Чем отличаются термодинамические циклы поршневых и турбинных двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИКЛОВ ДВС
Описание: Это действие обуславливает понятие давления газа одинаковое по всем направлениям. Различают манометрическое барометрическое и абсолютное давление газа. Из МКТ молекулярно-кинетическая теории следует что абсолютное давление газа численно равно.
Дата добавления: 2015-01-27
Размер файла: 36.07 KB
Работу скачали: 5 чел.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИКЛОВ ДВС
1 Основные параметры рабочего тела
Состояние вещества, находящегося в газообразном виде характеризуется тремя параметрами давление, объем и температура. Хаотическое движение молекул в разных направлениях вызывает их действие на стенки емкости, в которой находится газ. Это действие обуславливает понятие давления газа, одинаковое по всем направлениям. Различают манометрическое, барометрическое и абсолютное давление газа. Из МКТ (молекулярно-кинетическая теории) следует, что абсолютное давление газа численно равно 2/3 средней кинетической энергии поступательного движения молекул, заключенных в единице объема
где n число молекул в объеме v
v удельный объем 1 кг газа, м 3 /кг
m масса молекулы
w средняя квадр. скорость поступательного движения молекул.
С другой стороны МКТ газов устанавливает прямую пропорциональную зависимость между средней кинетической энергией молекулы и абсолютной температурой газа.
где T абсолютная температура в градусах Кельвина;
B коэффициент пропорциональности — включает выражение 3/2*к (пост. Больцмана).
Соединяя два последних уравнения получим:
Переносим все величины, характеризующие состояние газа в одну сторону, а постоянные величины оставляем в другой.
Это характеристическое уравнение для 1 кг газа. Постоянная величина R называется газовой постоянной для выбранного газа (см. таблицу 1). Для произвольного количества газа с массой m кг уравнение имеет вид
Изменим температуру газа при постоянном давлении. Поршень переместится в сторону увеличения давления. Вычтя из второго уравнения первое, получим
В качестве объемной величины используется удельный объем, массовый объем или мольный объем. В термодинамике чаще всего пользуются такой единицей как кмоль — это количество газа, масса которого в килограммах численно равна его молекулярной массе и называется килограмм-моль. Объем 1 киломоля м 3 /кмоль. Это количество вещества, которое содержит столько же молекул (атомов), сколько атомов содержится в нуклеиде углерода 12 С массой 12 кг . Для 1 кмоль газа уравнение примет вид:
Правая часть формулы называется универсальной газовой постоянной. Это есть работа 1 кмоля идеального газа в процессе при Р= const и при изменении температуры на 1 градус. При нормальных физических условиях (Р=101325н/м 2 и Т=273,15 О К) объем 1 кмоля газа равен 22,4143 м 3 / кмоль , а универсальная газовая постоянная равна
Таблица 1 Физические постоянные некоторых газов
Масса 1 кмоль, кг/кмоль
Газовая постоянная R , дж/кг * град
Плотность газа при нормальных физических условиях, кг/м 3
2 Теплоемкость газа
Свойства газа определяются таким понятием как теплоемкость это количество тепла, которое необходимо подвести к единице массы рабочего тела для повышения температуры тела на 1 О . Различают теплоемкость при постоянном объеме и при постоянном давлении. Единицей массы может быть кг, м 3 , кмоль. Величины теплоемкостей принимают по таблицам.
Для одноатомных газов k =1,69; для двухатомных газов k=1,41; для трехатомных и более k=1,29. Количество тепла, подведенного к рабочему телу определится по формулам:
при постоянном объеме
при постоянном давлении
2 Основные газовые законы
Закон Гей-Люссака P = const : V 1 / T 1 = V 2 / T 2 изобара
Закон Бойля-Мариотта T = const : P 1 V 1 = P 2 V 2 изотерма
V=const: P 1 /T 1 = P 2 /T 2 изохора
Объединенный газовый закон P 1 V 1 / T 1 = P 2 V 2 / T 2 PV = R Т
Адиабатный процесс происходит без теплообмена с окружающей средой: q = du + l = 0. Вывод :
; дифференцируя ОГЗ находим
Полученное выражение разделим на PV
Политропный процесс. Показатель политропы
Уравнение политропного процесса или
Теплоемкость при политропном процессе
Начальное и конечное состояние рабочего тела
Работа политропного процесса:
Круговой процесс позволяет осуществлять непрерывное действие тепловой машины. Ни один из рассмотренных ранее процессов не может быть использован в тепловой машине циклического действия. В тепловой машине газ предварительно сжимается. В случае обратимого процесса обратное действие повторяет пройденный путь и тогда полезная работа равна нулю. Необходимо, чтобы работа процесса расширения была больше работы, затраченной на сжатие. При прямом круговом процесс или цикле к газу в момент расширения подводится тепло и в момент сжатия избыточное тепло отводится. Тогда работа расширения будет больше работы на сжатие. Так работает тепловой двигатель. Если на расширении тепло отводить, а при сжатии подводить, тепловая машина будет работать как холодильник и процесс называется обратным круговым.
