tot_book

81

Рис. 42. Рис. 43

Индикаторная диаграмма цикла ДВС (зависимость давления в цилиндре р от объема V газа) представлена на рис. 43. Линия 0–1 характеризует процесс всасывания; 1–2 — сжатия, а 2– 3 — подвода теплоты. Для дизельных ДВС процесс 2–3 вытянут вдоль горизонтальной оси, т. е. близок к изобарному; для карбюраторных ДВС он, наоборот, идет почти вертикально, т. е. близок к изохорному (это объясняется различием процессов смесеобразования и разницей в скорости испарения и сгорания топлива).

Рабочий ход соответствует линии 3–4, а выхлоп — 4–0. Хотя цилиндр двигателя принудительно охлаждают, процессы 1–2 и 3–4 близки к адиабатным, поскольку через стенки цилиндра отводится значительно меньше теплоты, чем ее выделяется при сгорании топлива. Расширение газа при выхлопе ограничено ходом поршня, точка 4 находится выше точки 1 и почти на одной с ней вертикали; это позволяет считать, что выхлоп приближается к изохорному процессу v = const. Линии 0–1 и 4–0 мало отличаются по давлению, работа выхлопа и работа всасывания взаимно почти уравновешиваются, в расчет их можно не вводить.

Для того, чтобы перейти к анализу термодинамических процессов в ДВС, надо сделать некоторые допущения: рабочим телом будем считать воздух, совершающий замкнутый процесс внутри цилиндра. Допустим также, что воздух обладает свойствами

82

совершенного газа (его теплоемкости ср и cv постоянны). Все расчеты проведем в удельных величинах — для 1 кг рабочего тела.

1.6.1.Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто)

Вциклах ДВС с изохорным подводом теплоты процесс горения протекает настолько быстро, что объем газа почти не меняется; это позволяет считать теплоподвод изохорным (рис. 44).

Термический КПД цикла Отто

Значения Т1, Т2, T3 и T4 определим из уравнений термодинамических процессов. Сжатие 1–2 идет адиабатно,

T2 =T1(v1 v2 )k −1 =T1εk −1.

Здесь ε = v1 v2 — степень сжатия: отношение полного объема

повышения давления).

Рис. 44. Рис. 45.

83

сжатия ε для двухатомного газа приведена на рис. 45. С увеличением е термический КПД цикла увеличивается, поэтому повышать степень сжатия выгодно. Однако при заметном повышении ε в цилиндре карбюраторного ДВС может произойти самопроизвольное возгорание смеси (детонация), что приведет к быстрому разрушению конструкции; в связи с этим степень сжатия ε в таких ДВС редко превышает 10…12. График на рис. 45 характеризует термический КПД цикла Отто; его эффективный (фактический) КПД оказывается существенно меньшим (см. разд. 1.7.4).

Полезная работа цикла Отто

на диаграмме р–v работе lcO соответствует заштрихованная площадка.

1.6.2. Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля)

Степень сжатия ε в цикле Отто ограничена температурой Т3 при ее повышении смесь детонирует. Чтобы увеличить ε, необходимо сжимать негорючий газ (воздух), а только потом впрыскивать в него менее летучее, чем бензин, не детонирующее топливо, которое самовоспламенится от высокой температуры, достигнутой при сжатии. Более медленное, чем в цикле Отто, горение приводит к изобарному повышению температуры. Такой цикл впервые реализован Р. Дизелем и носит его имя. Цикл Дизеля в диаграмме р–v представлен на рис. 46.

84

Рис. 46. Рис. 47.

Термический КПД цикла Дизеля

Как и прежде, рассчитаем температуры узловых точек цикла:

T2 =T1εk −1;T3 =T2 (v3 v2 )=T2ρ =T1εk −1ρ,

(здесь ρ = v3/v2 — степень предварительного расширения);

T4 =T3 (v3 v4 )k −1 =T3δk −1,

(здесь δ = v3/v4 — степень адиабатного расширения).

Можно показать, что δ = ρ/ε, поэтому

T4 =T1εk −1ρρk −1 / εk −1 =T1ρk −1.

Отсюда

Термический КПД цикла Дизеля тем больше, чем выше степень сжатия ε и чем меньше степень предварительного расширения ρ (чем меньше ρ, тем интенсивнее горит топливо).

Степень сжатия ε в дизельных ДВС существенно выше, чем в карбюраторных, и достигает значений 16…22.

Полезная работа цикла Дизеля

86

подведенной теплоте; 2) при одинаковых максимальных давлениях

итемпературах.

1.= idem, q1 = idem. Изобразим оба цикла в одной диаграмме (рис. 50). Точка 7, определяемая параметрами окружающей среды, для них одинакова. Совпадают и параметры рабочего тела в точке 2, поскольку адиабате 1–2 в обоих случаях соответствует одна и та

же степень сжатия ε = v1/v2. Изохора 2–3'в цикле Отто идет круче, чем изобара 2–3" в цикле Дизеля, а поскольку q1O = q1D , точка 3" должна находиться правее, чтобы площади под кривыми 2–3' и 2–3" были равны. Термические КПД циклов выразим через площади на Т–s-диаграмме:

карбюраторный ДВС эффективнее дизельного.

