укажите по каким термодинамическим циклам работают двс

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) благодаря высокой экономичности, небольшой массе, быстрому запуску нашли применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиации и на транспорте. ДВС относятся к тепловым двигателям, в которых все рабочие процесс протекают внутри рабочих цилиндров. Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, а остальная часть отдается окружающей среде.

Циклы ДВС в зависимости от способа подвода теплоты к рабочему телу подразделяются на три группы:

1. с подводом теплоты при постоянном объеме – υ=const (цикл Отто);

2. с подводом теплоты при постоянном давлении – р=const (цикл Дизеля);

3. со смешанным подводом теплоты: частично при υ=const, а затем при p=const (цикл Тринклера).

4.1 Цикл ДВС с подводом теплоты при υ=const

При термодинамическом анализе циклов ДВС приняты следующие допущения, позволяющие анализировать работу двигателей.

1. В качестве рабочего тела принимается идеальный газ, теплоемкость которого не зависит от температуры.

2. Цикл замкнут, и на всех его стадиях качественный и количественный состав рабочего тела остается неизменным.

3. Теплота к рабочему телу подводится от внешнего горячего источника, а не за счет сжигания топлива, а отводится к внешнему холодному источнику, а не выбросом в атмосферу.

4. Процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают без теплообмена с внешней средой.

5. Отсутствует трение между элементами шатунно-поршневой группы и гидравлическое сопротивление в клапанах и подводящих трубопроводах.

6. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно мала.

Теоретический замкнутый цикл Отто при принятых допущениях представлен на рис.9 и рис.10 цикл состоит из двух адиабат и двух изохор.

Рис.9. Цикл Отто в р-υ диаграмме.

Рис.10. Цикл Отто в T-s диаграмме.

Количество подведенной теплоты q₁ и отведенной q₂ в идеальном цикле можно представить произведением теплоемкости процесса на соответствующую разность температур

Теплота, эквивалентная совершенной полезной работе цикла, в соответствии с первым законом термодинамики составляет величину

Термический КПД цикла находится из известного выражения

где k=c_р/с_υ – показатель адиабаты; ε=р₂/р₁ – степень сжатия.

Из последнего выражения следует, что термический КПД цикла Отто зависит от показателя адиабаты и степени сжатия рабочей смеси. Величина k учитывает свойства рабочего тела и определяется его молекулярным составом. Степень сжатия зависит от конструкции двигателя и состава рабочей смеси. С возрастанием ε и k термический КПД цикла увеличивается. Из выражения также следует, что для данного рабочего тела величина КПД в цикле Отто зависит только от степени сжатия. Именно по пути увеличения степени сжатия шло развитие и совершенствование ДВС. Однако оказалось, что увеличение степени сжатия рабочей смеси ограничивается температурой T₂ конца сжатия, при которой возникает опасность самовоспламенения горючей смеси еще до прихода поршня в крайнее верхнее положение, что нарушает нормальную работу двигателя.

4.2 Цикл ДВС с подводом теплоты при р=const

Стремление повысить термический КПД двигателя за счет увеличения степени сжатия привело к замене легковоспламеняемой рабочей смеси негорючим рабочим телом. Был создан новый двигатель – дизель, в цилиндре которого сжимается чистый воздух до высокого давления, а топливная смесь вводится в камеру сгорания специальным компрессором в конце процесса сжатия. Это позволило исключить преждевременное самовоспламенение смеси, что сдерживало повышение термического КПД в цикле Отто. Рабочая смесь воспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха, намного превышающей температуру самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр двигателя подается постепенно, а не сразу, что обуславливает его постепенное, а не мгновенное сгорание. При этом давление цилиндре несколько повышается, но остается более или менее постоянным за счет постепенного увеличения объема камеры сгорания при движении поршня.

Идеализированный цикл ДВС с изобарным подводом теплоты состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), одной изобары (2-3) и изохоры (4-1).

В цикле Дизеля повторяются те же периоды, что и в цикле Отто, и он состоит из следующих процессов (рис.12):

1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха до давления р₂ и температуры T₂;

2-3 – процесс сгорания топлива при р=const, при этом происходит изобарный подвод теплоты q₁ к рабочему телу; этот процесс является частью рабочего хода поршня, при котором объем цилиндра увеличивается от υ₂ до υ₃, что обеспечивает примерно постоянное давление процесса горения;

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела, продолжается рабочий ход поршня, во время которого совершается внешняя механическая работа двигателя; температура и давление продуктов сгорания падают, а объем увеличивается;

4-1 – процесс выброса в атмосферу отработавших газов, а сними и теплоты q₂.

