Циклы поршневых двигателей

Поршневые двигатели широко используются в современной технике: на легких самолетах, автомобилях, тракторах, тепловозах и др. Рабочими элементами поршневого двигателя являются цилиндр ІІ с поршнем ІІІ (рис. 6.11), соединенным через кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал с потребителем работы (винтом, колесами, генератором и др.). В цилиндре имеются два отверстия с клапанами І для впуска рабочего тела (воздуха или топливовоздушной смеси) и выпуска продуктов сгорания в конце цикла. Наибольшее распространение получили два типа поршневых двигателей – с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси (цикл Отто) и с воспламенением за счет сжатия воздуха (цикл Дизеля).

Рис. 6.11 Цикл Отто в p-v и T-s диаграммах.

6.3.1 Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме υ = const (цикл Отто). Цикл Отто, изображенный на рис. 6.11 в р - υ и Т - s координатах, состоит из двух адиабатных и двух изохорных процессов. Этот цикл реализуется в поршневых двигателях с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси.

От исходного состояния 1 рабочее тело за счет перемещения поршня сжимается в адиабатном процессе 1-2. Обычно сжимается заранее подготовленная в карбюраторе топливовоздушная смесь. Ее поджигание в точке 2 (например, с помощью электрической свечи) приводит к практически мгновенному сгоранию и выделению теплоты. За короткое время сгорания топливовоздушной смеси поршень перемещается незначительно. Поэтому в идеальном цикле процесс 2-3 подвода теплоты q ₁ считается изохорным.

Далее происходит адиабатное расширение газа (процесс 3-4). Этот процесс в теории поршневых двигателей называют рабочим ходом, так как именно в этом процессе работа расширения газа передается через поршень и кривошипно-шатунный механизм на вал и далее к внешнему потребителю. В точке 4 открывается выпускной клапан и горячие продукты сгорания вытекают в окружающую среду. Этот процесс в идеальном цикле заменяется условным замыкающим цикл изохорным процессом 4-1 отвода теплоты q ₂.

В реальном поршневом двигателе дополнительно осуществляются два вспомогательных процесса, которые показаны на рис. 6.11 штриховой линией. Это процессы:

1 – а опорожнение цилиндра от остатков продуктов сгорания (выхлоп);

а – 1 заполнение цилиндра свежей топливовоздушной смесью (всасывание).

При исследовании идеального цикла эти вспомогательные процессы не рассматриваются.

При исследовании цикла Отто в качестве исходных задают степень сжатия ε в адиабатном процессе 1-2 и степень повышения давления λ в процессе подвода теплоты 2-3. Определим подведенную q ₁ и отведенную q ₂ теплоту, термический к.п.д. η _t и работу цикла l _ц. Для изохорных процессов 2-3 и 4-1 подведенная и отведенная теплота определяется следующими уравнениями:

, (6.27)

. (6.28)

Здесь в соответствии с адиабатным процессом:

. (6.29)

Отношение температур определим из условия ∆ S _2-3 = ∆ S _1-4 = ∆ S (рис. 6.11).

Тогда:

,

откуда:

. (6.30)

Подставив (6.29) и (6.30) в (6.27) и (6.28), получим:

q ₁ = c_υ T ₁ ε^{k -1} (λ – 1), (6.31)

q ₂ = c_υ T ₁ (λ – 1). (6.32)

Используя эти выражения для q ₁ и q ₂ в (3.3) и (3.2), получим формулы для термического к.п.д. и удельной работы цикла:

, (6.33)

l _ц = c_υ T ₁(ε^{k -1} – 1)(λ – 1). (6.34)

Формула (6.33) показывает, что термический к.п.д. цикла Отто зависит от степени сжатия (ε) и рода рабочего тела (k, R). Как следует с ростом ε и k термический к.п.д. цикла растет (рис. 6.12).

Следует отметить, что в реальных поршневых двигателях, работающих по циклу Отто, увеличение ε в целях улучшения экономичности двигателя ограничивается определенными пределами. При использовании в качестве топлива бензина увеличение ε > 9…12 вызывает детонационное сгорание топливовоздушной смеси, которое приводит к нарушению нормальной работы двигателя, перегреву его отдельных деталей и быстрому выходу из строя.

