Циклы поршневых двс кпд
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
ДВС – тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую энергию.
Классификация:
1) по роду топлива:
– жидкостные;
– газовые;
2) по виду преобразования энергии:
– поршневые;
– турбинные;
– реактивные;
– комбинированные;
3) по рабочему циклу:
– непрерывного действия;
– двухтактные;
– четырехтактные;
4) по способу приготовления рабочей смеси:
– с внешним смесеобразованием (карбюраторные);
– с внутренним смесеобразованием (дизельные);
Все современные поршневые ДВС делятся на три группы:
– с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме;
– с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении;
– со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении.
Основными характеристиками цикла ДВС являются:
1) степень сжатия – отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия:
2) степень повышения давления – отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты:
3) степень предварительного (изобарного) расширения – отношение объемов в конце и начале изобарного процесса подвода теплоты:
4) термический КПД – отношение количества теплоты, превращенного в работу за один цикл, ко всей теплоте, подведенной к рабочему телу:
Принцип действия четырехтактного поршневого двигателя:
Наглядно можно проследить на индикаторной диаграмме, снятой с помощью специального прибора – индикатора.
При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) вниз при открытом впускном клапане совершается такт всасывания I. В нижней мертвой точке (НМТ) впускной клапан закрывается, и поршень перемещается вверх, совершая такт сжатия II. Вблизи ВМТ топливо воспламеняется, и давление резко увеличивается. После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт) III. Вблизи НМТ открывается выпускной клапан, давление падает, и при движении поршня от НМТ к ВМТ отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа – IV).
Индикаторная диаграмма показывает работу реального двигателя. В действительности термодинамика рассматривает не реальные процессы, а идеальные обратимые циклы, поэтому в термодинамических циклах поршневых ДВС такты впуска и выпуска (I и IV) не рассматриваются (основные параметры не меняются, а изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре).
Теоретические циклы поршневых ДВС
1) Цикл с изохорным подводом теплоты (υ = const) – цикл Отто
Топливо: бензин, генераторный газ, спирты.
Состоит из двух адиабат и двух изохор.
1 – 2 – адиабатное сжатие;
2 – 3 – изохорный подвод теплоты;
3 – 4 – адиабатное расширение;
4 – 1 – изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень сжатия:
Степень повышения давления:
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Работа цикла:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. С увеличением показателя адиабаты и степени сжатия КПД увеличивается.
Однако максимальная степень сжатия для двигателей с циклом Отто составляет 9 – 10 и ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси.
Достоинство цикла: массогабаритный показатель.
2) Цикл с изобарным подводом теплоты (р = const) – цикл Дизеля
Топливо: нефть, мазут.
Отличие от цикла Отто: воздух и топливо подаются в цилиндр раздельно. Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а затем впрыскивается топливо (с помощью компрессора).
Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры.
1 – 2 – адиабатное сжатие;
2 – 3 – изобарный подвод теплоты;
3 – 4 – адиабатное расширение;
4 – 1 – изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень сжатия:
Степень предварительного расширения:
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Работа цикла:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от степени сжатия, рода рабочего тела, степени предварительного расширения. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты КПД растет, с увеличением степени предварительного расширения КПД снижается.
Максимальная степень сжатия (воздуха, а не топливовоздушной смеси, как в цикле Отто) составляет 18 – 20. Поэтому КПД цикла Дизеля больше. Однако, при одинаковых степенях сжатия в цикле Отто КПД больше, чем в цикле Дизеля.
При одинаковой отведенной теплоте подведенная теплота в цикле Отто (2 – 3) при υ = const больше, чем при р = const (2 – 3′) в цикле Дизеля (максимальная температура горения Т3 > Т’3)
Недостаток: усложнение конструкции из-за компрессора, увеличение веса.
3) Цикл со смешанным подводом теплоты (р, υ = const) – цикл Тринклера
Отличие от циклов Отто и Дизеля: бескомпрессорный двигатель высокого сжатия.
Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в цилиндр в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо воспламеняется и горит в течение всего времени, пока открыта форсунка: в начале при υ = const, а затем р = const.
Состоит из двух адиабат, изобары и двух изохор.
1 – 2 – адиабатное сжатие;
2 – 3′ – изохорный подвод теплоты;
3′ – 3 – изобарный подвод теплоты;
3 – 4 – адиабатное расширение;
4 – 1 – изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень сжатия:
;
Степень повышения давления:
;
Степень предварительного расширения:
;
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от рабочего тела, от степеней сжатия, повышения давления и предварительного расширения. С увеличением показателя адиабаты, степени сжатия и степени повышения давления КПД растет, а с увеличением степени предварительного расширения КПД падает.
©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-04-04 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
Источник
Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? | 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
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. |
Источник
Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания
Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.
Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.
Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода – вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.
***
Цикл Отто
Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия – в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.
В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.
Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.
Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает “превращаться” в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.
Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.
Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.
***
Цикл Дизеля
Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.
Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе “Л.Нобеля” показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.
Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает “убежать” от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).
Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.
По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.
Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.
Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного (“чистого”) дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.
Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ – Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по “чистому” циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.
***
Цикл Сабатэ – Тринклера
Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.
В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.
Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).
Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.
Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ – Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.
Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей – 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.
Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.
***
Сравнение эффективности идеальных циклов
Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).
Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.
Следует отметить, что на диаграмме T-s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.
Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.
Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T-s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.
Здесь отрезки 1-2, 1-2′ и 1-2″ изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2-3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2′-3 – изобарный в цикле Дизеля, 2″-3′ и 3′-3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3-4 и изохорный отвод теплоты 4-1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.
Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.
Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T-s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.
***
Термодинамика поршневого двигателя
Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине “Основы гидравлики и теплотехники”
(в формате Word, размер файла 68 кБ)
Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине “Основы гидравлики и теплотехники” (в формате Word):
- для специальности СПО “Механизация сельского хозяйства”
- для специальности СПО “Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта”
Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине “Основы гидравлики и теплотехники” (в формате Word):
- для специальности СПО “Механизация сельского хозяйства”
- для специальности СПО “Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта”
Источник