Конспект лекции Показатели идеального цикла

Показатели идеального цикла. В целях упрощения анализа рассматриваем идеальный цикл, реализуемый лишь в цилиндре двигателя.

Экономичность цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия

где - все количество подведенной к рабочему телу теплоты, Дж; - количество теплоты, отданной холодному источнику, Дж.

Эффективность цикла определяется его удельной работой, представляющей собой среднее давление цикла,

Рис. 10.1. Схема обобщенного термодинамического цикла дизеля с ГТН

где - работа, приходящаяся на единицу разности максимального и минимального объемов рабочего тела при совершении им цикла, Дж.

В свою очередь удельную работу можно представить как условное постоянное давление, действующее на поршень при изменении объема цилиндра от до и совершающее работу, равную работе замкнутого цикла L_t.

Влияние на показатели цикла пределов изменения состояния рабочего тела. Из курса термодинамики известно, что экономичность и эффективность цикла можно увеличить, расширив пределы состояния рабочего тела, т. е. увеличив разности и

1.Расширение пределов изменения давления из-за невозможности снижения давления , ограничиваемого атмосферным давлением, достигается лишь путем увеличения максимального давления цикла , которое принято обозначать . Величина ограничивается необходимостью сохранения прочности и. жесткости деталей движения и остова двигателя. Совершенствование конструкции и применение более прочных материалов дали возможность в мощных МОД повысить до 9-16 МПа, а в отдельных тронковых четырехтактных двигателях с высоким наддувом - до 18-20 МПа.

2.Расширение пределов изменения объема () возможно путем уменьшения объема и увеличения .

Рис. 10.2. Комбинированный двигатель с утилизацией теплоты выпускных газов в ГТК и утилизационном котле2.1.Уменьшение минимального объема , представляющего собой объем камеры сжатия V_c, приводит к увеличению степени сжатия = , что влечет за собой, повышение давления в конце сжатия р_с и связанный с этим рост давления р_z рост механических нагрузок на элементы конструкции, поэтому уменьшение (повышение ) нежелательно.

2.2.Увеличить максимально возможный объем рабочего тела можно, если продолжить его расширение в цилиндре до момента достижения минимального давления цикла p_min (точка е на рис. 10.1). Это приводит к существенному увеличению хода поршня и размеров двигателя.

Более рационально продолжить расширение газов за точкой b в малогабаритной лопаточной, машине - газовой турбине, а получаемую дополнительную энергию использовать для предварительного сжатия рабочего тела в приводимом от турбины 3 компрессоре 2 (рис. 10.2; 1 - утилизационный котел; 4-воздухоохладитель). Этот метод, широко используемый в современных дизелях, именуется газотурбинным наддувом.

При наддуве предварительное увеличение плотности воздуха приводит к увеличению его массы в цилиндре 5, а это позволяет повысить массу сжигаемого в нем топлива и тем самым достигнуть увеличения совершаемой газом работы, что выражается в увеличении площади цикла, значительно более существенном, чем потеря площади, вызванная сокращением объема . Эффективность цикла, его среднее давление при таком методе существенно увеличиваются.

Таким образом, наддув является наиболее действенным средством повышения эффективности цикла, снижения размеров и массы двигателя при увеличении его мощности.

Влияние перераспределения подводимой теплоты на КПД цикла. Рассмотрим изменение эффективности теплоиспользования в цикле при следующих условиях: количество подводимой в цикле теплоты не изменяется, но она перераспределяется, т.е. изменяется соотношение между долями теплоты, подводимой по изохоре и по изобаре .

Процесс теплоподвода в идеальном цикле соответствует процессу выделения теплоты при сгорании топлива в действительном цикле реального двигателя. Тогда применительно к действительному циклу = idem означает, что подача топлива в цилиндр за один цикл (цикловая подача) g_ц = idem, т. е. не изменяется. Процессу теплоподвода в идеальном цикле в реальном двигателе будет соответствовать подача топлива g_ц общей продолжительностью , распределяемой на (до ВМТ) и (за ВМТ):

Изменение соотношения между и при неизменном в идеальном цикле соответствует изменению соотношения между углами начала и конца подачи топлива при неизменном увеличению в идеальном цикле будет соответствовать увеличение угла опережения подачи топлива в реальном цикле.

На рис. 10.3, а, б показаны идеальные циклы 1 (исходный), 2 (при увеличенной доле ), 3 (при уменьшенной доле ), а на рис. 10.3, в - соответствующие им углы подачи топлива и . Наименьший теплоотвод Q₂ соответствует циклу 2 (площадь под кривой аb₂ см. рис. 10.3, б), а наибольший - циклу 3

(площадь под кривой ab₃), т. е. Q₂₍₂₎ <Q₂₍₁₎< Q₂₍₃₎.

Так как и по условию Q₁ неизменна, то

Таким образом, перераспределение количества подводимой теплоты Q₁ в сторону увеличения и сокращения приводит к росту термического КПД идеального цикла. В реальном двигателе этому соответствует увеличение угла опережения подачи топлива. Отсюда следует, что повысить экономичность работы двигателя можно путем более ранней подачи топлива. Однако при этом увеличение (см. рис. 10.3, а) сопровождается ростом максимального давления цикла в двигателе это может отрицательно отразиться на надежности работы подшипников и росте механических напряжений в конструктивных элементах, испытывающих давление газов.

Термический КПД идеального цикла со смешанным подводом теплоты

(10.1)

где е = Va/Vc - степень сжатия; λ = p_z/p_c- степень повышения давления при сгорании; - степень предварительного расширения; - показатель адиабаты.

Если подставить в формулу (10.1) численные значения показателей, реально достижимые на современном этапе, то окажется, что максимум КПД определяется величиной , т. е. 35 % подводимой к рассматриваемому циклу теплоты является неизбежной потерей.

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2010 Стр. 8-13

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2008 Стр. 8-14

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация - 1990 г.и. стр. 195-198

7