Первый закон термодинамики превращение механической работы в теплоту известно человеку с давних пор, а вот обратное действие было осуществлено во второй половине 18 века. Подведенная к рабочему телу энергия в форме теплоты расходуется на изменение внутренней энергии тела и на совершение механической работы.
Для обратимых процессов
Термический КПД процесса Наиболее совершенным с точки зрения термодинамики является процесс, построенный по циклу Карно. В этом процессе подвод и отвод тепла происходит по соответсвуюшим изотермам, две другие составляющие протекают по адиабатам сжатия и расширения. При этом термический КПД будет максимальным. Этот цикл является эталоном для сравнения с теми циклами, которые проектируются. По циклу Карно обязательно необходимо иметь иметь источник тепла с большей температурой, чем холодильник, т.е. T 2 > T 1 . Для нормальных условий и температуре продуктов сгорания 1200К КПД достигает 80%. Разница температур является необходимым условием работы тепловой машины.
Первый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения между теплотой и работой при взаимном превращении этих форм передачи энергии. Теплота эквивалентна работе. Второй закон термодинамики устанавливает условия, при которых возможен переход теплоты в механическую работу. Эти условия следуют из цикла Карно, т.е. температура холодильника должна быть меньше температуры источника тепла, невозможен полный переход тепла в работу часть его неизбежно теряется.
Энтальпия (теплосодержание, характеристика состояния)
Энтропия (Энергия расширенной системы, т.е. энергия тела + энергия окружающей среды). Приращение энтропии:
Двигатели внутреннего сгорания. Термодинамические циклы с продолженным расширением
Термодинамические циклы, лежащие в основе работы современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), подразделяются на цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто), цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) и цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера). Их характерной особенностью является то, что расширение рабочего тела в них всегда производится до объема, с которого начинается сжатие.
Очевидно, что более полного использования энергии подведенного тепла можно добиться, если увеличить степень расширения рабочего тела. Термодинамические циклы, степень расширения рабочего тела в которых больше степени его сжатия, называются термодинамическими циклами с продолженным расширением.
Примеры таких циклов рассматриваются далее.
1. Идеальный термодинамический цикл с продолженным расширением и подводом теплоты при постоянном объеме.
Диаграмма цикла в PV-координатах приведена на Рисунке 1.
Рабочее тело с начальными параметрами p 1 , V 1 сжимается по адиабате 1-2, затем в изохорном процессе 2-3 к нему подводится теплота q 1 , далее оно расширяется по адиабате 3-4. Цикл завершается отводом теплоты q’ 2 по изохоре 4-5, q» 2 по изобаре 5-1 и возвратом рабочего тела в начальное состояние.
Основными характеристиками данного цикла являются:
| ε = V 1 ∕ V 2 | – | степень сжатия рабочего тела; |
| λ = p 3 ∕ p 2 | – | степень повышения давления; |
| δ = V 4 ∕ V 3 | – | степень расширения рабочего тела; |
| β = V 5 ∕ V 1 | – | отношение степени расширения к степени сжатия рабочего тела. |
Параметры δ , ε и β при этом связаны соотношением δ = ε · β .
Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам
q 1 = c v · (T 3 – T 2 ) ,
q’ 2 = c v · (T 4 – T 5 ) ,
q» 2 = c p · (T 5 – T 1 ) ,
| c v | – | теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме; |
| c p | – | теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении; |
| T i | – | температура рабочего тела в соответствующих точках. |
Термический КПД цикла
| η t = 1 – | q’ 2 + q» 2 | = 1 – | (T 4 – T 5 ) + k · (T 5 – T 1 ) | , |
| q 1 | (T 3 – T 2 ) |
| (2) |
| k | = | c p ∕ c v . |
Давление и температура в характерных точках цикла
p 3 = p 2 · λ = p 1 · λ · ε k ,
T 3 = T 2 · λ = T 1 · λ · ε k-1 ,
| p 4 = p 3 · | ( | V 3 | ) | k | = p 3 · | 1 | = p 1 · | λ | , |
| V 4 | δ k | β k |
| T 4 = T 3 · | ( | V 3 | ) | k-1 | = T 3 · | 1 | = T 1 · | λ | , |
| V 4 | δ k-1 | β k-1 |
Подставляя (3) — (6) в (2) получим
| η t = 1 – | (T 1 · λ ∕ β k-1 – T 1 · β) + k · (T 1 · β – T 1 ) |
| (T 1 · λ · ε k-1 – T 1 · ε k-1 ) |
| η t = 1 – | λ – β k | — | k · (β – 1) | . |
| β k-1 · ε k-1 · (λ – 1) | ε k-1 · (λ – 1) |
| (7) |
термический КПД цикла принимает максимальное значение
| η t max = 1 – | k · (λ 1 ∕ k – 1) | , |
| ε k-1 · (λ – 1) |
| (8) |
расширение рабочего тела будет происходить до начального значения, точка 4 совпадет с точкой 5, при этом
2. Идеальный термодинамический цикл с продолженным расширением и подводом теплоты при постоянном давлении.
Диаграмма цикла в PV-координатах приведена на Рисунке 2.
Рабочее тело с начальными параметрами p 1 , V 1 сжимается по адиабате 1-2, затем в изобарном процессе 2-3 к нему подводится теплота q 1 , далее оно расширяется по адиабате 3-4. Цикл завершается отводом теплоты q’ 2 по изохоре 4-5, q» 2 по изобаре 5-1 и возвратом рабочего тела в начальное состояние.
Основными характеристиками данного цикла являются:
| ε = V 1 ∕ V 2 | – | степень сжатия рабочего тела; |
| ρ = V 3 ∕ V 2 | – | степень предварительного расширения; |
| δ = V 4 ∕ V 2 | – | степень полного расширения рабочего тела; |
| β = V 5 ∕ V 1 | – | отношение степени полного расширения к степени сжатия рабочего тела. |
Параметры δ , ε и β при этом связаны соотношением δ = ε · β .
Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам
q 1 = c p · (T 3 – T 2 ) ,
q’ 2 = c v · (T 4 – T 5 ) ,
q» 2 = c p · (T 5 – T 1 ) .
Термический КПД цикла
| η t = 1 – | q’ 2 + q» 2 | = 1 – | (T 4 – T 5 ) + k · (T 5 – T 1 ) | . |
| q 1 | k · (T 3 – T 2 ) |
| (10) |
Давление и температура в характерных точках цикла
p 3 = p 2 = p 1 · ε k ,
T 3 = T 2 · ρ = T 1 · ρ · ε k-1 ,
| p 4 = p 3 · | ( | V 3 | ) | k | = p 3 · | ρ k | = p 1 · | ρ k | , |
| V 4 | δ k | β k |
| T 4 = T 3 · | ( | V 3 | ) | k-1 | = T 3 · | ρ k-1 | = T 1 · | ρ k | , |
| V 4 | δ k-1 | β k-1 |
Подставляя (11) — (14) в (10) получим
| η t = 1 – | (T 1 · ρ k ∕ β k-1 – T 1 · β) + k · (T 1 · β – T 1 ) |
| k · (T 1 · ρ · ε k-1 – T 1 · ε k-1 ) |
| η t = 1 – | ρ k – β k | – | (β – 1) | . |
| k · β k-1 · ε k-1 · (ρ – 1) | ε k-1 · (ρ – 1) |
| (15) |
При β = ρ термический КПД цикла принимает максимальное значение
| η t max = 1 – | 1 | , |
| ε k-1 |
| (16) |
расширение рабочего тела будет происходить до начального значения, точка 4 совпадет с точкой 5, при этом
3. Идеальный термодинамический цикл с продолженным расширением и смешанным подводом теплоты.
