Цикл со смешанным подводом тепла

Наиболее общий случай. Называется еще циклом Г.В. Тринклера (русский инженер, впоследствии профессор Горьковского института водного транспорта, в 1904 г. получил патент на подачу топлива к форсунке специальным топливным насосом под высоким давлением в десятки Мпа и упразднил необходи­мость компрессора для распыливания топлива – бескомпрессор­ный дизель). Называется также цикл Сабатэ.

При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. открывается впускной клапан 4 через который засасывается воздух, постепенно заполняющий цилиндр (линия 2»- I).

При достижении поршнем н.м.т. клапан 4 закрывается и поршень начинает двигаться обратно во направления к в.м.т, и при этом сжимает засосанный воздух, чему соответствует адиабатный процесс 1-2. Температура воздуха при этом повышает­ся сверх температуры воспламенения топлива.

Рис. 16.2. Цикл со смешанным подводом тепла

Когда поршень приходит в в.м.т. специальным топливным насосом (чаще плунжерным) в цилиндр под высоким давлением (30 – 40 Мпа) впрыски­вается мелко распыленное жидкое топливо ( дизельное, моторное) которое самовоспламеняется, в результате чего давление ТРТ увеличивается настолько быстро, что объем его практически не изменяется и соответствующий процесс отображается изохорой 2-3; затем при обратном ходе поршня к н.м.т. горение топлива на некотором участке хода поршня (до точки 3' ) происходит при неизменном давлении, чему в цикле соответствует изобарный процесс 3-3'. По достижении поршнем положения, соответст­вующего на диаграмме точке 3', подача топлива прекращается и дальнейшее движение поршня к н.м.т. происходит под дейст­вием расширяющихся продуктов сгорания (в основном газа CO₂ и пара Н₂О), чему соответствует адиабатный процесс 3'- 4.

По достижении поршнем н.м.т. открывается выпускной клапан 5 и давление газов в цилиндре выравнивается с давлением окружающей среды. В цикле этот процесс отображается изохорой 4-1. При обратном ходе поршня к в.м.т. происходит выталкива­ние продуктов сгорания из цилиндра через клапан 5 (линия 1-2»). После того, как поршень достигнет в.м.т. начинается повторение описанных выше процессов. Рассмотренный процесс работы ДВС происходит за четыре хода поршня (два оборота вала). Поэтому они называются четырехтактными.

Рис. 16.3. TS-диаграмма

Можно осущест­вить его и за два хода поршня (один оборот) путем установки специального продувочного насоса 2 соответствующего конструк­тивного оформления цилиндра. Такие двигатели называются двухтактными. Используются, например в мотоциклах, где такты всасывания и выталкивания заменяются поступлением ра­бочего тела и удалением его из цилиндра через специальные окна, заменяющие всасывающие и выхлопной клапаны и не закрываемые движущимся поршнем.

Считается, что различие природы воздуха и продуктов сгорания несущественно и его не учитывают.

Кроме того, из рисунка 16.3 следует, что численно работа всасывания и выталкивания, выражаемые одной и той же площадью 2»- 1 -1' – 2' равны, но обратны по знаку, и, т.к. процессы впуска воздуха и выпуска отработавших газов (насосные ходы поршня, первый и четвертый также) являются процессами чисто механическими, а не термодинамическими, то их также не учитывают.

Что же касается совокупности остальных процессов, то их мы будем рассматривать как идеальный цикл с рабочим телом в виде 1 кг идеального газа, происходящий с подводом и отводом тепла в условиях равновесных процессов, образующих цикл.

Тогда можно считать, что идеальный цикл двигателя склады­вается из следующих процессов:

а) адиабатного, при котором в результате сжатия давле­ние ТРТ изменяется от до , удельный объем от до и температура от до . Этот процесс на диаграмме отображается адиабатой 1-2. Характеристикой его является отношение объема в начале сжатия к объему в конце сжатия, которое называют степенью сжатия :

, (16.1)

б) изохорного, при котором ТРТ сообщается тепло и при котором давление в цилиндре возрастает от до , а температура от до . Количество сообщаемого тепла равно:

, . (16.2)

Процесс отображается изохорой 2-3, а количество подведенного тепла на ТS –диаграмме выражается площадью 1' – 2 – 3 – 3». Этот процесс характеризуется отношением давлений в начале и в конце изохорного процесса 2-3, которое называют степенью повышения давления

(16.3)

в) изобарного (процесс 3 – 3' ), при котором удельный объем изменяется от до , а температура - от до . Этот процесс характеризуется отношением объемов, соответствующих его началу и концу, которое называют степенью предварительного расширения :

(16.4)

Количество сообщаемого в процессе тепла выражается так:

, . (16.5)

На ТS – диаграмме этому количеству тепла соответствует площадь 3 – 3' - 4' – 3''.

