14. Цикл Отто.

Цикл Отто — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, цикл бензинового двигателя. Назван в честь немецкого инженера Николауса Отто.

Идеальный цикл Отто состоит из четырёх процессов:

pV- диаграмма цикла Отто

· 1—2 адиабатное сжатие рабочего тела;

· 2—3 изохорный подвод теплоты к рабочему телу;

· 3—4 адиабатное расширение рабочего тела;

· 4—1 изохорное охлаждение рабочего тела.

КПД цикла Отто

где — степень сжатия,

— показатель адиабаты.

Идеальный цикл лишь приблизительно описывает процессы, происходящие в реальном двигателе, но для технических расчётов в большинстве случаев точность такого приближения удовлетворительна.

15. Цикл Дизеля.

Цикл Дизеля — это теоретический цикл двигателей с пневматической подачей топлива в сжатый воздух над поршнем и его самовоспламенением от высокой температуры сжатого воздуха (компрессорных дизелей). Схема двигателя мало отличается от схемы двигателя Отто, только вместо электрозапального устройства устанавливается форсунка для подачи топлива. Линия 0—1 соответствует такту всасывания воздуха, линия 1—2 — такту сжатия, линия 2—3 — сгоранию поданного в конце процесса сжатия топлива.

В случае образования горючей смеси внутри цилиндра требуется больше времени для сгорания топлива, поскольку оно включает в себя время впрыска и время испарения топлива, образования смеси

Индикаторная диаграмма ДВС с пневматической подачей топлива

В отличие от двигателя Отто это время соизмеримо с временем перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней, поэтому сгорание топлива идет при совершении поршнем рабочего хода. Давление в процессе горения меняется мало. После сгорания топлива происходит расширение продуктов сгорания — линия 3—4, выхлоп — 4—5 и выталкивание отработанных газов — 5—1. Разграничивающие процессы точки на диаграмме условны, поскольку между процессами нет четкой границы.

Процесс сгорания топлива представляем изобарным процессом с подводом теплоты 2—3; процессы выхлопа и выталкивания отработанных газов и всасывания воздуха представляем изохорным процессом с отводом теплоты 4—1. Процессы сжатия воздуха и расширения продуктов сгорания считаем адиабатными. Рабочее тело — идеальный газ с постоянными свойствами. Все процессы обратимые.

Термический КПД цикла Дизеля:

Из полученного выражения следует, что термический КПД цикла возрастает с увеличением степени сжатия 8 и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения р.

16. Цикл Тринклера

Цикл Тринклера (или цикл Сабатэ) является гибридом циклов Отто и Дизеля. В нём осуществляется смешанное сгорание (смешанный подвод теплоты). У двигателей работающих по этому циклу имеется форкамера, соединённая с рабочим цилиндром.

Воздух адиабатно сжимаемый в рабочем цилиндре (процесс 1-2), сжимается в форкамере, в которую подаётся топливо. Топливо смешивается со сжатым воздухом, воспламеняется, и часть его быстро сгорает в небольшом объёме форкамеры (процесс 2-3). Сгорание части топлива приводит к повышению давления, и поэтому смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкивается в рабочий цилиндр. Здесь происходит догорание остатков топлива при приблизительно постоянном давлении, так как этот процесс приводит к перемещению поршня (процесс 3-4).

Цикл Тринклера: а) в рабочей диаграмме; б) в тепловой

После окончания сгорания топлива происходит рабочий ход поршня – адиабатное расширение (процесс 4-5) продуктов сгорания. Затем в процессе 5-1 выполняется выталкивание продуктов сгорания - изохорный процесс отвода тепла q₂. Цикл со смешанным подводом теплоты имеет две части процесса сгорания: сначала теплота подводится в результате быстрого изохорного сгорания части топлива в форкамере, затем осуществляется изобарный процесс медленного догорания остатков топлива в рабочем цилиндре.

В отличие от двигателя Дизеля двигатель Тринклера не нуждается в компрессоре высокого давления для распыла жидкого топлива, которое распыляется струёй сжатого воздуха. И при этом в этом цикле сохраняется преимущество цикла Дизеля, так как часть процесса сгорания – изобарный процесс.

Термический КПД цикла Тринклера:

Это выражение при отсутствии изобарного процесса (r = 1) превращается в уравнение термического кпд цикла Отто, а при отсутствии изохорного процесса (l = 1) превращается в уравнение термического кпд цикла Дизеля.

17. Цикл ГТУ с подводом теплоты при P = const.

Газотурбинные установки относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется на турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

К числе возможных идеальных циклов ГТУ относят:

а) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) - цикл Брайтона;

б) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

в) цикл с регенерацией теплоты.

Во всех циклах ГТУ отвод теплоты при наличии полного расширения в турбине происходит при постоянном давлении.

Обратимый цикл ГТУ при p=const называется циклом Брайтона. Схема ГТУ представлена нижу. Компрессор (ВК), приводимый в движение газовой турбиной (ГТ), подает сжатый воздух в камеру сгорания (КС), в которую впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом (ТН), находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

Схема ГТУ (ВК – воздушный компрессор, ТН – топливный насос, КС – камера сгорания, ГТ – газовая турбина, ЭГ – электрогенератор)

Цикл Брайтона. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре,

2-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания,

3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой турбины,

4-1 – изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу.

18. Цикл ГТУ с подводом теплоты при P = const и регенерацией.

В целях повышения термического КПД газотурбинной установки применяют регенеративные устройства. На рисунке показана принципиальная схема такого рода газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты. Регенерация заключается в том, что отработавшие газы турбины используются на подогрев воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания.

Цикл ГТУ с регенерацией состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 - нагревание воздуха от продуктов сгорания в регенераторе при p = const; 5-3 - подвод теплоты q₁ в камере сгорания при p = const; 3-4 - адиабатное расширение в газовой турбине; 4-6 - отвод теплоты от продуктов сгорания в регенераторе при p = const; 6-1 - отвод теплоты q₂ от рабочего тела при p = const.

На рисунке в координатах рv и Тs показан цикл газотурбинной установки с полной регенерацией теплоты. Как следует из диаграммы Ts, удельная теплота, подводимая на участке 2—4' изобары р₂, равна удельной теплоте, отводимой на участке 2'—4 изобары р₁. Эти количества теплоты (обозначенные q_р) равны друг другу, и, что особо важно, процессы отвода и подвода теплоты происходят в одинаковых температурных условиях (в пределах температур от Т₂ до Т₄). Поэтому возможно путем введения в цикл специального теплообменника передать теплоту, отводимую на участке 7—4 от отработавших газов турбины, воздуху, нагнетаемому в камеру сгорания.

Цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Термический КПД рассматриваемого цикла:

Полнота совершающейся регенерации оценивается значением отношения

называемого степенью регенерации.