Диаграмма цикла в PV-координатах приведена на Рисунке 3.
Рабочее тело с начальными параметрами p 1 , V 1 сжимается по адиабате 1-2, затем к нему подводится теплота q’ 1 в изохорном процессе 2-3, и q» 1 – в изобарном процессе 3-4, после чего оно расширяется по адиабате 4-5. Цикл завершается отводом теплоты q’ 2 по изохоре 5-6, q» 2 по изобаре 6-1 и возвратом рабочего тела в начальное состояние.
Основными характеристиками данного цикла являются:
| ε = V 1 ∕ V 2 | – | степень сжатия рабочего тела; |
| λ = p 3 ∕ p 2 | – | степень повышения давления; |
| ρ = V 4 ∕ V 3 | – | степень предварительного расширения; |
| δ = V 5 ∕ V 3 | – | степень полного расширения рабочего тела; |
| β = V 6 ∕ V 1 | – | отношение степени полного расширения к степени сжатия рабочего тела. |
Параметры δ , ε и β при этом связаны соотношением δ = ε · β .
Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам
Термодинамические циклы газовых машин
Компрессор, машина, предназначенная для сжатия газов с целью повышения давления. По конструктивным признакам компрессоры подразделяют на объемные (компрессоры статического сжатия) и лопаточные (компрессоры динамического сжатия. Объемные компрессоры разделяют на два типа – поршневые и ротационные. Несмотря на большие конструктивные различия компрессоров разных типов, термодинамические принципы их действия аналогичны.
Процессы сжатия в компрессоре, процессы, представленные на pv-, Ts-диаграммах (см. рисунок): 1-2s – адиабатный процесс; 1-2Т – изотермический процесс; 1-2n – политропный процесс при показателе политропы 1
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляют за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Топливом служит бензин, соляровое масло, газ. Наиболее распространены поршневые ДВС. Различают три основных вида циклов поршневых ДВС: цикл Отто, цикл Дизеля, цикл Тринклера.
Цикл Отто, цикл поршневых ДВС, в которых подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива при v = const. Точка 1 соответствует состоянию, когда цилиндр двигателя заполнен смесью топлива и воздуха предварительно приготовленной в карбюраторе. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие смеси. В состоянии 2 смесь поджигается от электрической свечи. Процесс 2-3 – изохорный подвод теплоты в результате сжигания топлива. Процесс 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания. Процесс 4-1 – изохорный отвод теплоты в окружающую среду (выхлоп). Термический КПД цикла определяют из выражения: 
, где e = v1/v2 – степень сжатия; k – показатель адиабаты. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты термический КПД увеличивается.
Цикл Дизеля, цикл поршневых ДВС, в которых подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива при 
р = const. Точка 1 соответствует состоянию, когда цилиндр двигателя заполнен воздухом. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в цилиндре. В конце процесса температура воздуха превышает температуру воспламенения топлива. Топливо подают в цилиндр через воздушную форсунку в мелко распыленном виде. Подачу топлива регулируют так, чтобы процесс горения протекал при постоянном давлении. Процесс 2-3 – изобарный подвод теплоты в результате сжигания топлива. Процесс 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания. Процесс 4-1 – изохорный отвод теплоты (выхлоп). Термический КПД цикла определяют из выражения: 
, где r = v3/v2 – степень предварительного расширения. С увеличением степени сжатия, показателя адиабаты и уменьшением степени предварительного расширения термический КПД увеличивается.
Цикл Тринклера, цикл поршневых ДВС, в которых подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива вначале при v = const, а затем при р = const. Точка 1 соответствует состоянию, когда цилиндр двигателя заполнен воздухом. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие воздуха. В конце процесса температура воздуха превышает температуру воспламенения топлива. Топливо подают в цилиндр через механическую форсунку в мелко распыленном виде. Подачу топлива регулируют так, чтобы процесс горения происходил вначале изохорно – процесс 2-3, а затем изобарно – процесс 3-4. Процесс 4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания. Процесс 5-1 – изохорный отвод теплоты (выхлоп). Термический КПД цикла определяют из выражения: 
, где l = p3/p2 – степень повышения давления. С увеличением степени сжатия, степени повышения давления, показателя адиабаты и уменьшением степени предварительного расширения термический КПД увеличивается.
