Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

В двигателях с подводом теплоты при производится раздельное сжатие воздуха и жидкого топлива (горючего), что исключает самовоспламенение и позволяет получить высокие степени сжатия. Давление в конце сжатия порядка 3-4 МПа. Степень сжатия =14¸18.

На рис. 7.9 приведен термодинамический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме в vP- и sT-диаграммах для 1 кг рабочего тела.

Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – подвод теплоты при постоянном давлении; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.

Рисунок 7.9 - Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания

с подводом теплоты при постоянном давлении:

а - в vP - диаграмме; б – в sT -диаграмме

 

Параметрами, характеризующими данный цикл, являются:

- степень адиабатного сжатия; - степень предварительного расширения; - степень адиабатного расширения.

Термический КПД цикла определяется по формуле:

.

Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе 2-3:

. (7.18)

Количество теплоты, отводимое в изохорном процессе 4-1:

. (7.19)

Количество подведенной теплоты и отведенной можно определить через параметры цикла. Для этого температуры и выражаются через температуру и параметры цикла и .

 

Таблица 7.2 - Определение температуры в характерных точках цикла с изобарным подводом теплоты

 

Процесс	Формулы
1-2 - адиабатный
2-3 – изобарный
3-4- адиабатный	Т.к. или . Тогда или

После преобразований:

; ; (7.20)

. (7.21)

 

Из выражения (7.21) видно, что термический КПД данного цикла зависит от степени сжатия , степени предварительного расширения и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. С увеличением степени сжатия термический КПД увеличивается. При возрастании степени предварительного расширения он уменьшается. Интенсивность роста термического КПД с возрастанием степени сжатия постепенно уменьшается. Величина степени сжатия в двигателе с подводом теплоты при должна обеспечить самовоспламенение топлива и создать температурные условия для быстрого протекания процесса сгорания.

Из рис. 7.9 видно, что при равенстве площадей отведенной теплоты = пл.6145 термический КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия , так как площадь его полезной работы будет больше, чем у двигателя с меньшей степенью сжатия (пл. 1784 > пл. 1234).

Рисунок 7.9 - Влияние степени сжатия на цикла ДВС с подводом теплоты при и	Рисунок 7.10 - Влияние количества подведенной теплоты на величину работы цикла ДВС с подводом теплоты при

 

Работа цикла:

. (7.22)

При и при увеличении теплоты увеличивается объем (рис. 7.10), т.е. возрастает степень предварительного расширения . При этом увеличивается работа цикла и уменьшается термический КПД.

Среднее индикаторное давление в этом цикле определяется выражением:

. (7.23)

Отсюда видно, что среднее индикаторное давление увеличивается при возрастании и .

 

7.2.3 Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Двигатель со вмешанным подводом теплоты в отличие от двигателя с подводом теплоты при не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Распыление жидкого топлива производится при помощи механических форсунок. Жидкое топливо подается в предкамеру через форсунку 5 (рис. 7.11). В процессе сжатия давление в цилиндре 1 растет быстрее, чем в предкамере 4. За счет разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра 1 в предкамеру 4, который используется для распыления жидкого топлива, впрыскиваемого в предкамеру. При этом образуется однородная смесь, сгорающая в предкамере при постоянном объеме. Давление в предкамере возрастает и направление потока изменяется: смесь продуктов сгорания и несгоревших паров топлива, имеющих температуру 1500…1800°С, устремляется из предкамеры в цилиндр, где происходит их перемешивание и догорание. В результате поршень перемещается слева направо при постоянном давлении. После сгорания топлива происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, которые затем удаляются из цилиндра.

Рисунок 7.11 Схема ДВС со смешанным подводом теплоты

1-цилиндр; 2-поршень; 3-выпускной клапан; 4-предкамера; 5-свеча;

6-впускной клапан; 7-узкий канал

 

Рисунок 7.12 - Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты:

а - в vP - диаграмме; б – в sT -диаграмме

 

Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты (рис. 7.12) состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 - изобарный подвод теплоты; 4-5 - адиабатное расширение рабочего тела; 5-1 – отвод теплоты при постоянном объеме.