Характеристиками цикла являются степень сжатия ε=р₂/р₁ и степень предварительного расширения ρ=υ₃/υ₂. Tермический КПД цикла Дизеля согласно общему выражению

Соотношение показывает, что термический КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении также зависит от степени сжатия и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения.

Рис.12. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля).

Степень сжатия в двигателях Дизеля определяется температурой воспламенения топлива и лежит в пределах ε=13-18. дальнейшее увеличение степени сжатия в целях увеличения КПД оказывается нецелесообразным и сводится на нет резким уменьшением механического КПД двигателя. Это связано с возникновением значительных сил сопротивления в узлах трения, увеличивающихся с возрастанием давления в цилиндре.

Двигатели, работающие по циклу Дизеля, имеют ряд преимуществ по сравнению с циклом Отто: более высокий КПД, отсутствует карбюратор, нет запального устройства, используется дешевое низкосортное топливо.

4.3 Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты при υ=const и р=const

Стремление упростить конструкцию и улучшить работу двигателей Дизеля привело к созданию бескомпрессорного двигателя со смешанным сгоранием рабочего тела. Цикл, по которому работают такие двигатели, получил название цикла Тринклера.

Рис.12. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера).

Термический КПД цикла:

Из анализа выражения следует, что термический КПД цикла Тринклера возрастает с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ.

Все современные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от теплоты сжатия работают по циклу со смешанным сгоранием топлива, что объясняется более высокими значениями термического КПД по сравнению с другими рассмотренными циклами.

Источник

Укажите по каким термодинамическим циклам работают двс

Теоретические PF-диаграммы термодинамического процесса, протекающего в ДВС, позволяют оценивать степень совершенства рабочего цикла реального двигателя. В отличие от рабочих циклов, протекающих в реальных двигателях, в термодинамических циклах допускается следующее:

• отсутствие каких-либо потерь, кроме отдачи теплоты холодному источнику;

• цикл протекает с постоянным количеством рабочего тела (газа);

• химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла;

• процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с окружающей средой и тепловых потерь.

Следовательно, термодинамический цикл является предельным циклом, к которому следует стремиться при осуществлении рабочего цикла в реальных двигателях.

Для улучшения экономичности рабочего цикла в ДВС желательно увеличивать степень сжатия е и использовать процесс сгорания топлива с подводом теплоты при постоянном объеме — цикл Отто (рис. 6.10, а):

2— 3 — нагревание газа за счет подвода теплоты Qb вследствие чего возрастает давление газа при постоянном объеме;

3— 4— расширение газа (рабочий ход);

4— 1 — охлаждение газа за счет отвода теплоты Q2.

Рис. 6.10. Индикаторные диаграммы термодинамических циклов:

а — с сообщением теплоты при постоянном объеме; б — с сообщением теплоты при постоянном давлении; в — с сообщением теплоты при постоянных объеме и давлении; Кс — объем камеры сжатия; Ум — рабочий объем; б,, £>’ь б», — подведенная теплота; £?2 — отведенная теплота; Ь — полезная работа; г — точка максимального давления газов в цилиндре; 1— 4 — характерные точки рабочего

С повышением степени сжатия е КПД цикла возрастает. Однако при увеличении е в цилиндрах двигателя резко возрастают максимальные давления и температура, а следовательно, повышаются потери на трение. Поэтому увеличение степени сжатия больше 15 нецелесообразно, так как это практически не влияет на экономичность ДВ С.

Индикаторная диаграмма термодинамического процесса с сообщением теплоты Qx при постоянном давлении и отводе теплоты Q2 при постоянном объеме — цикла Дизеля —- показана на рис. 6.10, б:

1— 2 — сжатие газа (более высокая степень сжатия по сравнению с циклом Отто;

2— 3 — вследствие подвода теплоты Qx увеличивается объем при постоянном давлении;

3— 4 — расширение газа;

4— 1 — отвод теплоты Q2 от газа при постоянном объеме.

В процессе сжатия (адиабата 1—2) вся затраченная работа идет на повышение внутренней энергии рабочего тела, т. е. его температуры. В данном цикле (2—3) подведенная теплота Qx расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела и выполнение внешней работы. В процессе расширения (3—4) рабочего тела совершается работа L по преодолению сопротивления внешних сил. Изохорный процесс (4—1) соответствует отводу теплоты Q2 от рабочего тела.

