Циклы двигателей внутреннего сгорания

В двигателе внутреннего сгорания (д.в.с.) в результате сгорания топлива в цилиндре возрастает давление продуктов сгорания, которое передается на поршень, поступательное движение которого при помощи кривошипно-шатунного механизма превращается во вращательное движение коленчатого вала. Характер действительных процессов в этих двигателях отражают так называемые индикаторные диаграммы.

Для термодинамического анализа действительные процессы, протекающие в д.в.с., заменяют обратимыми термодинамическими процессами, а также считают, что в цилиндре на протяжении всего цикла количество и состав рабочего тела (газа) неизменны. Теплоемкость рабочего тела принимается не зависящей от температуры, а само рабочее тело рассматривается как идеальный газ.

С термодинамической точки зрения двигатель внутреннего сгорания, как и любой тепловой двигатель, должен был бы работать по циклу Карно, обладающему самым высоким термическим к.п.д. в заданном интервале температур Т_max – Т_min. Однако вследствие конструктивных трудностей двигатель внутреннего сгорания, в котором сообщение и отвод теплоты происходили бы по изотермам, создать не удалось.

Практически наиболее удобным оказалось подводить теплоту по изохоре либо по изобаре или по смешанному способу – изохоре и изобаре. В соответствии с этим для д.в.с. разработаны три теоретических цикла, имеющих практическое значение:

1. с подводом теплоты при v = const;

2. с подводом теплоты при p = const;

3. со смешанным подводом теплоты при v = const и p = const.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) является прототипом рабочего процесса в двигателях с посторонним зажиганием (автомобильных, авиационных и др.).

Циклы газовых турбин и реактивных двигателей

Существенным недостатком двигателей внутреннего сгорания является возвратно-поступательное движение поршня, что не позволяет строить поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. В газовой турбине, как и в д.в.с., рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением колеса под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы, измеряемой на рисунке .

В качестве простейших циклов газотурбинных установок (г.т.у.) приняты: цикл с изобарным подводом теплоты и цикл с изохорным подводом теплоты. Эти циклы отличаются от соответствующих циклов д.в.с. процессом отвода теплоты – изохорный процесс отвода заменен изобарным. Современные г.т.у. в основном работают с изобарным подводом теплоты (рисунок ).

Теоретический цикл г.т.у. с изобарным подводом теплоты (рисунок ) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1 – 2 в компрессоре 1 (см. рисунок), процесса изобарного подвода теплоты 2 – 3 в камере сгорания 2, процесса адиабатного расширения 3 – 4 продуктов сгорания в соплах 3 и преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках 4, процесса отвода теплоты 4 – 1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении Р₁.

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины l_T (пл. 34 Р₁Р₂3) и технической работой, затраченной на привод компрессора l_K (пл. 12 Р₂Р₁1), т.е. l₀ = l_T – l_K = пл. 12341, (рисунок ). Эта же полезная работа равна теплоте q₀, которая вычисляется как разность между количеством подведенной теплоты q₁ (пл. 23s₄s₁2) и отведенной q₂ (пл. 41s₁s₄4), т.е. q₀ = q₁ – q₂ = пл. 12341 (рисунок ).

Термический к.п.д. цикла г.т.у. можно определить из общего выражения

Для адиабат 1 – 2 и 3 – 4, можно записать:

где – степень повышения давления в адиабатном процессе сжатия.

Тогда

Как следует, термический к.п.д. цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты увеличивается с увеличением степени повышения давления.