Подвод теплоты в цикле со смешанным сгоранием осуществляется вначале по изохоре 2-3, а затем по изобаре 3-4.

Параметрами, характеризующими цикл со смешанным подводом теплоты, являются:

- степень адиабатного сжатия; - степень повышения давления;

- степень предварительного расширения.

Термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты:

.

Теплота, отводимая по изохоре 5-1, определяется соотношением:

,

тогда как теплота складывается из теплоты, подводимой в изохорном процессе 2-3, и теплоты, подводимой в изобарном процессе 3-4:

= , (7.24)

тогда:

. (7.25)

Выразив температуры и через температуру и параметры цикла через , получим формулы для определения температуры в характерных точках цикла (табл. 7.3).

 

 

Таблица 7.3 - Определение температуры в характерных точках цикла со смешанным подводом теплоты

Процесс	Формулы
1-2 - адиабатный
2-3 - изохорный
3-4 - изобарный
4-5 - адиабатный

 

Поставив полученные значения температур в выражения для определения подведенной и отведенной теплоты, получим:

и , (7.26)

и далее, подставив полученные выражения в формулу для определения термического КПД:

(7.27)

Из выражения (7.27) следует, что термический КПД смешанного цикла, как и термический КПД циклов с изобарным и изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением и . С увеличением термический КПД уменьшается.

Сравнение циклов ДВС

7.2.4.1 Сравнение циклов поршневых ДВС с подводом теплоты при и

На рис. 7.13 а изображены рассматриваемые циклы при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах отведенной теплоты пл.7146. Из рисунка видно, что количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 ( пл.7236), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-5-4 ( = пл. 7256). Поэтому, согласно формуле (7.13), цикл 1-2-3-4 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при , т.е. > .

На рис. 7.13 б представлены оба цикла при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты (пл.7238 = пл.7259). Из рисунка видно, что количество отведенной теплоты в цикле 1-2-5-6 ( = пл.7169) больше, чем количество отведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 ( = пл.7148). Следовательно, цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при имеет больший КПД, т.е. > .

 

 

Рисунок 7.13 - Сравнение циклов с подводом теплоты при и

при одинаковой степени сжатия

 

На рис. 7.14 а приведены оба цикла при одинаковых максимальных давлениях и температурах и различных степенях сжатия . При (пл. а 14 b) количество подведенной теплоты в цикле 1-5-3-4 ( = пл. а 53 b) больше, чем количество подведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 ( пл. а 23 b). Поэтому цикл 1-5-3-4 с подводом теплоты при постоянном давлении имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть > .

Рисунок 7.14 - Сравнение циклов с подводом теплоты при и

с различной степенью сжатия

 

На рис. 7.14 б представлены оба цикла при одинаковых количествах подведенной теплоты ( = пл. а 78 с = пл. а 23 b) и при различных степенях сжатия . Как видно, количество теплоты, отведенной в цикле 1-2-3-4 (пл.. а 14 b), больше, чем количество теплоты, отведенной в цикле 1-7-8-5 (пл. а 15 с). Следовательно, цикл 1-7-8-5 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, то есть > .

7.2.4.2 Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты при , и со смешанным подводом теплоты

На рис. 7.15 видно, что при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты (пл. а 23 b = пл. а 265 с = пл. а 28 d) максимальный термический КПД имеет цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при , а минимальный – цикл 1-2-8-9 с подводом теплоты при . Термический КПД цикла 1-2-5-6-7 со смешанным подводом теплоты имеет промежуточное значение.

а	б

Рисунок 7.15 - Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты

при , и со смешанным подводом теплоты

Из рис. 7.15 б видно, что при одинаковых конечных давлениях и температурах () во всех трех циклах и одинаковом количестве отведенной теплоты = пл. а 14 b = , > > .

Действительно, пл. а 73 b > а 56 b > а 23 b, то есть > > . Поэтому > > . При этих условиях наибольшая степень сжатия будет у двигателей с подводом теплоты при .

 

7.3 Циклы газотурбинных установок (ГТУ)