постоянным давлением газов перед турбиной.
В цикле (Рис. 12, а) после адиабатного расширения в цилиндре (zb) газы направляются в турбину, где продолжают расширяться также адиабатно (bf) и при этом совершают работу. Затем при постоянном давлении от газов отбирается теплота Q2 (fm).Сжатию воздуха в компрессоре соответствует адиабатный процесс та. Рассматриваемый круговой процесс называют циклом с продолженным расширением. Особенность этого способа наддува заключается в работе турбины при переменном давлении на входе, т. е. в использовании кинетической энергии газов, отработавших в цилиндре поршневого двигателя. Такую систему наддува называют импульсной. В реальных условиях осуществление импульсной системы наддува затрудняется организацией работы турбины при переменных давлении и скорости газа.
Степень сжатия в компрессоре:
Общая степень сжатия
Более простым является способ газотурбинного наддува при постоянном давлении перед турбиной (Рис. 12, б). После окончания расширения газов в цилиндре (zb) от них отводится теплота 
приV= const (ba), затем используемая в турбине, на входе в которую поддерживается постоянное давление (ar). Адиабатное расширение газов в турбине изображено линией rf. Затем теплота отводится при P= const (fm). Адиабатное сжатие воздуха в компрессоре происходит по линии (ma)
Постоянство давления газов перед турбиной достигается тем, что выпускные газы направляются в общий коллектор, объем которого должен быть не менее чем 15 раз больше Vh. Газ поступает в коллектор, расширяется, теряет свою скорость и его кинетическая энергия переходит в тепловую, за счет чего температура газов перед входом в турбину увеличивается.
В том случае, когда Рк >0,2 мПа применяют промежуточное охлаждение наддувочного воздуха («intercooler») с помощью воздухо-воздушного радиатора.
Рис. 13. Диаграмма впуска
Служит для наполнения цилиндра свежим зарядом. Осуществляется по линии ra индикаторной диаграммы при перемещении поршня от ВМТ к НМТ. Заряд поступает в цилиндр из-за разности давлений внутри цилиндра и окружающей средой.
Процесс впуска условно начинается в точке 1, которая соответствует моменту открытия впускного клапана. Открытие клапана осуществляется до прихода поршня в ВМТ, то есть с опережением. Угол опережения составляет от 3 – 20 поворота коленчатого вала (п.к.в.). Это позволяет несколько увеличить длительность процесса впуска и увеличить наполняемость цилиндра. В начальный момент давление остаточных газов (газов оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла) Рr больше давления окружающей среды Р0 и свежий заряд в цилиндр не поступает (r-r0). При этом теряется объем ΔV2. И только после преодоления гидравлического сопротивления (r0-2) в цилиндр начинает поступать свежий заряд. Заканчивается впуск в точке 3, которая соответствует моменту закрытия впускного клапана. Закрытие осуществляется после прохождения поршнем НМТ, то есть с запаздыванием. Угол запаздывания составляет 35 – 80п.к.в.. В этот момент используется скоростной напор и сила инерции свежего заряда для дозарядки цилиндра (ΔV3). Однако следует заметить, что при малой частоте вращения, когда инерция заряда не велика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытесняет часть заряда из цилиндра во впускную систему, то есть происходит обратный выброс.
Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в процессе впуска зависит от гидравлического сопротивления впускной системы. Чем меньше потери давления, тем больше заряда поступит в цилиндр.
Давление в конце выпуска:
Р представляет собой сопротивление впускной системы (воздушный фильтр, впуск трубопровод, впускной клапан)
Решая уравнение Бернули для впускной системы, получаем: (вход воздуха в воздухоочиститель – вход заряда в цилиндр)
β – коэффициент затухания скорости заряда при входе из проходного сечения клапана в цилиндр
ξ– коэффициент гидравлического сопротивления впускной системы;
–приведенный коэффициент впускной системы
ωвп
м/c – скорость заряда во впускном трубопроводе,
ρв– плотность воздуха.
Для отражения влияния конструкции двигателя и режима работы на Р запишем формулу в несколько другом виде:
с – коэффициент учитывающий размеры двигателя
n– частота вращения
кл- площадь проходного сечения клапана.
