9. Цикли теплових двигунів

9.1. Цикли поршневих двигунів внутрішнього згорання (двз)

Робочим тілом ДВЗ є суміш газів, що утворюються при згоранні палива. Джерелом теплоти високої температури є паливо, яке згорає в циліндрі. При розширенні продуктів згорання теплота згорання палива частково перетворюється в роботу, а решта віддається в навколишнє середовище.

Уся різниця в існуючих двигунах залежить від того, за яким термодинамічним процесом здійснюється підведення теплоти:

– в ізохорному процесі – цикл Отто;

– в ізобарному процесі – цикл Дизеля;

– в ізохорно-ізобарному – цикл Тринклера.

Термодинамічний замкнутий зворотний цикл для ДВЗ можна побудувати тільки за наступних умов:

– продукти згорання палива вважати ідеальним газом;

– знехтувати аеродинамічним опором при проходженні газів через впускний і випускний клапани й не враховувати процеси заповнення циліндра газом та виштовхуванням його із циліндра;

– вважати процес згорання палива (підведення теплоти) і випуску газів в атмосферне повітря (відведення теплоти) зворотними термодинамічними процесами;

– вважати процеси стискування й розширення адіабатними і зворотними.

На рис.16 показаний у Р-υ і T-S - координатах ідеальний цикл ДВЗ з ізохорним підведенням теплоти q₁ у процесі 2-3 та ізохорним відведенням теплоти q₂ у процесі 4-1.

Рис.16. Цикл Отто в р-υ і T-S - координатах

Характеристиками циклу є такі параметри:

−показник стискування; − показник підвищення тиску.

Кількість підведеної теплоти q₁ і відведеної теплоти q₂ визначається за залежностями

q₁ = C_mυ(T₃ – T₂); q₂ = C_mυ(T₄ – T₁), кДж/кг. (111)

Термічний коефіцієнт корисної дії циклу

. (112)

Вираз (112) одержаний із урахуванням рівняння адіабатного процесу

. (113)

Термічний коефіцієнт корисної дії залежить від показника стискування й виду робочого тіла (показника адіабати k) і тим більший, чим більший показник стискування. Збільшення “ k “ приводить до збільшення ККД.

Для запобігання передчасному спалахуванню горючої суміші ε = 5...8 для бензинових двигунів ε = 9...12 для газових. Із збільшенням антидетонаційних властивостей палива показник стискування може бути підвищеним. Темпера-. тура Т₂після стиснення збільшується,і її значення обчислюють за рівнянням

Т₂=Т₁ε^k-1, ^оК. (114)

Температура Т₂ не повинна бути більшою за температуру спалахування горючої суміші.

Перший ДВЗ з ізохорним підведенням теплоти був збудований у 1876 р. німецьким винахідником Н.Отто. Наближене до ізохорного процесу підведення теплоти вдається досягти за рахунок дуже швидкого процесу спалахування і миттєвого згорання горючої суміші у циліндрі, поршень при цьому не встигає переміститись із лівого крайнього положення в праве.

У двигунах із підведенням теплоти при р=соnst здійснюється роздільне стиснення палива і повітря, що запобігає саме спалахуванню й дає можливість одержати високий показник стиснення. Тиск у кінці стиснення становить 3-4 МПа і температура 600-800^о С. Показник стискування вибирають так, щоб температура повітря в циліндрі була меншою за температуру спалахування палива. Тоді воно спалахує й горить при р = сonst у період роботи форсунки.

Ідеальний цикл Дизеля показаний на рис.17. У процесі 1-2 повітря стискується в компресорі адіабатно до тиску Р₂.

Рис.17. Цикл Дизеля в Р– υ і Т– S - координатах

У процесі 2-3 згорає паливо і підводиться теплота q₁ при р₁ = const (за рахунок більш повільного згорання дизельного палива порівняно з бензином), в адіабатному процесі 3-4 робоче тіло розширюється і здійснює роботу, в процесі 4-5 теплота відводиться в навколишнє середовище при υ = const.

Характеристики циклу:

−показник стискування; − показник попереднього розширення.

Кількість підведеного тепла: q₁=C_mр(T₃ – T₂);

кількість відведеного тепла: q₂=C_mυ(T₄ – T₁).

Термічний ККД циклу

. (115)

Термічний ККД циклу залежить від показника стискування, показника попереднього розширення й показника адіабати, при ε = 10 і γ = 2,5 – η=0,46, при ε = 20 та γ = 2,5 – η = 0,56. Величина ε повинна забезпечити умови відсутності самоспалахування палива.

Перший компресорний двигун із процесом згорання при р=const був побудований у 1895р. німецьким інженером Р.Дизелем.

Цикл із підведенням теплоти при р=const має більший термічний ККД порівняно з циклом із підведенням теплоти при υ=const.

Але на приведення в дію компресора для подачі палива витрачається до 6-10% загальної потужності двигуна. Двигуну зі змішаним підведенням теплоти частково при υ = const, а частково при р = const не потрібен компресор. Подача палива в ньому здійснюється за допомогою насоса, витрати на привід якого значно менші. У такому двигуні попереднє часткове спалювання палива проходить у форкамері приυ = const. Спалахування палива відбувається від повітря, стиснутого в циліндрі до відповідної температури (процес 3-4). Догорання палива проходить у циліндрі (процес 3-4). У результаті поршень переміщується прир = const. Після згорання палива відбувається адіабатне розширення продуктів згорання (процес 4-5). Після цього продукти згорання видаляються в атмосферу приυ = const(процес 5-1). Таким чином, стиснення повітря відбувається в адіабатному процесі 1-2, а підведення теплоти – в процесах 2-3 і 3-4.

Зображення циклу в р-υ і T-S - координатах представлене на рис. 18.

Характеристики циклу:

−показник стиснення; −показник попереднього розширення;

−показник підвищення тиску.

Кількість підведеної теплоти: q₁ = C_mυ(T₃ – T₂) + C_mр(T₄ – T₃);

кількість відведеної теплоти: q₂ = C_mυ(T₅ – T₁).

Рис.18. Цикл Тринклера в р-υ і T-S - координатах

Термічний ККД циклу

. (116)

ДВЗ, для яких ідеальним циклом є цикл з ізохорно-ізобарним підведенням теплоти, називається безкомпресорним дизелем. ККД для такого циклу збільшується зі зростанням показника стискування ε і показника підвищення тиску λ. При ε=18...20 значення ККД досягає 0,65...0,7.

Патент на безкомпресорний дизель був виданий у 1904 р. російському інженерові Г.Тринклеру. Всі сучасні дизелі виконуються безкомпресорними.