Термодинамический цикл Тринклера

ЛЕКЦИЯ № 11

МДК.01.01. Основы эксплуатации, технического обслуживания и ремонта судового энергетического оборудования

(Судовые двигатели внутреннего сгорания)

Тема: Теоретические циклы работы дизельных двигателей.

Учебные вопросы:

Вступление

1. Идеальные или теоретические циклы

2. Термодинамические циклы

Выводы, ответы на вопросы, задание на самостоятельную подготовку

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ

Вступление

Двигатели внутреннего сгорания, как тепловые машины, характеризуются соответствующими идеальными термодинамическими циклами (русскоязычный термин) или теоретическими циклами (англоязычный термин).

Идеальные или теоретические циклы

Идеальный цикл представляет собой совокупность элементарных термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

При рассмотрении идеальных циклов принимают следующие основные допущения:

1) в идеальном цикле участвует постоянное количество идеаль­ного газа неизменного состава с постоянной теплоемкостью;

2) процессы сжатия и расширения принимаются адиабатными, т. е. без теплообмена с окружающей средой и с постоянной энтро­пией;

Рис. 1. Теоретический цикл дизельного двигателя (Тринклера)

3) процессы сгорания топлива заменяются процессами подвода теплоты от теплоотдатчика с бесконечно большой теплоемкостью и постоянной высокой температурой. Процессы газообмена заме­няются процессами отвода теплоты к теплоприемнику с постоянной низкой температурой и бесконечной теплоемкостью (бесконечность теплоемкостей обеспечивает постоянство температуры теплоотдатчика и теплоприемника при отводе и подводе теплоты);

4) все процессы, составляющие идеальный цикл, являются обратимыми, т. е, в цикле отсутствуют всякие потери, кроме от­дачи теплоты теплоприемнику, которая необходима для преобра­зования теплоты в механическую работу.

Теоретический цикл (Theoretical cycle). Основными составляющими (basic consists) фактического цикла Дизеля (diesel cycle) являются: впуск свежего заряда воздуха (air inlet), сжатие (compression), сгорание (combustion), расширение (expansion) и в конце выпуск отработанных газов (finally exhaust).

В теоретическом же цикле приняты следующие допущения (following is assumed):

- физические (physical) и химические свойства (chemical properties) рабочей жидкости (working fluid) остаются неизменными (remain unchanged) в пределах цикла (within the cycle);

- в течение теоретического цикла количество рабочих жидких остатков (working fluid remains) постоянно (constant), поэтому процесс заполнения цилиндра (process of filling the cylinder) свежим зарядом газа (fresh charge of gas) и удаление отработанных газов является несуществующим (nonexistent);

- процессы сжатия и расширения газов считаются изоэнтропическими (isentropic);

- после сжатия (after compression) рабочая жидкость получает теплоту от внешнего источника тепла (external source of heat), а после расширения (after expansion) отдает теплоту (rejects heat) холодному источнику (cold source).

Для поршневых ДВС, как правило, рассматриваются три основных идеальных или теоретических цикла: Отто, Дизеля и Тринклера. Дизельные двигатели бывшего СССР работали по циклу Тринклера. В последнее время большинство дизельных двигателей переведено на работу по циклу Миллера. А дизельные двигатели компании «Wartsila NSD» переведены на работу по циклу Дизеля. Цикл Отто используется в автомобильных бензиновых двигателях.

Термодинамические циклы

2.1 Термодинамический цикл Отто (Otto-process)

Николаус Отто в августе 1887 года получил патент на четырехтактных атмосферный двигатель. Позднее совместно с Э. Лангеном построил атмосферный двигатель мощностью 0,635 л.с. с КПД 15 % (высокая в 4 раза экономичность).

Рис. 2. Термодинамический цикл Отто

В атмосферном двигателе со свободным поршнем в нижней части цилиндра под поршнем горючая смесь воспламенялась электрической искрой. Под давлением продуктов сгорания поршень двигался вверх. Движение вниз поршень осуществлял под собственным весом и давлением атмосферного воздуха. Движение поршня преобразовывалось во вращение выходного вала при помощи зубчато-реечной передачи и шариковой муфту свободного хода.

Подвод теплоты q_1v происходит при постоянном объеме V = const и отвод теплоты q₂ происходит при постоянном объеме V = const.

2.2 Термодинамический цикл Дизеля (Diesel-process)

Рудольф Дизель (Германия) в 1892 году получил патент на тепловой двигатель с адиабатическим сжатием чистого воздуха до давления 25 МПа и достижением температуры 800 °С, при которой в цилиндр впрыскивается газообразное, жидкое или пылеобразное твердое топливо. Первые образцы построенных двигателей испытаний не выдержали. Лишь 10 июня в 1898 году построенный братьями Зульцер (Швейцария) первый дизельный двигатель с КПД 36 % начал работать.

Рис. 3. Термодинамический цикл Дизеля

В 1899 году на заводе Нобеля (Россия) был выпущен первый дизельный двигатель мощностью 20 л.с., работающий на сырой нефти. В 1993 году в России впервые в мире на нефтеналивном судне «Вандал» дедвейтом 820 т установлены три трехцилиндровых двигателя Нобеля мощностью по 120 л.с.

Подвод теплоты происходит q_1р производится при постоянном давлении Р = const, а отвод теплоты q₂ происходит при постоянном объеме V = const.

Термодинамический цикл Тринклера

В цикле профессора Г.В. Тринклера рабочий цилиндр заряжается чистым воздухом, который сжимается до температуры, превышающей точку самовоспламенения нефтяного топлива.

Рис. 4. Теоретический цикл Тринклера

Из всей порции топлива, подлежащей сгоранию за один раз, некоторая ее долясгорает мгновенно при постоянном объеме, а остальная доля сгорает при постоянном давлении.

Таким образом, смешанный подвод теплоты осуществляется сначала при постоянном объеме V = const, а потом при постоянном объеме V = const. Отвод теплоты q₂ происходит при постоянном объеме V = const.