6.3.2 Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении р = const (цикл Дизеля). Детонационного горения при высоких степенях сжатия можно избежать, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух. В этом случае топливо вводится в цилиндр после окончания процесса сжатия и самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха. Подвод топлива и его горение происходят при постоянном давлении в цилиндре. Этот способ реализуется в цикле Дизеля, изображенном в р - υ и Т - s координатах на рис. 6.13. Цикл состоит из двух адиабат (сжатия 1-2 и расширения 3-4), изобары 2-3 подвода теплоты q ₁ и изохоры 4-1, отвода теплоты q ₂. В идеальном цикле Дизеля также не рассматриваются вспомогательные процессы всасывания и выхлопа. Основными параметрами цикла являются степень сжатия ε и степень расширения ρ в процессе подвода тепла. Получим формулы для q ₁ и q ₂:

, (6.35)

. (6.36)

Здесь:

. (6.37)

Из условия ∆ s _2-3 = ∆ s _1-4 = ∆ s (рис. 6.13) следует:

.

Откуда:

. (6.38)

Подставив (6.37) и (6.38) в (6.35) и (6.36), после преобразований получим:

q ₁ = c_p T ₁ ε^{k -1} (ρ – 1), (6.39)

q ₂ = c_υ T ₁ (ρ^k – 1). (6.40)

Используя выражения для q₁ и q ₂, найдем термический к.п.д. цикла Дизеля с помощью (3.2) и (3.3):

(6.41)

и удельную работу цикла:

l _ц = c_υ T ₁ [ kε^{k -1}(ρ – 1) – ρ ^k + 1]. (6.42)

Формула (6.41) показывает, что к.п.д. цикла Дизеля зависит от физической природы газа (k, R) и степени сжатия (ρ) в процессе подвода теплоты. При постоянном значении ρ величина η_t растет c ростом ε.

6.3.3 Сравнение циклов Отто и Дизеля. Сравнение выполнено в предположении, что в обоих циклах одинаковы параметры рабочего тела в исходной точке р ₁, Т ₁ и максимальные значения давления и температуры р ₃, Т ₃. Совместив эти циклы в Т - s координатах (рис. 6.14), сравним величины их термических к.п.д., базируясь на формуле (3.3). Видно, что при принятых условиях сравнения, к.п.д. цикла Дизеля выше, чем к.п.д. цикла Отто, т. к. при равных количествах отведенной теплоты (q _2Д = q _2О) количество подведенной теплоты в цикле Дизеля больше (q _1Д > q _1О). Более высокая

эффективность цикла Дизеля в данных условиях объясняется тем, что в нем обеспечивается более высокая степень сжатия ε, чем в цикле Отто. Другим достоинством дизелей является то, что в них может использоваться дешевое низкосортное топливо. Однако следует заметить, что реальные дизели, вследствие более высоких значений ε, испытывают повышение нагрузки. По этой причине и из-за неполного использования кислорода воздуха их конструкция получается более тяжелой, чем у двигателей с принудительным воспламенением. Кроме того, дизели характеризуются высокими значениями вредных выбросов в атмосферу. Для повышения термического к.п.д. циклов Отто и Дизеля широко используется регенерация (утилизация) теплоты на выходе из энергетической установки.

Контрольные вопросы.

1. В чем состоит основная задача термодинамического исследования циклов тепловых двигателей? Какие допущения используются при переходе от реальных циклов к идеальным?

2. Перечислите безразмерные параметры цикла, которые используются при термодинамическом анализе циклов.

3. Изобразите цикл Брайтона в p-v и T - s диаграммах. Запишите уравнения для к.п.д. и удельной работы цикла и выполните их анализ.

4. Какими параметрами определяется оптимальная степень повышения давления в идеальном цикле Брайтона?

5. Изобразите цикл Гемфри в p-v и T - s диаграммах. Запишите уравнения для к.п.д. и удельной работы цикла и выполните их анализ.

6. Выполните сравнение циклов Брайтона и Гемфри. В чем состоят технические проблемы практической реализации цикла Гемфри?

7. Изобразите цикл ракетного двигателя в p-v диаграмме. Запишите уравнение для термического к.п.д. и выполните его анализ.

8. Изобразите цикл Отто в p-v и T - s диаграммах. Запишите уравнения для к.п.д. и удельной работы цикла и выполните их анализ.

9. Изобразите цикл Дизеля в p-v и T - s диаграммах. Запишите уравнения для к.п.д. и удельной работы цикла и выполните их анализ.

10. Выполните сравнение циклов Отто и Дизеля. В чем состоят технические преимущества двигателей, работающих по циклу Дизеля перед двигателями, работающими по циклу Отто?

11. Какова степень сжатия в двигателях внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто и Дизеля?

РАЗДЕЛ 7

Дата добавления: 2014-12-27