Мы уже отмечали, что дизельный ДВС более эффективен лишь при высоких степенях сжатия ε, недопустимых для карбюраторного ДВС, поэтому полученный результат не выглядит неожиданным.

2. q3=idem, T3=idem. Максимальные давления и температура в циклах достигаются в точке 3, поэтому точка 3 для обоих циклов на Т–s-диаграмме является общей (рис. 51). Общей является точка 4, так как на входе в цилиндр газ имеет параметры окружающей среды; точка 4 тоже оказывается для циклов общей. Изохора цикла Отто проходит ниже изобары цикла Дизеля, поэтому точка 2' оказывается на диаграмме T–s ниже точки 2". Термические КПД

Отведенная теплота (пл. а14b) в обоих случаях одинакова, а подведенная теплота в цикле Отто (пл. а2'Зb) меньше, чем в цикле

Дизеля (пл. а2"Зb), поэтому ηOt < ηtD .

87

Рис. 50. Рис. 51.

Проведенное выше сравнение имеет под собой реальную основу, так как характеризует соотношение термических КПД при совпадающих удельных характеристиках ДВС. Однако оба примера, скорее, лишь иллюстрируют саму идею сравнения термических КПД с помощью Т–s-диаграммы. Как видим, результат такого сравнения в различных условиях может быть противоположным. Чтобы реально сопоставить ДВС по эффективности, необходимо точно оговорить ограничивающие условия и сопоставить эффективные, а не термические КПД (см.

раздел 1.7.4).

1.7. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

1.7.1. Схема и цикл с изобарным подводом теплоты

Газотурбинные установки (ГТУ) также относят к ДВС, однако от поршневых ДВС они существенно отличаются. В ГТУ преобразование тепловой энергии в механическую происходит при движении газа через межлопаточные каналы газовой турбины.

Рассмотрим схему простейшей ГТУ на жидком топливе (рис. 52). Топливо подается насосом 7 в камеру сгорания 2. Туда же компрессор 3 подает сжатый воздух. В камере 2 топливо сгорает, а

88

продукты сгорания, имеющие высокую температуру и то же давление, что и воздух, подаваемый компрессором 3, попадают на турбину 4. Процесс в камере сгорания является изобарным (это не единственно возможный тип процесса, однако наиболее распространены именно ГТУ с изобарным подводом теплоты)

камерасгорания

топливо КС

Рис. 52 В турбине 4 продукты сгорания сначала попадают в каналы,

образованные неподвижными лопатками направляющего аппарата 6, там разгоняются до необходимой скорости, а затем обтекают рабочие лопатки 7 турбины и отдают ротору свою кинетическую энергию, после чего выбрасываются в атмосферу. Ясно, что расширение газов в турбине должно происходить до давления, близкого к атмосферному, – поэтому процесс смешения продуктов сгорания с атмосферным воздухом носит почти изобарный характер. В качестве нагрузки к ГТУ можно подключать генераторы электрического тока 5, а также другие потребители (воздушные и гидравлические винты, другие движители, насосы и т. д.).

Потребитель получает только часть мощности, вырабатываемой турбиной 4: остальная расходуется внутри ГТУ на привод компрессора 3 и топливного насоса 1 (в расчетах ГТУ, работающих на жидком топливе, затратами энергии на привод насоса обычно пренебрегают). Как и для поршневых ДВС, рабочим телом ГТУ в первом приближении считают воздух (с постоянными

89

теплоемкостями ср и сv , совершающий обратимый цикл в контуре ГТУ), и все расчеты ведут на 1 кг рабочего тела.

Изобразим цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты (цикл Брайтона) в диаграммах р–v и Т– s (рис. 53). Сжатие воздуха в

быть изотермическим, политропным или адиабатным; рассмотрим неохлаждаемый турбокомпрессор, в котором сжатие будем считать адиабатным. В камере сгорания теплота подводится при постоянном давлении (процесс 2–3). В турбине протекает процесс расширения. Потеря энергии за счет отвода теплоты в окружающую среду составляет лишь малую долю энергии, преобразованной во вращение ротора, поэтому процесс расширения 3–4 близок к адиабатному. Расширение продолжается до давления, близкого к давлению окружающей среды (точки 4 и 1 лежат на одной изобаре). Это позволяет заменить реальный процесс выхлопа в окружающую среду изобарным процессом 4–1 и тем самым замкнуть цикл. Итак, простейший цикл ГТУ состоит из двух адиабат и двух изобар, причем теплота подводится на изобаре 2–3, а отводится на изобаре

4–1.

1.7.2. Термический КПД цикла Брайтона