Газотурбинная установка (ГТУ), тепловая машина, в которой подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива в выносной камере сгорания, а работу получают в результате преобразования кинетической энергии продуктов сгорания на лопатках газовой турбины. Топливом служит керосин, газ. По способу организации подвода теплоты ГТУ разделяют на ГТУ с подводом теплоты при v = const и ГТУ с подводом теплоты при р = const. Наиболее распространены ГТУ с подводом теплоты при р = const.
Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты, цикл, представленный на рисунке. Газотурбинная установка состоит из компрессора К, камеры сгорания КС и газовой турбины ГТ. Работа, производимая ГТУ, идет на привод электрогенера 
тора Г. Воздух из окружающей среды поступает в компрессор, где адиабатно сжимается до требуемого давления – процесс 1-2. В камере сгорания в результате сжигания топлива происходит изобарный подвод теплоты – процесс 2-3. Образовавшиеся продукты сгорания поступают в газовую турбину, где адиабатно расширяются в соплах (процесс 3-4), с увеличением кинетической энергии (скорости). Кинетическая энергия преобразуется на лопатках турбины в механическую работу вращения вала. Часть полученной работы идет на привод компрессора ГТУ, а часть на привод электрогенератора или другого устройства. Отработанные газы удаляют в окружающую среду (процесс 4-1 – изобарный отвод теплоты). Термический КПД цикла определяют из выражения: 
, где b = р2/р1 – степень увеличения давления в компрессоре; k – показатель адиабаты рабочего тела (продуктов сгорания). С ростом степени увеличения давления и показателя адиабаты термический КПД увеличивается.
Необратимый цикл ГТУ, цикл, в котором процессы сжатия воздуха в компрессоре и расширения продуктов сгорания в турбине протекают с трением. Необратимость процессов сжатия и расширения учитывают с помощью внутреннего относительного КПД. Для компрессора 
, где lк – теоретическая работа, затраченная на сжатие в компрессоре; lк д – действительная (с учетом трения) работа, затраченная на сжатие в компрессоре. Для турбины 
, где lТ – теоретическая работа, полученная в турбине; lТ д – действительная (с учетом трения) работа, полученная в турбине.
Регенеративный цикл ГТУ, цикл, в котором воздух после компрессора изобарно подогревается за счет теплоты продуктов сгорания покидающих турбину. Применение регенерации приводит к уменьшению расхода топлива, уменьшению теплоты отводимой в окружающую среду и увеличению термического КПД цикла.
Чем отличаются термодинамические циклы поршневых и турбинных двигателей
и многое другое
Вы сможете найти
ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1. Краткие исторические сведения
Вся история развития двигателей внутреннего сгорания подвержена основной движущей силе — увеличение КПД ДВС.
Первым, кто указал на возможность создания двигателей внутреннего сгорания, является Сади Карно. Идеи, высказанные им в работе «Размышления о движущей силе огня», в дальнейшем были полностью реализованы.
В 1860 г. Француз Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работавший на газе. Однако он не получил широкого распространения ввиду того, что имел низкий кпд (не выше, чем кпд паровых машин).
В 1862 г. французский инженер Бо-де-Роша предложил (запатентовал) двигатель, принципы создания которого совпадали с идеями Карно. Эти принципы были осуществлены немецким инженером Отто в созданном им в 1877 г. бензиновом двигателе.
В 1897 г. немецким инженером Дизелем был разработан двигатель высокого сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось воздухом высокого давления, полученного от компрессора.
В 1904 г. русский инженер Г.В.Тринклер построил бескомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива — сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в настоящее время широкое распространение.
2. Классификация ДВС
Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы:
1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто).
2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля).
3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const (цикл Тринклера).
При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла.
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.
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 теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема v4=v1. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q2 в 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.
С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид
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.
4. Циклы ДВС с подводом теплоты
при постоянном давлении
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, что подаваемое 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 e =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 в pv— диаграмме рис.3
Рис.3
Этот цикл осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p1, v1, T1 сжимается 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 теплот определяются по формулам:
Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей cp и cv и их отношения k=cp /cv будет:
Параметры рабочего тела в характерных точках цикла будут:
