Анализ идеальных циклов поршневых ДВС

Приступая к изучению двигателей внутреннего сгорания, необходимо иметь четкое представление о термодинамических свойствах того или иного типа двигателя, их КПД в зависимости от ограничений, накладываемых условиями эксплуатации. Такое представление можно получить, рассматривая идеальные циклы ДВС.

Идеальный цикл представляет собой упрощенную термодинамическую схему рабочего цикла, не имеющую потерь энергии, кроме неизбежной передачи тепла холодному источнику. Идеальный цикл — это ориентир, к которому нужно стремиться. При этом практический интерес представляет КПД цикла и параметры, его определяющие.

Цикл поршневого двигателя со смешанным подводом тепла

Запомните основные черты идеальных циклов:

  • а) рабочее тело в цикле — идеальный газ;
  • б) количество идеального газа постоянно;
  • в) сжатие и расширение газа происходит по адиабате;
  • г) процессы горения топлива Расчет процесса горения топлива и газовыделения условно заменяется процессами подвода и отвода теплоты при постоянном давлении или постоянном объеме.

И двухтактные, и четырехтактные двигатели имеют одинаковые идеальные циклы.

Из курса термодинамики известно, что для современного поршневого дизеля с непосредственным впрыском топлива в цилиндр идеальным циклом является смешанный подвод тепла (рис. 1).

Анализ идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Рис. 1 Цикл со смешанным подводом тепла

В верхней части рисунка показан цикл в осях давление-объем, где площади под кривыми численно равны работе в процессе расширения или сжатия. В нижней части рисунка цикл изображен в осях «температура — энтальпия», где площади под кривыми численно равны количеству присоединяемого или отводимого тепла. Подвод тепла в цикле осуществляется частью при постоянном объеме (для теплоты q1 определяется площадью ocz1n1), частью при постоянном давлении (доля q2 определяется площадью n1z1zn). Отводимое тепло q3 определяется площадью oabn.

Тепловой КПД цикла:

ηt = 1– q3q1+q2 Форма. 1

где:

  • q1 – количество подведенного тепла (площадь ocn на диаграмме ТС);
  • q3 – количество теплоты, переданное холодному источнику (площадь abno).

Доли присоединенного и отведенного тепла, выраженные через теплоемкость газа Cv и Cp и температуры в точках цикла, равны:

q1 = CvTz1–Tc;

q2 = Cp(Tz–Tz1);

q3 = Cv(Tb-Ta); Форма. 2

Выразим температуры через параметры цикла:

Tc = Taεk–1;

Tz1 = Tc λ = Ta εk–1;

Tz = Tz1 ρ = Ta εk–1 λρ;

Tb = Tzρ/εk–1 = Ta εk–1λρρ/εk–1 = Taλρk. Форма. 3

Выполнив преобразования исходной зависимости (формула 1), учитывая заданные равенства, находим:

ηt = 1–1εk–1 λρk–1λ–1+kλρ–1, форм. 4

где:

  • k = Cp/Cv — показатель адиабаты.
  • ε — степень сжатия;
  • λ – степень повышения давления;
  • ρ – степень предварительного расширения.

Если принять ρ = 1, формула расчета становится справедливой для идеального цикла карбюраторного двигателя (цикл быстрого сгорания). При λ = 1 формула справедлива для «дизельного» цикла (компрессорный дизельный цикл с впрыском топлива и сгоранием при постоянном давлении).

Рекомендуемая литература: последовательно-параллельный комбинированный наддув

Как видно из приведенной выше зависимости, для любого идеального цикла тепловой КПД увеличивается с увеличением степени сжатия ε. При равной степени сжатия более высокий КПД имеет цикл быстрого сгорания, минимальный КПД – «дизельный» цикл.

Однако в дизеле степень сжатия в 1,5-2 раза больше, чем в карбюраторном двигателе, где ε лимитируется детонационными качествами топлива (бензина), что фактически дает более высокие значения ηt для дизелей.

Что касается максимальных значений степени сжатия для дизельных двигателей, то значения ε ограничены требованиями к механическим нагрузкам двигателя. Чем выше степень сжатия, тем выше давление сжатия и, следовательно, давление сгорания в цилиндре, тем больше механические напряжения в деталях.

Если выдвинуть требования — при сравнении циклов исходить из одинакового давления сгорания, то более экономичным оказывается «компрессорный» дизельный цикл, далее следует цикл со смешанным подводом тепла; цикл быстрого горения имеет минимальный тепловой КПД. Этим положением объясняется тенденция изменения показателей рабочего процесса и корректировки современных дизелей по мере их форсирования — ограничения по механическим напряжениям заставляют изменить цикл со смешанным подводом теплоты в сторону цикла горения при постоянном давлении (уменьшить долю q1 и увеличить долю q2). Реально это делается уменьшением угла опережения подачи топлива и даже перемещением всего впрыска топлива за пределы ВМТ.

