Реферат: Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты

Автомобильный двигатель прошел длительный путь развития и с технической точки зрения является совершенным. Однако до настоящего времени наибольшее внимание в процессе его совершенствования уделялось достижению максимальной мощности, малой массы и размеров двигателя, минимальных производственных затрат. Теперь на первый план как важнейший критерий оценки двигателя выступает минимизация потребления им топлива. Снижения потребления топлива достичь непросто, и, кроме того, оно может оказывать неблагоприятное влияние на ряд параметров двигателя.

Несмотря на постоянно сокращающиеся возможности совершенствования современных двигателей внутреннего сгорания, им по-прежнему уделяется большое внимание. Это связано, прежде всего, с трудностями перевооружения такой громадной отрасли как автомобилестроение. Тем не менее, выполнение выдвигаемых на перспективу жестких требований к чистоте отработавших газов и экономичности, к бензиновым и дизельным двигателям внутреннего сгорания не представляется возможным.

Поэтому целесообразно уделять внимание радикальному изменению силовых установок механических транспортных средств. Одним из вариантов такого радикального изменения силовой установки является двигатель с внешним подводом теплоты. Возможности совершенствования, такого двигателя еще не исчерпаны. Необходимо совершенствовать как его термодинамический цикл, так и саму силовую установку его использующую.

Термодинамика

В настоящий момент для двигателей с внешним подводом теплоты наиболее известен термодинамический цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор. Но возможно применение и других термодинамических циклов в подобных двигателях.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл с изотермическим сжатием и адиабатическим расширением некого гипотетического двигателя. На рис.1 приведен такой идеальный термодинамический цикл, показанный в pV- и sT-координатах.

Рис. 1. Идеальный термодинамический цикл

В цикле принят изохорический процесс подвода теплоты так как, его термический КПД больше изобарического. Для упрощения расчетов, изохорический процесс 2–3 показан прямой линией.

Термический КПД цикла по sT-диаграмме рис.1а:

(1)

Термический КПД цикла по pV-диаграмме рис.2б:

(2)

где: λ – степень повышения давления; κ – показатель адиабаты; ε – степень сжатия.

Как видно из формулы (1) термический КПД такого цикла зависит от отношения температур холодильника и нагревателя, а формулы (2) – соответствия между необходимой производимой работой, степенью сжатия и количеством подводимой теплоты.

Например, при T₃ = 1173K; T₁ = 337K; ε = 6,5; κ = 1,6 и λ = 3,5 термический КПД цикла составит 0,55. Что, при прочих равных условиях, сопоставимо с термическим КПД цикла Стирлинга.

Но в реальном двигателе добиться, чтобы он работал по такому циклу конечно трудно, поэтому обобщенный термодинамический цикл реального двигателя будет выглядеть так, как показано на рис.2.

Рис. 2. Реальный термодинамический цикл

Работа

Для объяснения принципа работы ДВПТ по циклу с изохорическим сжатием и адиабатическим расширением воспользуемся рис.3.

Рис. 3. Принцип работы ДВПТ

Такт впуска (рис.3а). В верхней мертвой точке (ВМТ) открывается клапан расположенный в поршне и при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) рабочее тело, с давлением p₁ и температурой T₁ , поступает в цилиндр. В НМТ клапан в поршне закрывается.

Такт сжатия (рис.3б). При движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие рабочего тела, при этом выделяющаяся в процессе сжатия теплота Q₁ (см. рис.1) рассеивается в окружающей среде, вследствие этого температура стенки цилиндра, а, следовательно, и температура рабочего тела поддерживается постоянной и равной T₁ . Давление рабочего тела возрастает и достигает значения p₂ .

Такт расширения (рис.3в). В процессе нагревания теплота через стенку цилиндра передается рабочему телу. При мгновенном подводе теплоты Q₂ к рабочему телу давление и температура в цилиндре возрастают, соответственно до p₃ и T₃ . Рабочее тело воздействует на поршень и перемещает его к НМТ.В процессе адиабатного расширения рабочее тело производит полезную работу, а давление и температура уменьшаются до p₁ и T₁ .

Такт выпуска (рис.3г). При движении поршня к ВМТ в цилиндре открывается клапан и через него осуществляется выпуск рабочего тела из цилиндра, с давлением p₁ и температурой T₁ . В НМТ клапан в цилиндре закрывается.

Цикл замыкается.

Схема

Упрощенная схема двигателя представлена на рис.4.

Рис. 4. Схема работы ДВПТ

В двигателе такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах, соответственно компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны между собой через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В компрессионной магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной магистрали 4 находится нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3 подключена к компрессионному цилиндру 1 через выпускной клапан 7, а к расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через выпускной клапан 9, а к компрессионному цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12 цилиндров 1 и 2 связаны с валом двигателя 13 через механизм преобразования движения 14.

Заключение

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--