Индикаторная диаграмма обобщенного идеального термодинамического цикла (смешанный цикл) изображена на рис. 6.10, в:

1— 2— сжатие рабочего тела;

2— z — подвод теплоты Q\ при постоянном объеме;

Z—3 — подвод теплоты Q’\ при постоянном давлении, при котором выполняется полезная работа;

3— 4 — расширение (4^1) рабочего тела, при котором совершается полезная работа — отвод теплоты Q2 при постоянном объеме.

Полезная работа L, полученная в идеальной тепловой машине, изображается площадью 1—2—z—3— 4— 1, расположенной внутри диаграммы термодинамического цикла.

Степень использования теплоты в термодинамическом цикле (идеальном) называется термическим коэффициентом полезного действия тепловой машины и определяется по формуле

Идеальные циклы необходимы для сравнения индикаторных диаграмм действительных машин. По величине отклонения действительных циклов от идеальных намечают меры по усовершенствованию реальных двигателей.

Источник

Укажите по каким термодинамическим циклам работают двс

Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания бывают трех видов:
— цикл с подводом тепла при постоянном объеме (карбюраторные и газовые двигатели);
— цикл с подводом тепла при постоянном давлении (компрессорные дизели);
— цикл со смешанным подводом тепла (бескомпрессорные дизели).

В двигателях внутреннего сгорания работа совершается в процессе расширения рабочего тела. Чтобы двигатель работал постоянно, надо многократно возобновлять процесс расширения. Для этого рабочее тело после его расширения в цилиндре нужно сжать и снова подвести к нему тепло, т.е. возвратить рабочее тело в первоначальное (исходное) состояние. Таким образом происходит замкнутый круговой процесс, или цикл.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Из данной формулы видно, что к. п. д. термодинамического цикла зависит от степени сжатия е и показателя адиабаты к. Чем выше степень сжатия, тем больше термический к. п. д. двигателя. Практически такие двигатели имеют степень сжатия до 8-9, так (как более высокая степень сжатия рабочей смеси приводит к преждевременному ее воспламенению и снижению мощности.

Полезная работа цикла будет увеличиваться при повышении разности температур (Г3 — Т2) и уменьшении разности температур (Г4 — Ti), а также при повышении степени сжатия е.

Различают два основных теоретических цикла:
1. С подводом теплоты при постоянном объеме рабочего тела, соответствующего рабочему процессу карбюраторного и газового двигателей.
2. Со смешанным подводом теплоты, т. е. с подводом части теплоты при постоянном объеме и части — при постоянном давлении, что соответствует рабочему процессу дизельного двигателя со смешанным циклом смесеобразования.

Теплота от рабочего тела в обоих циклах отводится при постоянном объеме. Теоретические циклы графически изображаются в виде PV-диаграмм. При рассмотрении теоретических циклов делаются следующие допущения:
1. В цилиндре условного двигателя находится постоянное количество рабочего тела, совершающего замкнутый цикл.
2. Процессы подвода теплоты от внешнего источника и отвода ее на сторону происходят мгновенно.
3. Теплоемкость рабочего тела, находящегося в цилиндре, постоянна в течение всего цикла и не зависит от температуры.
4. Процессы сжатия и расширения рабочего тела происходят без теплообмена с окружающей средой, т. е. стенки цилиндра считаются нетеплопроводными.

В начале цикла поршень находится в н.м.т., что соответствует точке а диаграммы. При перемещении поршня и сжатии газа, находящегося в цилиндре, повышаются его температура и давление, что находит отражение на диаграмме в виде адиабаты а—с. Точка с соответствует положению поршня в в.м.т. В конце сжатия к газу подводится мгновенно теплота Qi от внешнего источника, что приводит к резкому повышению давления при постоянном объеме газа (изохора с—г). Под действием возросшего давления газ, расширяясь, перемещает поршень вниз к н.м.т., совершая при этом механическую работу (адиабата z—b). Объем газа при этом плавно увеличивается, а давление и температура соответственно уменьшаются. Расширение газа заканчивается в н.м.т. (точка b), где от газа мгновенно отводится теплота холодильному источнику. Уменьшение температуры газа приводит к снижению давления до первоначального р0 (изохора b—а).

Источник

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ 0, A > 0, Q₂ T₂

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q₁ = A₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T₂ 0, T₁ > T₂

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q₂| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении β_х может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q₁| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность β_Т теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

следовательно, β_Т всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Источник

Термодинамические циклы двигателей

В настоящее время источниками механической энергии в автомобилях являются в основном двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями, поэтому необходимо в первую очередь найти пути уменьшения этих потерь и достичь максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе. Для этой цели, прежде всего, нужно выбрать оптимальный термодинамический цикл.

