Lekcii_po_TekhnichTermodinamike

95

масса и объем смеси в цилиндре. Поэтому в термодинамических циклах они отсутствуют.

Важнейшими характеристиками всякого цикла ДВС являются следующие безразмерные величины.

Степень сжатия – отношение удельного объема рабочего тела, соответствующего началу сжатия (точка 1), к удельному объему в конце сжатия (точка 2):

удельному объему в начале этого процесса

v4 / v3 .

Степень последующего расширения – отношение удельных объемов в конце и в начале процесса адиабатного расширения. Последняя величина равна объему в конце процессов подвода теплоты

v5 / v4 .

Значение основных характеристик оказывают решающее влияние на величину работы ДВС и его экономичность.

Параметры рабочих процессов, определяемые при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

– в точке 2

– в точке 3

увеличением уменьшается.

Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты.

ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Назначение всякого теплового двигателя состоит в преобразовании теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых или газообразных теплив. Топливо может сжигаться вне тепловой машины — это так называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которых процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называют двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем (рис. 11.1). Горючая смесь (смесь топлива с воздухом) сгорает в цилиндре 1 с повышением температуры и давления. Продукты сгорания, воздействуя на поршень 2, перемещают его из крайнего верхнего положения (верхняя мертвая точка — ВМТ) в крайнее нижнее (нижняя мертвая точка — НМТ) (рис. 11.1, а).

Рис. 11.1. Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания

Процессы сгорания и расширения дают в совокупности рабочий ход (такт поршня). Чтобы можно было повторить эти основные процессы в двигателе, отработавшие продукты сгорания нужно удалить из цилиндра и наполнить его свежей порцией горючей смеси. Это происходит за два (такта) хода поршня:

97

прямой ход — выталкивание продуктов сгорания (рис. 11.1,б) и обратный ход

— всасывание воздуха или горючей смеси (рис. ИЛ, в). Процессы выталкивания и всасывания осуществляются при соответствующем открытии выхлопного 5 и всасывающего 3 клапанов, помещенных в головке цилиндра 4. Во время четвертого хода поршня производится сжатие воздуха или горючей смеси (рис. 11.1, г), и затем все процессы повторяются. Таким образом, рабочий процесс периодичен и каждый период складывается из четырех ходов поршня, производимых за два полных оборота коленчатого вала двигателя. Двигатели, работающие таким образом, называют четырехтактными. Двигатели, у которых процесс совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называются двухтактными. У них ход выталкивания и всасывания заменяется продувкой цилиндра, во время которой удаляются продукты сгорания и цилиндр заполняется воздухом или горючей смесью.

Рабочие процессы в двигателях исследуются с помощью особых приборов —

индикаторов. Они позволяют получить индикаторные диаграммы,

отображающие изменение давления в цилиндре двигателя. На индикаторных диаграммах по оси ординат откладываются абсолютные давления внутри цилиндра, а по оси абсцисс — соответствующие этому давлению изменения объема или перемещения поршня (рис. 11.2).

98

Рис. 11.3 Теоретическая индикаторная диаграмма ДВС

На рисунке А-А — линия атмосферного давления.

Индикаторная диаграмма дает возможность исследовать совершенство рабочих процессов в двигателе и определить индикаторные параметры двигателя: работу, кпд, мощность, удельный расход топлива. На рис. 11.3 представлена теоретическая индикаторная диаграмма, на которой линией b-а изображен процесс всасывания, линией а-с — процесс сжатия; c-z — процесс горения при постоянном объеме z`-z — процесс горения при постоянном давлении, z-e — процесс расширения продуктов сгорания, линией е-а-b— процесс выхлопа продуктов сгорания в атмосферу. На теоретической индикаторной диаграмме процессы сжатия и расширения — это политропные процессы с показателями политроп n1= 1,3... 1,38 и n2= 1,2... 1,32, зависящими от теплообмена между рабочим телом и стенками двигателя. Процессы всасывания b-a и выталкивания a-b не являются термодинамическими, так как параметры рабочего тела при этом не изменяются.

