Идеальные циклы поршневых ДВС
Исследование циклов тепловых двигателей проводится с целью оценки совершенства действительных процессов, протекающих в двигателе, а также с целью учета влияния различных факторов на экономичность двигателя.
Метод термодинамического анализа циклов тепловых двигателей, предложенный Б. Клапейроном, усовершенствован отечественными учеными В.И. Гриневецким, Б.С. Стечкиным, Е.К. Мазингом и другими, является общим для всех тепловых двигателей. Этот метод прост и последователен. Сущность его заключается в следующем:
1. Действительный цикл теплового двигателя заменяется идеальным, при этом принимается ряд допущений:
– рабочее тело рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоемкостью и массой один килограмм;
– процесс сгорания топлива, связанный с изменением химического состава рабочего тела, заменяется обратимым процессом подвода теплоты;
– цикл считается замкнутым, т.е. процесс выброса продуктов сгорания заменяется обратимым процессом отвода тепла;
– механические и тепловые потери отсутствуют.
2. Получают формулу термического КПД идеального цикла и проводят анализ влияния различных факторов на величину .
3. Получают, а затем анализируют выражение полезной работы цикла.
Используя данный метод, проведем исследование некоторых циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Внутри цилиндра поршневого ДВС в результате сгорания топлива
выделяется большое количество теплоты и образуется газообразное рабочее тело. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, приемлемые массогабаритные и эксплуатационные характеристики. Они широко используются, особенно в качестве транспортных двигателей.
По характеру процессов, при которых осуществляется сгорание топлива, циклы поршневых ДВС делятся на три вида:
1) с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто);
2) с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля);
3) смешанный цикл, в котором часть теплоты подводится при постоянном объеме, а оставшаяся - при постоянном давлении.
5.2.1. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты
В двигателях, работающих по этому циклу, приготовление топливной смеси осуществляется либо в специальных устройствах – к а р б ю р а т о - р а х, либо непосредственно в цилиндре (распыленное форсункой горючее перемешивается с поступающим в цилиндр воздухом в такте всасывания). Сгорание протекает в момент, когда поршень меняет направление движения от сжатия к расширению, поэтому процесс подвода тепла можно считать изохорным.
С целью анализа действительный цикл заменим идеальным, рис.5.3, включающим следующие процессы:
1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;
2-3 – изохора подвода теплоты q1;
3-4 – адиабата расширения рабочего тела;
4-1 – изохора отвода теплоты q2.
При анализе цикла исходными данными являются: параметры состояния в точке 1: p1, T1, v1; с т е п е н ь с ж а т и я и с т е- п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я . Рис. 5.3
Под степенью сжатия понимают отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Для цикла, изображенного на рис. 5.3
.
Величина зависит от количества подведенной теплоты q1 в изохорном процессе и определяется по выражению:
.
Определим параметры рабочего тела в состояниях 2, 3 и 4.
Точка 2: v2 = v1 / ; p2 = p1 к; T2 = к-1 T1 .
Точка 3: v3 = v2 = v1 / ; p3 = p2 = кp1; T3 = T2 = к-1T1.
Точка 4: v4 = v1; p4 = p1; T4 = T1.
Значения температур в точках цикла позволяют определить количество подведенной и отведенной теплоты по формулам:
q1 = cv(T3 – T2) = cv( к-1T1 - к-1 T1) = cv( -1) к-1 T1;
q2 = cv(T4 – T1) = cv( T1 – T1) = cv( -1)T1.
Найдем термический КПД изохорного цикла:
t = 1 - ,
после сокращения 1 - . (5.2)
Таким образом, термический КПД ДВС с изохорным подводом тепла зависит только от степени сжатия и показателя адиабаты к.
На рис. 5.4 приведены расчетные кривые, показывающие зависи мость от и к. Из графика видно, что с увеличением величина непрерывно растет. Однако в двигателях, работающих по изохорному циклу, величина степени сжатия ограничивается по двум причинам: во-первых, при больших может наступить детонационное горение топлива; во-вторых, возникает опасность преждевременного самовоспламенения топлива в конце сжатия из-за высокой температуры. Поэтому для современных изохорных двигателей = 7…10.
Рис. 5.4Вычислим полезную работу цикла:
lц = q1 – q2 = cv( -1) ( к-1 -1) T1.
Выражая cv через к и R и используя уравнение состояния, получим:
lц = ( -1) ( к-1 -1). (5.3.)
Анализ выражения (5.3) показывает, что работа цикла растет с увеличением и .
По циклу с изохорным подводом тепла работают ДВС на легких фракциях горючего.