В двигателе внутреннего сгорания применяют два различных термодинамических цикла. Бензиновый двигатель работает таким образом, что в цилиндр на такте впуска всасывается топливовоздушная смесь, которая далее на такте сжатия сжимается, затем в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), зажигается электрической искрой и сгорает. Возникшие при горении газы расширяются за счет выделяющейся теплоты, их давление повышается, и под действием этого давления происходит рабочий ход поршня. При последующем движении поршня до ВМТ из цилиндра отводятся отработавшие газы. Такой идеализированный цикл (цикл Отто) предполагает заполнение и очистку цилиндра при положении поршня в мертвых точках и протекание сгорания при положении поршня в ВМТ.

Другой термодинамический цикл (цикл Дизеля) протекает подобным образом с тем лишь отличием, что сгорание происходит не при неподвижном поршне, а во время его перемещения из ВМТ таким образом, что давление газов в процессе горения остается постоянным и только после полного сгорания топлива начинается их расширение. В действительности в обоих описанных циклах горение происходит при движущемся поршне и изменяющемся давлении, т. е. действительные циклы двигателей внутреннего сгорания являются циклами со смешанным подводом теплоты. Подробнее рассмотрение обоих циклов и их различия можно найти в специальной литературе.

Важным является КПД двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу. Индикаторный КПД не учитывает механических потерь и потерь при газообмене, так что эффективный КПД двигателя представляет собой произведение индикаторного на механический КПД. Таким образом, более полного использования энергии топлива можно достичь улучшением не только индикаторного, но и механического КПД.

При работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах. Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.

Так, использование теплоты, поглощенной охлаждающей жидкостью, которую в принципе необходимо отвести от двигателя для отопления кабины или кузова, является типичным примером экономии топлива, необходимого для независимого отопления. Такими же примерами служат обогрев отработавшими газами кузовов грузовых автомобилей, которые перевозят смерзающиеся грузы (руду, уголь, жидкости), использование энергии отработавших газов для привода турбокомпрессора или вспомогательной турбины, подогрев отработавшими газами гидридного аккумулятора для извлечения из него водорода.

В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используется цикл Карно.

При сравнении циклов тепловых двигателей применяются три их типа, отличающиеся процессом изменения давления и температуры газа в цилиндре:

В цилиндрах тепловых двигателей происходят изменения состояния газа, среди которых для сравнения наиболее важны следующие:

Примером политропного процесса является такт сжатия двигателя внутреннего сгорания. В начале этого такта теплота к поступившему при впуске холодному газу подводится от горячих стенок цилиндра, а в конце такта газ, нагретый в результате сжатия до температуры, превышающей температуру стенок цилиндра, уже отдает теплоту стенкам цилиндра.

В случае идеальных термодинамических циклов предполагается, что теплообмена со стенками цилиндра нет, т. е. процессы носят адиабатический характер.

Циклы двигателей внутреннего сгорания

Рис. 1. p—V- и T—S-диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Q_p и отводимой Q₀ теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 2. Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения. Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре при сгорании почти постоянным.

Рис. 2. p—V- и T—S-диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

Рис. 3. p—V- и T—S-диаграммы цикла со смешенным подводом теплоты

Рис. 4. p—V- и T—S-диаграммы цикла Карно

В двигателе внутреннего сгорания после расширения газов из цилиндра вместе с ними отводится и содержащаяся в них теплота. В цилиндр затем поступает холодный воздух из окружающей атмосферы. У четырехтактного двигателя это достигается прибавлением такта выпуска и такта впуска, а у двухтактного — продувкой цилиндра при положении поршня в НМТ.

У газотурбинного двигателя сжатие и расширение газа протекает во вращающихся компрессоре и турбине. Давление газа в камере сгорания, если пренебречь потерями от завихрений, почти не меняется, так что давление на выходе компрессора практически равно давлению на входе турбины. Подробнее об этом рассказано в статье «Газотурбинный двигатель».

Двигатели внешнего сгорания

Поскольку здесь рассматривается только один практический вопрос — снижение расхода топлива при условии обеспечения эффективного и экономичного функционирования автомобиля, выше были изложены лишь основные принципы, необходимые для понимания циклов работы двигателей.

Для привода автомобиля ранее применялся паровой двигатель, о котором конструкторы не забывают и сегодня. Поэтому кратко поясним принципы работы паросиловой установки по циклу Ранкина.