Г) адиабатного (процесс 3' – 4), при которой давление ТРТ в результате расширения изменяется от до , удельный объем от до , и температура до ;

д) изохорного (процесс 4-1), при котором , и приобретают исходные значения.

Количество отводимого в этом процессе тепла определяется выражением

, (16.6)

На ТS – диаграмме этому количеству тепла соответствует площадь 4 – 4' - 1' – 1.

Выведем формулы, служащие для определения параметров ТРТ в состояниях, отображаемых характерными точками 2, 3, 3' и 4, полагая, что состояние его, отображаемое точкой 1, известно, а также известны величины , и .

Для адиабатного сжатия (процесс 1-2) справедливо

или (16.7)

или (16.8)

Для изохорного процесса 2-3 справедливо

, (16.9)

откуда

, (16.10)

. (16.11)

Для изобарного процесса 3 – 3' справедливо (16.12)

(16.13)

Для адиабатного расширения (процесс 3' - 4) справедливо

или , (16.14)

или . (16.15)

Для изохорного процесса 4-1 справедливо . В то же время из предыдущего следует, что или .

Отсюда получаем

и (16.16)

и (16.17)

Полезная работа идеального цикла определяется заштрихованной на рисунке площадью. Видно, что эта площадь складывается из работы изобарного расширения (площадь 3 – 3' – 3'» – 2') и работы адиабатного расширения (площадь 3' – 4 – 1' – 3'»), за вычетом работы адиабатного сжатия (площадь 1 – 2- 2' – 1' ). Если подставить ранее приведенные аналитические выражения работы указанных выше процессов, то можно просто получить уравнения для выражения работы цикла для 1 кг и для М кг рабочего тела.

Количество тепла , полезно использованного в цикле на совершение полезной работы, определяется заштрихованной на TS – диаграмме площадью.

Количество подводимого в цикле тепла отводимого .

Теоретически полезная работа, получаемая в результате совершения смешанного цикла, может быть рассчитана как: , или как разность работ расширения и сжатия .

Для определения цикла служит общая формула , которая, с учетом выражений (16.2), (16.5) и (16.6), принимает вид

Поделив числитель и знаменатель в этой формуле на и учтя, что , ее можно привести к виду . зависит от физических свойств рабочего тела, на что указывает присутствие в формуле коэффициента k , однако он изменяется в узких пределах, и его влияние невелико. В этой формуле по уравнениям (16.10) и (16.13) и , по уравнению (16.7) , а по уравнению (16.14) , и, следовательно, .

Итак, подставив найденные значения , и , выраженные через , получим: , и после умножения числителя и знаменателя второго члена на и сокращения дроби на , получим

. (16.18)

Откуда следует, что термический к.п.д. цикла со смешанным подводом тепла тем больше, чем больше степень сжатия и степень повышения давления , и тем меньше, чем больше степень предварительного расширения .

Здесь в цилиндре сжимается только чистый воздух, поэтому в двигателях этого типа допускаются высокие степени сжатия ( ).Значения при этом достигают .

Иногда цилиндр двигателя имеет специальную предкамеру (форкамеру), расположенную в торцевой части его и соединенную с рабочим объемом цилиндра одним или несколькими узкими каналами.

Во время сжатия воздуха давление в цилиндре возрастает быстрее, чем давление в форкамере; за счет разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра в форкамеру, который распыливает впрыскиваемое сюда топливо. При достижении температуры самовоспламенения сильно обогащенная топливовоздушная смесь вспыхивает, направление потока меняется и смесь продуктов сгорания, воздуха и несгоревших в форкамере паров топлива (Т = 1500 – 180О°С) устремляется в цилиндр. Сильное вихреобразование обеспечивает хорошее перемешивание топлива с воздухом, образуя однородную смесь, сгорающую в цилиндре при .

Рис. 16.4. Форкамера