3.1.2 Циклы поршневых двигателей

Д вигатели внутреннего сгорания наиболее распространенный тепловой двига­тель в мире. Исключительная роль двигателя внутреннего сгорания в энергетике сельского хозяйства. Они являются источниками энергии тракторов, автомобилей, комбайнов, различных сельскохозяйственных машин и установок, применяемых в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности.

В зависимости от способа подвода теплоты различают три термодинамических цикла двс:

1) цикл с подводом теплоты при ν=const (рисунок 2.1а);

2) цикл с подводом теплоты при Р=const (рисунок 2.1б);

3) цикл со смешанным подводом теплоты при ν=const и Р= const (рису­нок 2.1в).

По циклу со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) работают все дви­гатели с внутренним смесеоб­разованием (без компрессорные ди­зели).

Цикл с подводом теплоты при ν=const (цикл Отто) характерен для двигателей с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые двигатели).

Двигатели, работающие с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Ди­зеля), в настоящее время не находят применение и поэтому не рассматриваются.

Сравнение обобщенного цикла с циклом поршневого двс с подводом теплоты при ν=const и Р=const показывает, что в цикле со смешанным подводом теплоты ε_υ=1, параметр бкдет равен

так как υ₃=υ₂ и (υ₁/υ₂)^К=ε^К ; Р₂/Р₁=(υ₁/υ₂)^К =ε^К и Р₄=Р₃, Р₃/Р₂=λ.

Тогда термический кпд обобщенного цикла с учетом полученного соотношения примет вид

(1.14)

Работа цикла подсчитывается с учетом термического кпд смешанного цикла

W_ц=q₁-q₂=η_t^cмּq₁ (1.15)

Количество подведенной теплоты q₁ подсчитывается по формуле 1.9, а количество отведенной теплоты с учетом того, что ε_υ=1 и λ_р=ρ^кּλ

q₂=c_υּT₁(λּρ^к-1) (1.16)

Если цикл с подводом теплоты при υ=const, то ε_υ=1, ρ=1 формула 1.14 принимает вид

(1.17)

Таким образом, термический кпд цикла со смешанным подводом теплоты зависит от свойства рабочего тела (К) и конструкции двигателя (ε, λ, ρ). С увеличением ε, λ и уменьшением ρ, η_t цикла со смешанным подводом теплоты увеличивается.

У цикла с подводом теплоты при υ=const термический кпд зависит от свойства рабочего тела (К) и конструкции двигателя (ε).

Одним из важнейших показателей работы двигателей внутреннего сгорания является среднее цикловое давление Р_t, определяемое отношением удельной работы цикла W_Ц к рабочему объёму цилиндра двигателя (рисунок 2, в).

(1.18)

Если в место работы подставим его значение, то получим:

, (1.19)

где η_t определяется по формуле 1.14 для цикла со смешанным подводом теплоты.

Для цикла с подводом теплоты при υ=const

, (1.20)

где η_t определяется по формуле 1.17.

3.1.3 Циклы газотурбинных установок

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу происходит при p=const или υ=const. На рисунке 3 представлена схема наиболее распространенного типа газотурбинной установки со сгоранием топлива при p=const, а на рисунке 4 ее цикл в координатах Р,υ и T,S.

Рисунок 3 Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при p=const	Рисунок 4 Диаграммы циклов ГТУ с подводом теплоты при p=const

Компрессор К, расположенный на одном валу с газовой турбиной Т, засасывающей атмосферный воздух с давлением Р₁ и сжимая его с повышением давления Р₂ нагнетает в камеру сгорания КС. Туда же топливным насосом ТН, приводимым в действие газовой турбиной, подается жидкое топливо. Топливо распыляется форсункой и сгорает в камере сгорания КС.

Сгорание происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газы поступают в турбину, приводят ее в действие, а затем выбрасываются в атмосферу.

Идеальный цикл ГТУ состоит из двух адиабат и из двух изобар. В компрессоре К происходит адиабатное 1-2 сжатие рабочего тела до давления Р₂, затем изобарный 2-3-4 подвод теплоты q₁ в камере сгорания КС, адиабатное 4-5 расширение газов на лопатках газовой турбины Т и изохорный 5-6-1 отвод теплоты к холодному источнику (внешней среде).

В рассматриваемом цикле λ_р=λ-1 и формула термического кпд 1.11 примет вид

(1.21)

Так как Р₄/Р₂=λ=1, Р₂/Р₅= Р₂/Р₁=(ν₁/ν₂)^К=ε^К;

ν₄/ν₂=ρ, ν₂/ν₁=1/ε, ν₆/ν₁= ν₅/ν₁=ε_ν

Тогда

И термический кпд цикла 1.21 примет вид

(1.22)

В газотурбинных двигателях часто в место степени сжатия ε принимают степень повышения давления в компрессоре β=Р₂/Р₁. Так как (ν₁/ν₂)^К=ε^К= Р₂/Р₁=β, то

(1.23)

Как видно из формулы 1.23 термический кпд цикла зависит от работы компрессора, сжимающего воздух и свойства рабочего тела (показателя адиабаты К). Чем выше показатель адиабаты К, большее сжатие воздуха компрессором (больше ε или β), тем выше fη.

При изменении нагрузки ГТУ (процесс расширения показан штриховыми линиями на рисунке 4) степень сжатия и показатель адиабаты К не меняются, поэтому η_t=const.

Удельная работа цикла при λ_р=1,λ=1,ε_υ=ρ

(1.24)