Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты к рабочему телу

В таком двигателе процесс сжигания топлива состоит из двух стадий: 1 – частичное сгорание топлива в форкамере при постоянном объеме; 2 – окончательное сгорание топлива при постоянном давлении в основном цилиндре.

Условный идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты к рабочему телу в T,s - диаграмме показан на рис. 3.

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия , степень повышения давления и степень предварительного расширения .

Термический КПД такого цикла ДВС можно представить уравнением

. (7)

Т

s

5'

v2=const

v1=const

q1

q2

Тос

·

р3=const

2'

Рис. 3. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты к рабочему телу в Т,s- диаграмме: 12345 – идеальный; 12’345’ - реальный

Задачи

Пример решения задачи:

1. Определить термический и внутренний абсолютный КПД идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 1), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=20 ^оС, степень адиабатного сжатия e=7, температура в начале процесса адиабатного расширения t₃=1200 ^оС, коэффициенты адиабатного расширения и сжатия газа в цилиндре одинаковы (h_р=h_сж=0,85). Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с постоянными теплоемкостями с_v и с_р.

Решение

Для идеального цикла ДВС КПД определяется только величиной степени адиабатного сжатия e:

.

Для необратимого цикла ДВС находят температуры в конце необратимых адиабатных процессов сжатия и расширения рабочего тела, используя адиабатные коэффициенты этих процессов и температуры в конце обратимых адиабатных процессов:

К,

К,

К,

К.

Внутренний абсолютный КПД ДВС

.

Ответ: h_t=0,541, h_i=0,35.

2. Определить термический КПД и удельную работу идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рис.1), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=20 ^оС, давление и температура газа в начале процесса адиабатного расширения р₃=27 бар, t₃=1100 ^оС. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с m=28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: h_t=0,504, l _t=283 кДж/кг.

3. Определить термический КПД и мощность идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рис.1), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=20 ^оС, температура газа в начале процесса адиабатного расширения t₃=1000 ^оС, температура в конце адиабатного расширения t₄=400 ^оС. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с m=28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: h_t=0,471, W_t=242 кВт.

4. Определить термический КПД и удельную работу идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (рис.2), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=40 ^оС, t₂=800 °С, t₄=600 ^оС. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с m=28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: h_t=0,655, l _t=763 кДж/кг.

5. Определить термический КПД и мощность идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (рис.2), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=20 ^оС, температура газа в начале процесса адиабатного расширения t₃=1200 ^оС, температура в конце адиабатного расширения t₄=400 ^оС. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с m=28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: h_t=0,588, W_t=388 кВт.

6. Определить термический и внутренний абсолютный КПД цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении, для которого задано: р₁=1 бар, t₁=20 ^оС, степень адиабатного сжатия , температура газа в начале процесса адиабатного расширения t₃=1200 ^оС, коэффициенты адиабатного расширения и сжатия в цилиндре одинаковы и равны h_р=h_сж=0,85. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с m=28,96 кг/кмоль и к=1,4.

Ответ: h_t=0,631, h_i=0,354.

7. Определить максимальное давление р_max, температуру t₃ и термический КПД цикла ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 3), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=17 ^оС. Удельная теплота, подведенная к рабочему телу при v=const q₁’=200 кДж/кг, равна теплоте q₁”, подведенной при р=const. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с m=28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: р_max=53,7 бар, t₃=214 ^оС, h_t=0,646.

8. Определить термический КПД и мощность идеального цикла ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 3), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=80 ^оС, степень адиабатного сжатия , р₃=р₄=60 бар, температура газа в конце адиабатного расширения t₅=400 ^оС. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: h_t=0,652, W_t=428 кВт.

9. Определить внутренний абсолютный КПД и мощность цикла ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 3), для которого задано: р₁=1 бар, t₁=30 ^оС, степень адиабатного сжатия , степень повышения давления , температура газа в начале процесса адиабатного расширения t₄=1500 ^оС. Коэффициенты адиабатного расширения и сжатия в цилиндре одинаковы и равны h_р=h_сж=0,85. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.

Ответ: h_i=0,426, W_i=256 кВт.

10. Сравнить термические КПД, максимальные температуры Т_max и давления р_max газов в цилиндрах трех идеальных циклов ДВС с одинаковыми q₁=500 кДж/кг и р₁=1 бар, t₁=20 °С:

1) с подводом теплоты при постоянном объеме, ;

2) с подводом теплоты при постоянном давлении, ;

3) со смешанным подводом теплоты, и .

Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4.

Циклы изобразить в Т,s- диаграмме.

Т

s

q2

р max

q1

Ответ: 1) h_t=0,602, Т_max=Т₃=1093 К, р_max=р₃=37,4 бар;

2) h_t=0,626, Т_max=Т₃=1366 К, р_max=р₃=44,3 бар;

3) h_t=0,656, Т_max=Т₄=1365 К, р_max=57,6 бар.

Рис. 4. Циклы ДВС с одинаковыми q₁ и р_max в Т,s- диаграмме

11. Сравнить термические КПД и максимальные температуры трех идеальных циклов ДВС с одинаковыми q₁=500 кДж/кг, максимальным давлением р_max=60 бар, и р₁=1 бар, t₁=20 °С (рис. 4):

1) ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме и t₃=1200 °С;

2) ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении;

3) ДВС со смешанным подводом теплоты и .

Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4.

Циклы изобразить в Т,s- диаграмме.

Ответ: 1) h_t=0,629, Т_max= Т₃ = 1473 К;

2) h_t=0,660, Т_max= Т₃ = 1444 К;

3) h_t=0,633, Т_max= Т₄ = 1450 К.

Контрольные вопросы

1. Какие основные преимущества у ДВС по сравнению с турбинными двигателями и поршневыми паровыми машинами?

2. Перечислите основные величины, характеризующие мощность четырехтактного ДВС.

3. Изобразите в Т,s- диаграмме идеальный цикл карбюраторного (с подводом теплоты при v=const) ДВС.

4. Какие величины характеризуют термический КПД карбюраторного ДВС и какие ограничения существуют в технической реализации его увеличения?

5. Изобразите в Т,s- диаграмме идеальный цикл дизельного ДВС (с подводом теплоты при р=const).

6. Какие величины характеризуют термический КПД дизельного ДВС?

7. Какие основные недостатки имеют дизельные ДВС?

8. Изобразите в Т,s- диаграмме идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (с подводом теплоты при v=const и р=const).

9. Какие величины характеризуют термический КПД ДВС со смешанным подводом теплоты?

10. Какие основные преимущества имеют ДВС со смешанным подводом теплоты по сравнению с дизельными ДВС?