Теплосиловые установки. Цикл двигателя внутреннего сгорания

 

1. Теплосиловая установка - установка, предназначенная для преобразования тепла в механическую или электрическую энергию с использованием прямого термодинамического цикла.

Теплосиловыми установками называют промышленные предприятия, использующие для выработке механической или внутренней энергии органическое или ядерное топливо. По виду отпускаемой энергии теплосиловые установки разделяются на силовые и смешанные.

Силовые установки вырабатывают механическую или электрическую энергии.

В силовых установках, вырабатывающих механическую энергию, тепловые двигатели служат для непосредственного привода производственных исполнительных механизмов и агрегатов, например компрессоров и воздуховодов, мощных вентиляторов и насосов.

 

 

 

Пример теплосиловой установки. Элементы: нагреватель (топочная камера) (1), теплообменник (2), турбокомпрессор (3), обратный клапан (6), ресивер (4), кран (7), двигатель (5)

Теплосиловые установки, вырабатывающие электрическую энергии, называются тепловыми электростанциями.

В зависимости от типа основного первичного двигателя, приводящего в движение электрический генератор, ТЭС подразделяются на локомобильные, паротурбинные, газотурбинные и дизельные.

На локомобильных электростанциях в качестве первичных двигателей используются паровые машины. Локомобильные электростанции постепенно вытесняются дизельными установками. На паротурбинных электростанциях в качестве первичного двигателя используют паровые, а на газотурбинных – газовые турбина

 

Рассмотрим цикл первичного двигатель дизельных теплосиловых установок - двигатель внутреннего сгорание.

 

Цикл двигателя внутреннего сгорания.

2. Виды ДВС

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) по способу реализации полезной работы цикла могут быть:

• поршневыми (роторно-поршневыми);

• газотурбинными;

• комбинированными;

• реактивными.

 

ДВС — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется путем сжигания топлива внутри самого Двигателя.

Рабочим телом в ДВС является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.

ДВС имеют два существенных преимущества.

Во-первых, так как источник теплоты находится внутри самого двигателя, нет необходимости в больших теплообменных поверхно­стях, что способствует его компактности.

Во-вторых, в двигателях внешнего сгорания внешний температурный предел рабочего тела ограничен свойством конструкционных материалов, через которые осуществляется теплообмен. В двигателях же внутреннего сгорания, где тепловыделение происходит в самом рабочем теле, температурный предел может быть значительно выше. А так как стенки головки и цилиндра двигателя имеют принудительное охлаждение, то температурные границы цикла могут быть расширены и термический КПД может быть увеличен.

В поршневых и роторно-поршневых двигателях рабочее тело находится в замкнутом пространстве между неподвижными деталями и движущимся поршнем или ротором, которые воспринимают давление рабочего поршня и преобразуют его во внешнюю работу.

 

 

 

В газотурбинном двигателе рабочее тело расширяется в потоке, т. е. в незамкнутом пространстве. При тепловом расширении кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу на лопатках вращающегося рабочего колеса.

 

 

 

В реактивных двигателях рабочее тело расширяется также в незамкнутом пространстве, но кинетическая энергия газа преобразуется в работу не на лопатках колеса как в газотурбинном двигателе, а за счет сил реакции при выходе рабочего тела из двигателя в окружающую среду с большой скоростью.

Комбинированный двигатель представляет собой гибрид поршневого и газотурбинного двигателей. Термин «двигатель внутреннего сгорания» получил распростра­нение применительно к поршневым двигателям.

 

3. Принцип работы поршневого ДВС

1) Принцип действия четырехтактного двигателя

Принцип действия ДВС показан на рис. 1, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.

Поршень совершает воз­вратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

 

 

1) При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впу­скной клапан К1 засасывается горючая смесь (кривая 0—1'). Прямая а—а' соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси.

2) При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1'—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры р, v и T при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.

3) По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения. На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

4) Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.

5) При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1).

 

                  

 

Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р4 до р1 не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т. е. без теплообмена.

Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0), меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела.

 Далее цикл повторяется.

Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.

 

Так работают поршни в классическом 4-цилиндровом двигателе:

 

 

 

Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно.

 

 

ДВС, как видно из рисунка не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамическими процессами.

Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.

Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.

 

5. Виды ДВС и методы их исследования

По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:

1) циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме (v= const, цикл Отто);

2) циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении (р= const, цикл Дизеля)

3) смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении (v = const, р = const, цикл Тринклера).

 

 

 

Цикл Отто

 

Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:

1) по условию и характеру работы двигателя строится индикаторная диаграмма цикла;

2) определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;

 3) определяются теплота и работа цикла;

4) определяется термический КПД цикла по формул ;

5) выявляются факторы, влияющие на термодинамический КПД, и определяются пути его повышения.

 

6. Расчет термического КПД поршневого двигателя

Поршневым ДВС называется тепловая машина, в рабочем цилиндре которой происходит сгорание топлива и преобразование теплоты в работу.