Изменение n вызывает увеличение Р. А увеличение 
кл приводит к уменьшению Р, поэтому при проектировании двигателя стремятся диаметр впускного клапана делать больше и делать все, чтобы снизить сопротивление системы.
Давление Ра можно определить приблизительно по уравнению
–карбюраторные двигатели
–дизельные двигатели
–газовые двигатели
–газодизели
studfiles.net
Тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 1.3.
В теоретическом цикле кривая ас диаграммы изображает адиабатическое сжатие рабочего тела, заключенного в цилиндре, сz и zz' – сообщение теплоты, z'b – адиабатическое расширение и ba – отдачу части сообщенной теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.
рис.1.3.
Значения температуры и давления в конце процесса сжатия аналогичны предшествующим формулам:
; 
.
Максимальное давление смешанного цикла:
.
Температура в ВМТ равна:
.
Температура в конце процесса подвода теплоты равна:
.
Давление в конце адиабатного расширения равно:
.
Температура в конце адиабатного расширения определяется формулой:
Термический КПД теоретического цикла можно определить по разности количества теплоты: Q1' + Q1'', введенных соответственно при V = const (по изохоре сz) и при р = const (по изобаре zz') и Q2, отданного холодному источнику при V = const (по изохоре ba):
.
Теплота, сообщаемая соответственно по изохоре и изобаре, и отводимая теплота равны
Подставляя Q1', Q1'' и Q2 в уравнение, определяющее термический КПД смешанного цикла, заменяя все температуры через температуру начала сжатия Tа, аналогично предшествующим выводам и учитывая, что
,
получаем
Это уравнение позволяет утверждать, что использование тепла в смешанном цикле зависит от степени сжатия, предварительного расширения и повышения давления, а также показателя адиабаты.
В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений степени сжатия 10–12 становится малоощутимым. В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15 объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и засасываемого воздуха.
| Глава 2. | Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания УАЗ-31512 |
Теоретический раздел.
| Завод-изготовитель | ОАО «УАЗ » (г. Ульяновск) |
| Модель автомобиля, Год выпуска | 31512 – УАЗ, 1972…. |
| Тип трансп. средства | Легковой автомобиль |
| Кузов | Джип |
| Количество дверей | 4 |
| Колесная формула автомобиля | 4 * 4 |
| Минимальный радиус поворота, м | 6,8 |
| Масса снаряженного (кг) | 1 600 кг |
| Полная масса (кг) | 2 350 кг |
| Грузоподъемность (кг) | 750 кг |
| Количество посадочных мест (чел) | 5 + 2 чел |
| Вид сидений | |
| База | 2380 |
| Габариты (длина ширина высота) (мм) | 4 025 * 1785 * 1 190 мм |
| Высота дорожного просвета (мм) | 220 мм |
| Колея передняя/задняя | 1 445 мм |
| Двигатель | УМЗ 4178.10 |
| Тип двигателя | бензиновый |
| Рабочий объем, куб.см | 2445 |
| Степень сжатия | 7,0 |
| Минимальная частота вращения колен. вала, об/мин | 800 |
| Мощность, л.с./ об/мин | 78/4000 |
| Экологический стандарт | Euro 1 |
| Максимальный крутящий момент, Нхм / об/мин | 168/2200-2500 |
| Номинальная мощность, кВт при об/мин | 55,9 |
| Крутящий момент, Нм при об/мин | 159,8 |
| Расположение и число цилиндров | рядное, 4 |
| Число клапанов | 8 |
| Диаметр цилиндра * ход поршня, мм | 92,0 * 92,0 |
| Расход топлива | 14 л/100 км |
| Коробка передач | механическая 4 ступенчатая |
Передаточные отношения трансмиссии
| 1-я передача | 3,78 |
| 2-я передача | 2,60 |
| 3-я передача | 1,55 |
| 4-я передача | 1,00 |
| Главная передача | 4,625 |
| Задний ход | 5,224 |
| Раздаточная коробка | механическая 2 ступенчатая |
| Объем бака (л.) | 2 *39 л. |
| Тип подвески | |
| Передних колес, Задних колёс | Зависимая, рессорная |
| Размер шин | 225/85 R15; 225/75 R16 |
| Размер дисков | 6Jx15, 6Jx16 |
| Характеристика электрооборудования | напряжение 12В |
| Максимальная скорость движения (км/час) | 120 км/час |
| Система тормозов | двухконтурная с вакуумным усилителем |
| Передние, Задние | Барабанные |
| Комплектация модели | Тентованная крыша, гражданские мосты, рессорная подвеска,сдвижные форточки на 4-дверях |
studfiles.net
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме называется циклом Отто по имени немецкою конструктора Н.А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.
Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с парами бензина или любым другим легко испаряющимся веществом.
На рисунке представлена p—v диаграмма двигателя, работающего именно по циклу Отто.
Идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (рисунок, кривые 1—2 и 3—4) и двух изохор (прямые 2—3 и 4—1). Работа, производимая двигателем за цикл, выражается площадью фигуры 23412.
Рис. Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с подводом теплоты при постоянном объеме
Так как в этом цикле участвует постоянное количество рабочего тела, то линии впуска и выпуска отсутствуют. Кривая 1—2 соответствует процессу адиабатного (условно без теплообмена) сжатия газа, в это время поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ).
При положении поршня в ВМТ и постоянном объеме v2 (см. рисунок, прямая 2—3) осуществляется процесс подвода теплоты к рабочему телу. При этом давление и температура рабочего тела повышаются.
При движении поршня от ВМТ к НМТ (кривая 3—4) происходит процесс адиабатного расширения газа.
Отвод теплоты (-q2) от рабочего тела к холодильнику соответствует прямой 4—1 и осуществляется при постоянном объеме, когда поршень находится в НМТ.
Характеристиками цикла являются степень сжатия г и степень повышения давления A.
Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем газа в процессе сжатия:
E = v1/v2
,где v1 — удельный объем газа в начале хода сжатия или полный объем при положении поршня в НМТ; v2 — удельный объем газа в конце хода сжатия или объем над поршнем при его положении в ВМТ (объем камеры сгорания).
Степень повышения давления показывает, во сколько раз повышается давление газа в результате подвода к нему теплоты при постоянном объеме:
A = p3/p2
, где р3 — давление газа в конце подвода теплоты; р2 — давление газа в начале подвода теплоты.
Так как параметры начального состояния (точка 1) всегда известны, то параметры всех других состояний могут быть выражены через р1, v1 и T1.
Так как E и A выражены через v и р, то и они являются параметрами состояния.
Двигатели, работающие по данному циклу, имеют E от 6 до 10, A от 3 до 5.
ustroistvo-avtomobilya.ru
По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели.
В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3–4 МПа и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.
В этих двигателях для обеспечения хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа,получаемый в специальных компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива.
Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V= const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении.
Диаграмма теоретического цикла с подводом тепла при постоянном давлении показана на рис. 2.2.
При движении поршня от НМТ (точка a диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. В этом случае процесс сжатия (линияас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим. Давление и температура в конце этого процесса определяется так же, как и при термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении.
В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит, как в ранее рассмотренном теоретическом цикле, мгновенное сообщение теплоты Q1рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры при постоянном давлении (изобарасz).
Рис. 2.2. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
При положении поршня, когда объем надпоршневого пространства равен VZ(точкаzдиаграммы), сообщение теплоты прекращается.
Степень предварительного расширения газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты:
.
Тогда температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка z)
.
Затем газ адиабатически расширяется (линия zbдиаграммы).
Давление газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Для повторения цикла необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту Q2от введенной теплотыQ1 при постоянном объемеVa.
Термический КПД выражается формулой:
.
В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1теплоты пропорционально его изобарной теплоемкостиСP, а отводимоеQ2 пропорционально его изохорной теплоемкостиСνи соответствующим разностям температур:
Термический КПД можно определять подставив значения температур с учетом того, что:
Двигатели этого типа в качестве транспортных не использовались вследствие громоздкости установки, снабженной компрессором, имевшим две или три ступени давления. Поэтому данный цикл в дальнейшем рассматриваться не будет.
studfiles.net
По этому циклу работают двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели.
В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3–4 МПа и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.
В этих двигателях для обеспечения хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа, получаемый в специальных компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива.
Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V = const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении.
Диаграмма теоретического цикла с подводом тепла при постоянном давлении показана на рис. 2.2.
При движении поршня от НМТ (точка a диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. В этом случае процесс сжатия (линия асиндикаторной диаграммы) будет адиабатическим. Давление и температура в конце этого процесса определяется так же, как и при термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении.
В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит, как в ранее рассмотренном теоретическом цикле, мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры при постоянном давлении (изобара сz).
Рис. 2.2. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
При положении поршня, когда объем надпоршневого пространства равен VZ (точка z диаграммы), сообщение теплоты прекращается.
Степень предварительного расширения газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты:
.
Тогда температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка z)
.
Затем газ адиабатически расширяется (линия zb диаграммы).
Давление газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Для повторения цикла необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту Q2 от введенной теплоты Q1при постоянном объеме Va.
Термический КПД выражается формулой:
.
В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1 теплоты пропорционально его изобарной теплоемкости СP, а отводимое Q2пропорционально его изохорной теплоемкости Сν и соответствующим разностям температур:
Термический КПД можно определять подставив значения температур с учетом того, что:
На рис. 1.2 показана принципиальная схема установки, реализующей цикл Брайтона с подводом тепла при постоянном давлении.
Рис. 1.2. Принципиальная схема ГТУ непрерывного горения, реализующей цикл Брайтона р=const: К —компрессор, ГТ —газовая турбина, КС —камера сгорания, Э —электрогенератор
Такие установки часто называют установками непрерывного горения. В данной установке рабочее тело (воздух) закачивается при давлении p1 из атмосферы компрессором К, сжимается за счет подведенной работы LK до давления p2 и направляется в камеру сгорания КС. В камеру сгорания подается топливо, которое сгорает при постоянном давлении, обеспечивая подвод тепла Q Благодаря сгоранию топлива температура рабочего тела увеличивается от Т2 до Т3 (см. рис. 1.1). Далее рабочее тело (теперь это уже газ, представляющей собой смесь воздуха и продуктов сгорания) поступает в газовую турбину ГТ, где, расширяясь до атмосферного давления, совершает работу LТ. После турбины газы сбрасываются в атмосферу, через которую рабочий цикл и замыкается. Разность работы турбины и компрессора воспринимается электрогенератором Э, который согласно приведенной на рис.1.2 схеме расположен на общем валу с турбиной и компрессором.
Принципиальная схема установки для реализации цикла Брайтона v=const данного цикла показана на рис. 1.3.
Рис. 3. Принципиальная схема ГТУ прерывистого горения, реализующей цикл Брайтона v=const: К —компрессор, ГТ —газовая турбина, КС —камера сгорания, Э —электрогенератор, 1 и 2 —клапаны
В отличие от предыдущей схемы здесь появляются два клапана 1 и 2. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания через клапан 1 при закрытом клапане 2. Когда давление в КС подымается до p2, клапан 1 закрывают. В результате объем КС оказывается замкнутым. При закрытых клапанах 1 и 2 в КС подают и сжигают топливо, естественно, его сгорание происходит при постоянном объеме. В
результате (рис. 1.1) давление рабочего тела дополнительно увеличивается. Далее открывают клапан 2 и рабочее тело поступает в газовую турбину ГТ. Естественно, что при этом давление перед турбиной будет постепенно снижаться. Когда оно приблизится к атмосферному, клапан 2 следует закрыть, а клапан 1 открыть и повторить последовательность действий. Такие установки называют установками прерывистого горения.
