Показатели эффективности циклов ДВС

            Циклом теплового двигателя называется круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу.

          Все термодинамические процессы действительного цикла, осуществляемого в реальном двигателе, являются необратимыми. Необратимость процессов поршневых ДВС связана с отдачей теплоты от рабочего тела через стенки цилиндра, а также с трением, на преодоление которого затрачивается работа. Необратимость процессов снижает эффективность преобразования теплоты в работу.

          При анализе эффективности циклов ДВС решают две задачи:

          - определяют, от каких факторов зависит КПД обратимого термодинамического цикла и устанавливают, какими должны быть процессы цикла, чтобы его КПД имел максимальное значение при заданных конкретных ограничительных условиях;

          - находят степень необратимости процессов действительного цикла и устанавливают, какие процессы целесообразно совершать с целью уменьшения необратимых потерь и повышения КПД цикла.

          Основным показателем термодинамической эффективности обратимого цикла, служит термический КПД цикла:

                    ξ t = L _ц / Q ₁ = L _ц / q ₁.                    (1)

             Из уравнения I закона термодинамики для кругового процесса (цикла):

                       $ dq = $ du + $ dL,                  (2)

          откуда следует, что q _ц = L _ц, так как внутренняя энергия – функция состояния и $ du = 0. Подведенная к рабочему телу за цикл теплота равна разности теплоты, полученной от горячего источника и теплоты, отданной холодному источнику, т.е. q _ц = q ₁ – q ₂, следовательно

                         L _ц = q ₁ – q ₂.                        (3)

          После подстановки (3) в уравнение (1), получаем      

                 ξ t = (q ₁ – q ₂)/ q ₁ = 1 – q ₂ / q ₁        (4)

           Степень совершенства действительных необратимых циклов характеризуется величиной индикаторного КПД цикла (двигателя):

ξ i = Li / q ₁ = (q ₁ – q _2д)/ q ₁ = 1 – q _2д / q ₁              (5)

          Однако индикаторный КПД не дает возможности оценить степень необратимости цикла. Поэтому при анализе действительных циклов используют метод их сравнения с обратимым термодинамическим циклом, составленным так, чтобы при условиях сравнения он имел максимальный КПД. Такие обратимые циклы называют образцовыми (циклы Отто, Дизеля, Тринклера, Брайтона).

          Графическое изображение всех процессов рабочего цикла двигателя в диаграмме р-v называетсяиндикаторной диаграммой. Эта диаграмма, устанавливающая связь между давлением в цилиндре и изменением объема, может быть снята с работающего двигателя с помощью специального прибора – индикатора. По индикаторной диаграмме можно определить мощность двигателя, а также выяснить качество протекания всех процессов двигателя, правильность газораспределения и своевременность воспламенения смеси.

              Площадь индикаторной диаграммы характеризует собой работу, которую совершают газы за рабочий цикл двигателя. Работа, затрачиваемая на осуществление тактов впуска и выпуска (работа насосных ходов), составляет всего около 1-2% от общей работы цикла, поэтому диаграмму действительного цикла обычно строят только для тактов сжатия и расширения. Работу насосных ходов принято относить к механическим потерям двигателя.

               Разность между работой сжатия и работой расширения представляет собой полезную (индикаторную) работу цикла Li, величина которой характеризуется площадью замкнутого контура. Необратимость процессов действительного цикла уменьшает его полезную работу, поэтому индикаторный КПД всегда меньше термического КПД (при сравнимых условиях).

             Технико-экономические показатели ВС определяются не только расходом топлива, который зависит от КПД цикла, но в значительной степени габаритными размерами и массой двигателя. Очевидно, чем больше работа цикла и чем меньше объем газа в конце процесса расширения, тем меньше габаритные размеры двигателя и, следовательно, его масса. Для сравнительной оценки и в расчетах удобно пользоваться некоторым условным средним индикаторным давлением цикла,определяющим геометрические размеры и массу двигателя. Средним индикаторным давлением цикла поршневого двигателя называют отношение работы цикла к рабочему объему цилиндра. Для действительного цикла:

p_i = L_i/(V_max –V_min) = L_i/V_h                          (6)

           Геометрически оно может быть представлено как высота прямоугольника, равновеликого по площади индикаторной диаграмме и имеющего основание, равное рабочему объему цилиндра Vh.  

               Индикаторная работа L_i, произведенная газами при перемещении поршня от ВМТ к НМТ, определяется выражением:  

                 L_i = p_i. V_h                              (7)

               Мощность, которую развивают рабочие газы внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью (N_i). Основной величиной, влияющей на мощность двигателя, является расход воздуха. Расход воздуха может быть увеличен различными путями: увеличение рабочего объема цилиндра V_h, числа цилиндров i, числа оборотов n и давления наддува р_к. Наиболее рациональным способом увеличения расхода воздуха и соответственно мощности двигателя является применение наддува.

            Экономичность двигателя оценивается удельным расходом топлива (количество топлива, расходуемое двигателем на единицу мощности в час) Если удельный расход определяется по индикаторной мощности, то он называется индикаторным удельным расходом топлива:                                 c_i = G _т / N_i.                                        (8)

            Степень использования тепла, внесенного топливом в двигатель для получения индикаторной работы, определяется индикаторным КПД, определяемым как отношение индикаторной работы к теплу, внесенному в двигатель топливом. Основными факторами, влияющими на индикаторный КПД, являются степень сжатия ε и коэффициент избытка воздуха α. При α=1 индикаторный КПД выражается формулой                  

        ξ _i = 1 – 1/ εⁿ.                                                  (9)

            Эффективной мощностьюдвигателя Ne называется мощность, передаваемая им воздушному винту или другому потребителю энергии, для которого двигатель предназначен. Эффективная мощность Ne всегда меньше индикаторной Ni, так как часть индикаторной мощности расходуется двигателем на самообслуживание: на всасывание свежей смеси и выталкивание продуктов сгорания, на преодоление трения и привод агрегатов. Мощность, пошедшую на самообслуживание, условно принято называть мощностью трения N тр. Эффективная мощность:

                                    N_e = N_i – N _тр.                  (10)

          Подэффективным КПД понимают отношение эффективной работы к теплу, внесенному в двигатель с топливом:   

                               ξе = Le / Q.                (11)

          Эффективный КПД учитывает все потери энергии в двигателе:  

               ξe = ξ i. ξm.                                    (12)

          Для современных поршневых авиадвигателей эффективный КПД составляет 0,20-0,28.

          По аналогии с удельным индикаторным расходом топлива удельный эффективный расход топлива можно определить как отношение часового расхода топлива к эффективной мощности:    

                     с_е = G _т / N_e.                            (13)