Тепловые двигатели автономного транспорта

Определение. Термодинамическими циклами называются такие циклы, в которых в результате чередующихся процессов расширения и сжатия рабочего тела (например, воздуха) происходит изменение его внутренних характеристик (объёма, давления и температуры).

Теоретические термодинамические циклы предполагают, как наличие, так и отсутствие теплообмена с окружающей средой. Практически теплообмен происходит всегда.

Теоретически процесс сжатия может идти по изотерме pV=Т=const, или по адиабате pV k=const, где к=1.4. Практически сжатие всегда идёт по одной из политроп pV m=const, где 1< m < k.

Теоретически возможными являются термодинамические циклы с подводом тепла к рабочему телу, как при постоянном объеме рабочего пространства, так и при постоянном давлении в нем. Для расчетного цикла с подводом тепла при постоянном объеме (рис. 2.1) при движении поршня от нижней мёртвой точки (НМТ) к верхней мёртвой точке (ВМТ) сжатие происходит по адиабате ас, подвод тепла (сгорание топлива) по изохоре се, работа расширения по адиабате еb и отвода тепла (выпуск продуктов сгорания в атмосферу) по изохоре bа.

В случае расчетного цикла с подводом тепла при постоянном давлении (рис. 2.2) порядок чередования процессов аналогичен только что описанному. Отличие состоит в том, что подвод тепла (горение топлива) происходит в процессе «предварительного» расширения.

При смешанном цикле (рис. 2.3) подвод тепла начинается по изохоре се, а завершается (топливо догорает) по изобаре еd. По своим параметрам он наиболее близок к циклам реальных тепловых двигателей.

Параметры термодинамических циклов. Под параметрами термодинамических циклов подразумеваются такие основные показатели, характеризующие работу двигателя, как: степень сжатия, степень повышения давления, степень предварительного расширения и термический к. п. д.

Степень сжатия характеризует изменение объема рабочего пространства до начала подвода тепла и численно выражает кратность изменения этого объема

. (2.1)

Степень повышения давления характеризует кратность возрастания давления в результате подвода тепла

. (2.2)

Степень предварительного, расширения характеризует кратность увеличения объема в процессе подвода тепла (догорания топлива)

. (2.3)

Термический КПД

. (2.4)

Термический КПД смешанного цикла зависит от остальных параметров цикла.

Выражение (2. 4) может быть представлено в виде

.

После преобразования

. (2.5)

Выражая отношение температур через параметры цикла, получаем:

а) из адиабаты ас

; (2.6)

б) по изохоре ab

,

но из адиабаты ас следует, что, а из адиабаты bd –

,

следовательно

; (2.7)

в) по изохоре cе

; (2.8)

г) по изобаре еd

; (2.9)

Произведя подстановку в формулу (2.5) выражений (2.6) – (2.9), получим

. (2.10)

Термический КПД зависит от различных параметров термодинамического цикла следующим образом (см. рис. 2.4):

а) с повышением степени сжатия ε КПД растет, но рост постепенно замедляется:

б) по мере увеличения степени повышения давления λ КПД также возрастает, но рост происходит замедленно

.

в) увеличение степени предварительного расширения ведет к понижению термического КПД, особенно при малых значениях степени повышения давления

.

При больших значениях λ влияние ρ незначительно.

Следовательно, наиболее высокое значение термического к. п. д. может быть достигнуто в цикле с подводом тепла при постоянном объеме, а наименьшее в цикле с подводом тепла при постоянном давлении.

Полная механическая работа за цикл может быть определена по ρ(V) диаграмме (см. рис. 2.3):

.

В масштабах рисунка она представлена площадями

где mр и mV — соответственные масштабы по осям ординат и абсцисс.

При запуске двигателя ему необходимо сообщить с помощью внешнего источника некоторую начальную энергию, достаточную для совершения работы сжатия. В дальнейшем работа сжатия производится за счет работы других цилиндров, а в одноцилиндровом двигателе за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в период рабочего такта.

• Характеристики дизелей, газотурбинных установок
• Топливо для тепловых двигателей и его свойства