Рис. 5. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина:
1 — паровой котел; 2 — перегреватель; 3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насос.

Полезная работа парового двигателя определяется разницей работ, совершаемых собственно паровой машиной и питающим насосом. Так как объем воды, подаваемой насосом в котел, незначителен по сравнению с объемом пара, выходящего из котла при постоянном давлении, то при низких значениях давления работа этого насоса весьма мала и ее можно не учитывать. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где процесс сгорания топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, паровой двигатель не имеет камеры сжатия (сгорания). Это явный выигрыш, поскольку камера сжатия — вредное пространство, которое должно быть минимальным.

Отрицательное свойство парового двигателя состоит в том, что теплота к рабочему телу подводится через металлическую стенку, которая должна иметь высокую термостойкость и прочность. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы работают под давлением выше 10 МПа и при температуре пара 470 °C, величина температуры рабочего тела остается почти на 2000 °C меньше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Минимальная температура T₂ может быть у сравниваемых циклов одинаковой, так как это практически температура окружающего воздуха. У парового двигателя с конденсатором легко достижимо значение T₂ = 40 °C.

У хорошей паровой турбины КПД составляет примерно 34 % в сравнении с 40 % у двигателя внутреннего сгорания. Однако при использовании паровой турбины необходимо учитывать, что КПД котла составляет примерно 85 %, так что общий КПД паровой турбины в целом падает до 28,9 %. Топливо для котла дешевле нефтяных моторных топлив, так как в качестве него может использоваться уголь. Теплотворная способность угля, правда, меньше, чем нефти, однако если в качестве котельного топлива используют природный газ или мазут, то разница в затратах по сравнению с углем невелика.

Комбинированная силовая установка

У двигателя внутреннего сгорания отработавшие газы имеют в конце процесса расширения температуру выше 1000 °C, но использовать их теплоту путем дальнейшего расширения в поршневом двигателе очень трудно.

Перевод газа с температурой 1000 °C из одного двигателя в другой связан с большими тепловыми потерями и техническими трудностями. В частности, поршневой двигатель с классическим кривошипным механизмом для дальнейшего расширения отработавших газов с такой температурой непригоден вследствие его размеров и массы.

Для использования энергии большого количества отработавших газов со сравнительно низким давлением наиболее пригодна газовая турбина. Она обычно и применяется для повторного цикла расширения газов и служит при этом либо для привода центробежного компрессора, подающего воздух в двигатель (двигатели с газотурбинным наддувом), либо передает свою мощность (например, через зубчатую передачу) непосредственно на коленчатый вал двигателя (так называемый турбокомпаундный двигатель).

Для использования теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания может быть применен и цикл Ранкина. Отработавшие газы, нагревают жидкость (например, фреон), пары которой поступают в роторный двигатель. Этот двигатель имеет меньшие размеры и лучше сбалансирован, чем поршневой с кривошипным механизмом.

Конструкция такой комбинированной силовой установки (рис. 6 и 7) уже испытывается. Однако следует учитывать, что в ней можно использовать лишь некоторую часть энергии отработавших газов, соответствующую КПД цикла Ранкина.

Рис. 6. Комбинированная силовая установка:
1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – роторный двигатель на фреоне; 3 – ротор; 4 – вращающийся впускной золотник; 5 – тарельчатый выпускной клапан; 6 – выпускная труба.

Рис. 7. Схема комбинированной силовой установки:
1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – выпускная труба; 3 – теплообменник «отработавшие газы – фреон»; 4 – насос подачи фреона; 5 – дроссельный клапан подачи паров фреонов; 6 – роторный двигатель на фреоне; 7 – муфта свободного хода; 8 – теплообменник «фреон – вода»; 9 – бак с фреоном; 10 – водяной насос двигателя; 11 – радиатор двигателя; 12 – конденсатор воды из отработавших газов двигателя.

Кроме описанной схемы с роторным двигателем на фреоне, известны также испытания комбинированной установки, состоявшей из двигателя внутреннего сгорания фирмы «Мак» (США) с турбонаддувом мощностью 212 кВт и паровой турбины, пар в которую поступал из котла, нагреваемого теплотой отработавших газов двигателя. Установленный на грузовом автомобиле для магистральных перевозок двигатель «Мак» работает большей частью с полной мощностью и потому наиболее пригоден для использования теплоты отработавших газов. Паровая турбина в опытах развила мощность 40 кВт, что соответствовало повышению мощности и, следовательно, экономичности установки на 19 %.

Источник