5.2.2. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты
Сгораемое в ДВС топливо представляет собой смесь какого-либо горючего с воздухом. Если в цилиндре сжимать вначале воздух, а затем подавать туда распыленное горючее под высоким давлением, то можно избежать и детонации преждевременного воспламенения. Эта раздельная подача позволяет существенно повысить степень сжатия, а, следовательно, и КПД и использовать в качестве горючего более тяжелые фракции переработки нефти. Создание двигателя, использующего этот принцип, связано с именем немецкого инженера Р. Дизеля (1858-1913), поэтому двигатели с раздельным сжатием называют д и з е л ь н ы м и.
В дизелях горючее подается в цилиндр в конце такта сжатия. Так как температура находящегося в цилиндре сжатого воздуха высокая, топливная смесь воспламеняется. В процессе горения, несмотря на то, что поршень перемещается, давление остается постоянным.
Идеальный цикл с изобарным подводом тепла, рис.5.5, состоит из следующих процессов:
1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;
2-3 – изобара подвода теплоты;
3-4– адиабата расширения рабочего тела;
4-1 – изохоры отвода теплоты.
Здесь заданными являются:
параметры p1, v1, T1, а также степень сжатия и степень предварительного расширения.
. Последнюю обозначают через
и вычисляют как
. Рис. 5.5
Получим выражение термического КПД этого цикла, для чего определим параметры в точках 2,3,4.
Точка 2: v2 = v1 / ; p2 = p1 к; T2 = к-1 T1 .
Точка 3: v3 = v2 = v1; p3 = p2 = p1 ; T3 = T1.
Точка 4: v4 = v1; p4 = p3(v3/v4)к = p1 ; T4=T1 p4/p1 = T1.
Вычислим значения теплоты в процессах 2-3 и 4-1:
q1 = cp (T3 –T2) = cp ( -1) T1
q2 = c v(T4 -T1) = cv ( -1)T1.
После подстановки q1 и q2 в формулу термического КПД и сокращения, получим:
. (5.4)
Отсюда следует, что термический КПД цикла с изобарным подводом тепла зависит от степени сжатия , величины показателя адиабатык и степени предварительного расширения
Он возрастает с увеличением и ки уменьшением .
Полезная работа цикла будет равна
Lц = q1-q2 = cpT1( -1) – cvT1( -1) = .
Работа цикла возрастает с увеличением и уменьшением .
При одинаковых степенях сжатия термический КПД цикла с изобарным подводом тепла ниже, чем у цикла с изохорным подводом тепла, так как
сомножитель в уравнении (5.4) всегда больше единицы. Но в изобарных ДВС используются более высокие значения , чем в изохорных двигателях, что повышает их экономичность.
В табл.5.1 приведены величины дизельного двигателя для ряда и при к = 1,35.
Т а б л и ц а 5.1
p2, МПа | T2, K | |||||
60,1 | 37,3 | 3,82 | ||||
62,1 | 40,4 | 4,59 | ||||
63,8 | 43,0 | 5,40 | ||||
65,2 | 45,2 | 6,24 | ||||
66,4 | 41,2 | 7,12 | ||||
67,5 | 48,9 | 8,03 | ||||
Для увеличения экономичности дизеля необходимо увеличивать степень сжатия и уменьшать степень предварительного расширения. Это значит, что действительный процесс сгорания топлива желательно проводить при наименьшем изменении объема цилиндра. Осуществление такого процесса сгорания возможно в двигателях со смешанным подводом теплоты, в которых топливо начинает гореть при постоянном объеме, а сгорание заканчивается при постоянном давлении. Анализ цикла со смешанным подводом теплоты включает элементы изохорного и изобарного циклов.
Выражение термического КПД смешанного цикла имеет вид:
(5.5)
Сравнение циклов поршневых ДВС
Сравнение циклов поршневых двигателей проводят при одинаковых максимальных давлениях и равных перепадах температур, так как именно эти условия в действительности определяют конструктивные особенности двигателей, их прочность, надежность в эксплуатации.
Для сравнения циклов их изображают совмещено в Ts координатах, рис.5.6,
где цикл 12341 – изохорный;
цикл 12′′341 – изобарный;
цикл 12′ 3′ 341 – смешанный.
Рис. 5.6
Для анализа запишем в виде: .
Здесь числитель – полезно используемая теплота цикла, она эквивалентна площади изображенных циклов. Знаменатель – отведенная теплота, она оди-
накова для всех циклов. Из рис.5.6 наглядно видно, что термический КПД изобарного цикла самый максимальный из рассматриваемых.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 1668;