Поршень совершает возвратно-поступательные движения. Крайние положения поршня называются ВМТ и НМТ (верхней и нижней мертвой точкой). Ход от ВМТ до НМТ – называется тактом. Объём над поршнем, находящимся в ВМТ называется, объёмом камеры сгорания.

В зависимости от процессов подвода теплоты теоретический цикл ДВС состоит из

- адиабатного сжатия 1, 2 рабочего тела в цилиндре,

- изохорного 2, 3 или изобарного 2-7 подвода теплоты,

- адиабатного расширения 3-4 или 7-4

- из изохорного отвода теплоты 4, 1.

 

 

Отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя: 

ε - является основным параметром, определяющим величину термического КПД цикла.

Кроме того, для цикла с подводом теплоты при v=const необходимой характеристикой является степень повышения давления , а для цикла с подводом теплоты при p=const степень предварительного расширения   

Если рассмотреть два цикла с подводом теплоты при постоянном объеме с одинаковыми точками 1 и 4, один из которых 12'3'4 имеет степень сжатия ε, чем другой 1-2-3-4, то увидим, что большему значению ε соответствует более высокая T в конце сжатия 12'.

Следовательно изохора 2'3' лежит выше чем 2-3. Количество теплоты q1, подведённое в цикле 12'3'4, больше, чем в 1-2-3-4. Количество отведенное q2 одинаково. То есть термическое КПД цикла 12'3'4 больше.

КПД цикла увеличивается с увеличением степени сжатия:

.

При одинаковых показателях адиабаты γ процессов сжатия и расширения:

Термический КПД

 

Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9-10.

В дизелях подвод теплоты происходит при p=const (линия 2-7) (рис. 1), (в этих машинах поршень сжимает воздух до высокой степени сжатия ε = 18, а затем в цилиндр впрыскивается топливо) - это повышает КПД.

В этом случае:

 Q1=cp(T3-T2), Q2=cV(T4-T1);

A = Q1 - Q2;

 

 

7. Вывод формулы расчета КПД термодинамического цикла ДВС с изохорным подводом теплоты

 

 

Идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты в pv-координатах

Идеальный газ с начальными параметрами p1, V, Т1 сжимается по адиабате (линия 1—2).

В изохорном процессе (линия 2—3) рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q1. 

В адиабатном процессе (линия 3—4) рабочее тело расширяется до первоначального объема v4 = V. 

В изохорном процессе (линия 4—1) рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q2 в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются: 

степень сжатия;

 — степень повышения давления.

 

Количества подведенной и отведенной теплот определяются по формулам 

Q1 = cV(T3-T2);   

Q2=cV(T4-T1);

Подставляя эти значения теплот в формулу для термического КПД, получим формулу

 

 

Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.

Точка 2.


 

С учетом найденных значений температур формула для КПД примет вид

 

Из последнего соотношения следует, что термический КПД увеличивается с возрастанием степени сжатия и показателя адиабаты γ.

 

Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие КПД. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.

Работа цикла определяется но формуле

 

Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в двигателях карбюраторного типа с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.

 

Примеры решения задач:

Задача 1. На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 80 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 20 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

 

Задача 2. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4 МДж потребовалось 8 кг бензина.

 

Задача 3. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30•106 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

 

Задача 4. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 • 104 кДж, и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД этого двигателя.

 

 

Задачи для самостоятельного решения

1. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 220,8 МДж потребовалось 16 кг бензина.

2. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 27,6 МДж потребовалось 2 кг бензина.

3. Патрон травматического пистолета «Оса» 18×45 мм, содержит резиновую пулю массой 8,4 г. Определите КПД патрона, если пуля при выстреле приобрела скорость 140 м/с. Масса порохового заряда патрона составляет 0,18 г, удельная теплота сгорания пороха 3,8 • 106 Дж/кг.

4. За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?

5. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.

 

Домашнее задание:

Задача 1. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 2 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • 106 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 2,5 кВт.

Задача 2. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 • 104 кДж, и при этом израсходовал бензин массой 3 кг. Вычислите КПД этого двигателя.

Задача 3. За 4 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 35%, израсходовал 30 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?

 

Контрольные вопросы:

1. Дайте классификацию тепловых двигателей. В чем их отличие?

2. Объясните принцип действия четырехтактного ДВС, используя индика­торную диаграмму.

3. На какие группы по принципу работы делятся циклы ДВС?

4. От каких величин и как зависит работа и КПД цикла с подводом теп­лоты при постоянном объеме?

5. Что такое степень сжатия и степень повышения давления?

6. Почему в цикле с подводом теплоты при постоянном объеме ограни­чено увеличение степени сжатия и степени повышения давления?

7. От каких величин и как зависит работа и КПД цикла с подводом теп­лоты при постоянном давлении?

8. Что такое степень предварительного расширения?

9. Почему увеличение степени предварительного расширения приводит к уменьшению КПД цикла Дизеля?

10. В чем основной недостаток двигателя Дизеля?

11. Какие величины степеней сжатия используются в циклах Отто, Дизеля и Тринклера?

12. У каких из них наиболее высокий КПД?