Анализ эффективности цикла

Термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла зависит от характеристик цикла ε, λ, ρ и от свойств рабочего тела (k = ).

Показатель адиабаты k определяется составом продуктов сгорания и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37.

Проанализировать влияние характеристик цикла ε, λ, ρ на КПД удобнее всего по тепловой диаграмме. Известно, что чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.

1) При увеличении степени сжатия конечная точка процесса 1-2 сместится в т.2' (рис. 4). Средняя температура подвода теплоты при этом увеличивается, следовательно, термический КПД также увеличится.

.

Для цикла Тринклера степень сжатия изменяется в пределах: .

Рис. 4. К анализу эффективности цикла Тринклера

2) С увеличением степени повышения давления конечная точка процесса 2-3 сместится в т.3'. Средняя температура подвода теплоты при этом увеличивается, значит термический КПД также увеличится.

.

Обычное значение .

3) Если увеличить степень предварительного расширения, то конечная точка процесса 3-4 сместится в т.4'. Надо отметить, что для замкнутости цикла т. 5 необходимо сместить в т. 5'.

Средняя температура подвода теплоты увеличивается . Но в этом случае увеличится и средняя температура отвода теплоты .

- растет быстрее (по изохоре), растет медленнее (по изобаре).

Температурный диапазон цикла сузится, значит термический КПД уменьшится.

;

Таким образом, увеличение степени предварительного расширения снижает термический КПД. На практике ρ стараются уменьшить: .

Конструкция двигателя, работающего по циклу Тринклера, включает «предкамеру» (рис.5). После сжатия воздуха в «предкамеру» подается под высоким давлением топливо и происходит быстрое сгорание приготовленной смеси при постоянном объеме, а потом происходит сгорание горючего при постоянном давлении по мере его поступления в камеру сгорания.

Рис.5. Схема ДВС, работающего по циклу Тринклера

(1 – впускной клапан, 2 – выпускной клапан)

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Это цикл бензиновых ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажигание горючей смеси. Такие ДВС применяют на легковом автотранспорте.

Рабочая и тепловая диаграммы цикла Отто представлены на рис. 6.

Характеристики цикла:

- степень сжатия

- степень повышения давления.

Рис.6. Цикл Отто. Рабочая (p - v) и тепловая (T - s) диаграммы.

(1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изохорный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты)

Параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера.

Подводимая теплота:

Отводимая теплота: .

Работа цикла .

Термический КПД цикла: .

Чем больше степень сжатия ε, тем выше эффективность цикла. Увеличение ε в карбюраторных двигателях ограничено наступлением детонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры сгорания, поэтому ε = 6~12.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Это цикл компрессорных дизелей - ДВС тяжелого топлива (дизельного, солярного и др.) с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением горючего от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

Рабочая и тепловая диаграммы цикла Дизеля представлены на рис. 7.

Рис.7. Цикл Дизеля. Рабочая (p - v) и тепловая (T - s) диаграммы.

(1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изобарный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты)

Характеристики цикла:

- степень сжатия

- степень предварительного расширения

Параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера.

Подводимая теплота:

Отводимая теплота: .

Работа цикла

Термический КПД цикла: .

Верхний предел ε ограничивается в дизелях быстрым увеличением давления. Применяют значения ε = 14~25. Увеличение ρ отрицательно влияет на повышение эффективности цикла. По мере совершенствования процессов смесеобразования и горения ρ уменьшается.