Если сравнивать оба рассмотренные способа реализации цикла Брайтона с чисто термодинамических позиций, то предпочтителен последний вариант. Однако, если обратиться к возможностям технической реализации, то последний вариант серьезно проигрывает. Дело не столько в необходимости постоянно манипулировать клапанами 1 и 2, эту обязанность можно возложить на автоматику. Значительно важнее то обстоятельство, что осевые турбомашины могут эффективно работать только в достаточно узком диапазоне начальных и конечных давлений (в последующих главах мы постараемся пояснить данное обстоятельство). Поэтому при реализации цикла v=const возникает целый ряд технических проблем, которые пока не удается радикально решить. Данный цикл находит применение только в ряде специфических условий (например, в ракетных двигателях), хотя поиск подобных решений продолжается и в наше время.
Сравнивая два приведенных выше варианта цикла Брайтона с циклами ДВС, приходим к выводу, что цикл p=const близок к циклу Отто, а цикл v=const—к циклу Дизеля. Оба цикла успешно применяются, что обусловлено качественным отличием рабочих процессов в поршневых машинах от осевых машин.
Обратимся еще раз к рис. 1.1. Температура газа за турбиной Т4 выше температуры воздуха после сжатия в компрессоре Т2 (так бывает в подавляющем большинстве случаев). В этой связи
представляется целесообразным использовать часть тепла выбрасываемых в атмосферу газов для подогрева воздуха, сократив, таким образом, расход топлива в процессе 2–3. Подобный цикл будем называть регенеративным циклом Брайтона. Схема его реализации показана на рис. 1.4.
В отличие от предыдущей схемы здесь появился дополнительный элемент — регенератор, расположенный перед КС.
Рис. 1.4. Принципиальная схема ГТУ, работающей по регенеративному циклу Брайтона: Р - регенератор, К - компрессор, ГТ - газовая турбина,
Э - электрогенератор
Все рассмотренные выше установки работают по так называемой разомкнутой схеме, предполагающей, что воздух забирается из атмосферы, туда же сбрасываются отработавшие в турбине газы. Возможен иной способ реализации цикла Брайтона, показанный на рис. 5.
Рис. 1.5 Замкнутая схема работы ГТУ:
Т -топка, ГВТ -газо-воздушный теплообменник, ВВТ -воздухо-воздушный теплообменник, К —компрессор, ГТ -газовая турбина,
Э -электрогенератор
Эта схема отличается замкнутым контуром циркуляции теплоносителя, соответственно подобные установки называют замкнутыми ГТУ. При таком способе работы применение камеры сгорания исключается, поскольку запас кислорода воздуха очень быстро исчерпается, и далее сгорание топлива будет просто невозможно. Поэтому тепловую энергию подводят в конвективном теплообменнике (иначе - через стенку).
Так в схеме появляется газо-воздушный теплообменник (ГВТ) и предвключенная ему топка Т. В топке сжигается топливо и подводится воздух, необходимый для сгорания топлива. (Применительно к схемам ГТУ комбинация из топки и ГВТ в середине прошлого века именовалась «воздушным котлом», однако, термин не привился и сейчас почти не употребляется.) При замкнутом контуре циркуляции рабочего тела необходимо организовать отвод теплоты в процессе 4–1, поскольку «атмосфера нам теперь не помощник». Одним из логичных путей является использование теплоты процесса 4–1 для подогрева воздуха, подаваемого в топку, что позволяет снизить расход топлива. Именно такой путь выбран в установке, схема которой показана на рис. 1.5. В результате в схеме появился еще один теплообменник—воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ), в котором нагревается воздух, поступающий в топку. Мы назвали данный теплообменник воздухо-воздушным, полагая по аналогии с предыдущими схемами, что рабочим телом служит воздух. Однако при замкнутом контуре циркуляции в принципе может использоваться любой газ [9], как далее будет показано, при этом возникают определенные преимущества. Кроме того, при замкнутой схеме циркуляции нет оснований считать, что давление p2 соответствует атмосферному, оно может принимать любое удобное нам значение.
Рис. 3.11.3 Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)
В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно
Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).
Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа
| A = –ΔU = –CV (T2 – T1), |
где T1 и T2 – начальная и конечная температуры газа.
Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам
По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть
1.29
С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2:
1.30
Следует обратить внимание читателя на большую и принципиальную разницу формул (1.29) и (1.30). Первая из них —не более чем алгебраическая форма записи термического КПД. Вторая формула, (1.30), показывает, что максимально возможный термический КПД идеального термодинамического цикла не зависит от природы и свойств рабочего тела, а определяется только температурами подвода теплоты Т1 и ее отвода Т2.
Определен также цикл, по которому должна работать установка, имеющая максимальный КПД. Этот цикл должен иметь изотермические процессы подвода и отвода теплоты и адиабатические процессы сжатия и расширения. Подобный цикл получил названия «идеального цикла Карно». Соответственно, формула (1.30) — «КПД идеального цикла Карно».
На рис. 1.9 в T, S–координатах такой цикл показан, ему соответствует прямоугольник а–b–c–d–a. Следует обратить внимание, что если координата Т не зависит от свойств рабочего тела, то координата S представляет собой функцию состояния, различную для различных веществ (подробнее об этом можно узнать из учебников термодинамики).
Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году
Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.
Описание цикла Карно
Рис.1.9 Цикл Карно в координатах T—S
Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой 
, холодильника с температурой 
и рабочего тела.
Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).
1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты 
. При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты 
. Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.
Кпд тепловой машины Карно
Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно
.
Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику
.
Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен
.
КПД цикла Карно всегда меньше единицы, точнее— приближается к единице в области нулевого значения абсолютной температуры. Если принять в цикле Карно температуру подвода тепла Т1 = 273 К, что приближается к температуре, максимально достижимой при сжигании органического топлива, а температуру отвода тепла считать соответствующей средним атмосферным условиям Т2 = 298 К, то получим значение η=0,88. Очевидно, что это предельное значение, которое вряд ли когда-либо будет достигнуто в тепловых двигателях, использующих органическое топливо.
Ближе всего к идеальному циклу Карно приближается цикл Ренкина на насыщенном паре: подвод и отвод тепла в нем изотермические (испарение и конденсация). По такому циклу работают турбоустановки большинства современных атомных электростанций. Для реального на сегодняшний день интервала рабочих температур КПД цикла Карно на энергетических установках этих электростанций составляет примерно 0,45. КПД лучших современных парогазовых установок 0,6, хотя их термодинамический цикл менее похож на цикл Карно. Таким образом, приближение к циклу Карно не является самоцелью при выборе цикла энергетической установки.
Анализ и оптимизация термодинамических циклов—задача аналитическая. Однако прежде, чем приступать к расчетам, следует наглядно представить себе структуру расчетной задачи. Тут неоценимую услугу оказывают диаграммы состояния. Выше уже отмечалось, что задание двух любых параметров состояния позволяет с помощью соответствующих формул термодинамики определить значение остальных. В этой связи возможен целый ряд диаграмм состояния, из которых наибольшее распространение получили диаграммы p–v, T–s и h–s. На рис. 1.10 представлены названные диаграммы.
Диаграмма p–v удобна тем, что в ней наглядно видна работа процесса, она пропорциональна площади под линией процесса a–b. Если необходимо оценить работу цикла, то она окажется пропорциональной площади, ограниченной линиями процессов, из которых образован цикл. Диаграмма T–S удобно интерпретирует теплоту процесса, она также равна площади под линией процесса.
Рис. 1.10. Основные диаграммы состояния
При расчетах процессов с парами, не подчиняющимися законам идеальных газов, особые преимущество имеет h, S–диаграмма, предложенная в 1904 г. Молье. До последнего времени эта диаграмма достаточно широко применялась в практике расчетов. Ее достоинство в том, что изменения энтальпии в ней выражается отрезками (см. рис. 1.10), так что эти величины, столь характерные для применения 1-го закона термодинамики к стационарным процессам, могут быть взяты непосредственно из диаграммы. Так же непосредственно из диаграммы берутся изменения энтропии, которые характеризуют термодинамическую необратимость, связанную с действием 2-го закона термодинамики.
Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:
Дата добавления: 2017-12-05; просмотров: 83;
znatock.org