Идеальный цикл комбинированного двигателя

Современный дизельный агрегат представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором ТК (газовая турбина с компрессором, сидящим с ним на одном валу, рис. 2). Газы совершают полезную работу сначала в цилиндре (за счет перемещения рабочего поршня), а затем в газовой турбине. Если газовая турбина отдает часть полезной работы на общий фланец отбора мощности, то такой двигатель вполне можно назвать комбинированным.

Анализ идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Рис. 2 Компоновка комбинированного двигателя

На самом деле в современных двигателях газовая турбина используется только для привода воздушного компрессора, который подает в цилиндры воздух под более высоким давлением, чем давление окружающей среды. Энергия газов, преобразованная в механическую работу в газовой турбине, передается воздуху в компрессоре и при отсутствии воздушного охлаждения возвращается в цилиндр. Двигатель с такой компоновкой использования энергии условно можно назвать комбинированным.

Идеальный мотоцикл в осях ПВ приведен на рис. 3, в осях ТС на рис. 4. Он состоит из цикла acz1zb смешанного горячего поршневого двигателя и упрощенного цикла турбонагнетателя без воздушного охлаждения bmoa.

Анализ идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Рис. 3 Комбинированный мотоцикл на схеме PV

В цикле ТК указано:

  • bm – адиабатическое расширение рабочего тела в газовой турбине;
  • mo – теплоотдача к холодному источнику q3 при P = const (истечение газа из газовой турбины при постоянном давлении);
  • oa – адиабатическое сжатие воздуха в компрессоре;

В осях ПВ полезная работа определяется площадью диаграммы.

Будет интересно: Последовательный комбинированный наддув

Как видно из рисунка 3, полезная работа комбинированного двигателя acz1zbmo при прочих равных условиях больше полезной работы цикла поршневого двигателя acz1zb на величину, определяемую площадью bmoa.

Поскольку количество подводимой теплоты считается постоянным, то полезная работа увеличивается за счет уменьшения количества отводимой теплоты. Это видно из рис. 4, где уменьшение отводимого тепла по сравнению с циклом поршневого двигателя указано заштрихованной площадью bmoa.

Анализ идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Рис. 4 Комбинированный цикл двигателя на схеме ТС

Определим тепловой КПД идеального цикла парогазового двигателя. Для этого обозначим:

  • εΣ = Vo/Vc

    — суммарная степень сжатия в компрессоре и в цилиндре;

  • Δδ = Vm/Vo — отношение объема газа на выходе из турбины к объему газа на входе в компрессор..

Остальные обозначения такие же, как и в циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания. Затем:

ηt = 1–q3/q1+q2. Форма. 5

Потому что:

q1 = CvTz1–Tc;

q2 = CpTz–Tz1;

q3 = CpTm-два. Форма. 6

а температуры определяются равенствами:

Tc = Toεk–1;

Tz1 = Tcλ = ToεΣk–1λ;

Tz = Tz1ρ = ToεΣk–1λρ;

Tb = TzVz/Vbk–1 = ToλρkVo/Vbk–1;

Tm = TbVb/Vmk–1 = Toλρk1/∆δk–1; Форма. 7

что:

ηt = 1–CpToλρk1/∆δk–1–1CvToεΣk–1λ–εΣk–1+CpToεΣk–1λρ–εΣk–1. Форма. 8

Учитывая, что Cp/Cv = k и выполняя алгебраические преобразования, окончательно получаем:

ηt = 1–1εΣk–1 kλρk1/∆δk–1–1λ–1+kλρ–1. Форма. 9

Из этого уравнения видно, что тепловой КПД комбинированного двигателя зависит от тех же факторов, что и цикл поршневого двигателя. Увеличение ηi для комбинированного двигателя по сравнению с поршневым двигателем определяется двумя факторами: увеличением общей степени сжатия

ΕΣ

и эффект дорасширения в турбине, характеризуемый отношением Vm/Vo = Δδ.

Любое увеличение степени полного сжатия и последующего расширения в турбине приводит к уменьшению правой части уравнения (формула 9) и к соответствующему увеличению теплового КПД цикла. Это один из решающих факторов, благодаря которому удалось повысить эффективный КПД современных двигателей до беспрецедентного значения 50-52 %.

Dream-yachts
Добавить комментарий