2.1 Циклы двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) − это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях являются на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом, а

на втором этапе − продукты сгорания. В таких двигателях рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ.

На рис. 3 изображен обратимый цикл ДВС с подводом теплоты при V=const − цикл Отто. В процессе 1-2 происходит сжатие (в первом приближении − адиабатное) смеси воздуха с парами топлива. В точке 2 с помощью электрической свечи горючая смесь поджигается. Сгорание при V=const эквивалентно изохорному процессу нагревания 2-3. Образовавшиеся газы, расширяясь, перемещают поршень (адиабатный процесс 3-4). Уменьшение давления в цилиндре ДВС до атмосферного, вследствие открытия специального клапана, эквивалентно изохорному охлаждению в процессе 4-1. Термический КПД такого цикла:

,

где − степень сжатия; k − показатель адиабаты. Показатель адиабаты можно определить по формуле

,

где и− мольные теплоемкости, определяемые при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно. Для приближенных расчетов значения мольных теплоемкостей при невысоких температурах можно брать по табл. 2.1, а более точные значения массовых и объемных теплоемкостей – по прил. 1.

Таблица 2.1

Значения теплоемкостей и показателей адиабаты для газов различной атомности

Атомность	, кДж/(кмоль∙град)	, кДж/(кмоль∙град)	k
Одноатомные газы	12,6	20,9	1,69
Двухатомные газы	20,9	29,3	1,41
Трех- и многоатомные газы	29,3	37,7	1,29

Рис. 3. Цикл Отто

Возможность повысить степень сжатия εреализуется в ДВС с подводом теплоты при р = сonst (в цикле Дизеля). В этом случае сжимается воздух, температура которого в результате адиабатного сжатия превышает температуру воспламенения топлива (процесс 1-2_, рис. 4). В процессе 2-3 происходит впрыск топлива и его сгорание при р = сonst. Рабочий ход 3-4 и выхлоп 4-1 не отличаются от таковых в цикле Отто.

Рис. 4. Цикл Дизеля

Термический КПД двигателя со сгоранием:

.

Гибридом цикла Отто и Дизеля является цикл со смешанным подводом теплоты − цикл Тринклера (рис.5).

Рис. 5. Цикл Тринклера

Термический КПД цикл Тринклера:

,

где − степень сжатия;− степеньпредварительного расширения; − степень повышения давления в изохорном процессе.

2.2 Циклы газотурбинных установок

Принципиальная схема простой газотурбинной установки (ГТУ) приведена на рис. 6 и 7. Цикл, совершаемый рабочим телом ГТУ, приведен на рис. 6, где 1-2-3-4-1 − обратимый цикл, 1-2д-3-4д-1 − цикл с необратимыми процессами сжатия и расширения. Процессы 2-3 и 4-1 − изобарные.

Обратимые процессы, совершаемые рабочим телом в турбине и компрессоре, − изоэнтропные; реальные же процессы, сопровождающиеся трением, − необратимы: это процессы 3-4д и 1-2д.

Если теплоемкость С_р газов считать постоянной, то термический КПД обратимого цикла простой ГТУ:

,

где− степень повышения давления в компрессоре.

Внутренний КПД цикла с необратимым сжатием и расширением рабочего хода:

,

где− степень повышения температуры при обратимом сжатии в компрессоре,− внутренние относительные КПД турбины и компрессора.

a)

б)

Рис 6. Принципиальная схема (а) и цикл (б) простой ГТУ

Принципиальная схема и цикл ГТУ с регенерацией теплоты представлены на рис. 7.

а) б)

Рис. 7. Принципиальная схема (а) и цикл (б) ГТУ с регенерацией

Из сравнения схемы такой установки (рис. 7,а) со схемой ГТУ без регенерации (рис. 6,а) видно, что в ней добавлен только регенеративный теплообменник Р, в котором уходящие газы охлаждаются (процесс 4-6),

нагревая при этом воздух, поступающий вкамеру сгорания (процесс 2-5).

В схемах ГТУ с многоступенчатым сжатием и расширением рабочего тела воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре: после каждой ступени компрессора, кроме последней, воздух охлаждается почти до температуры окружающей среды. Расширение рабочего тела осуществляется многоступенчато: после каждой ступени турбины, кроме последней, воздух попадает в камеры сгорания, где снова нагревается до максимальной температуры в цикле. Обычно число ступеней турбины и компрессора не превышает трех. На рис. 8 изображен цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением рабочего тела.

Рис. 8. Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым

расширением

Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением с регенерацией теплоты изображен на рис. 9.

Рис. 9. Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением

с регенерацией теплоты