Площадь под линией всасывания представляет собой работу всасывания LBC, а площадь под линией а-b — работу выталкивания Lвыт. Эти процессы направлены в разные стороны и сумма работ (LBC + Lвыт) равна нулю. Однако индикаторная диаграмма не является круговым обратимым термодинамическим процессом — циклом и не дает возможности сравнительно просто определить изменение состояния рабочего тела в отдельных термодинамических процессах, из которых состоит цикл.

В основе работы двигателей внутреннего сгорания лежат идеальные круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу, т. е. идеальные циклы. Изучение их необходимо для оценки совершенства действительных тепловых процессов, происходящих в двигателях, а также факторов, влияющих на экономичность двигателя и развиваемую им работу.

При термодинамическом исследовании циклов полагают, что:

циклы замкнуты (в действительности же продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело); рабочее тело в цикле — идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

99

процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа,— обратимый процесс подвода теплоты q1 извне;

процесс уноса теплоты, содержащейся в продуктах сгорания, обратимый процесс отвода теплоты q2 от рабочего тела; механические потери, т. е. потери на трение и потери теплоты в окружающую среду (передача теплоты от стенок и унос теплоты охлаждающей водой), отсутствуют.

При таких предпосылках можно считать, что двигатели внутреннего сгорания работают по обратимым термодинамическим циклам. Термодинамическое исследование дает возможность определить принципы работы двигателей, параметры газа в характерных точках цикла, термический кпд и работу цикла. Термодинамические исследования циклов, как правило, сопровождаются графическиv изображением их на pv- и Ts-диаграммах.

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие идеальные циклы:

а) цикл со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке,

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100... 150 МПа.

Ри

Рис.11.4.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих-процессов (рис. 11.4, а, б): а-с — адиабатное сжатие; c-z` — изохорный подвод теплоты; z'-z— изобарный подвод теплоты; z-e — адиабатное расширение; е-а — изохорный

100

отвод теплоты. Цикл является как бы обобщающим для всех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом определяется заданием начального состояния в точке а и параметрами цикла: степенью сжатия а с , степенью

Степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vс. Разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра Vh .

в точке z'

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла, определяемые при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

Термический кпд смешанного цикла

Подставляя значения соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим

102

совершающего цикл. Несмотря на то что с увеличением степени сжатия растут термический кпд и полезная работа цикла при. больших степенях сжатия (ε<10), в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси. Еще более существенным является то обстоятельство, что с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры в конце сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. По этой причине двигатели, работающие по циклу v=const, имеют вполне определенные предельные значения степени сжатия (ε =5,5 ...9,0).

Явление детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому сорт применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия для двигателей легкого топлива.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

является также частным случаем обобщающего цикла при λ=1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0... 5,0 МПа и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты (рис. 11.6, а, б). Термический кпд и среднее давление цикла из (11.1) и (11.2) при λ=1 равны:

Влияние ε на ηtpтакое же, как и в предыдущих циклах, т. е. с увеличением степени сжатия увеличивается и термический кпд цикла. При увеличении степени предварительного расширения ρ, как видно из формулы (11.5), термический кпд цикла должен падать. При постоянной степени сжатия увеличение ρ вызовет увеличение объема z , который зависит от подводимого

Сопоставляя значения термических кпд циклов с подводом теплоты при =

Рис.11.7. Рис.11.8.

Термодинамическая эффективность каждого из рассмотренных циклов зависит от конкретных условий его осуществления. Целесообразнее сравнивать циклы при различных степенях сжатия ε, но при одинаковых максимальных давлениях и температурах и одинаковом отведенном количестве теплоты q2 .

Из Ts -диаграммы (рис. 11.7) следует, что наибольший термический кпд будет у цикла с подводом теплоты при р=const: tp tсм t ; кпд смешанного цикла

имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при р =const и v = const.

При оптимальных степенях сжатия (цикл Отто — ε<10, цикл Дизеля и

смешанный — ε =16 и 22 соответственно) λu=3,2 ... 4,2, λсм =1,6 ...2,0, см =1,3...

1,7,

tсм tp t ,

что видно из рис. 11.8. Поэтому все выпускаемые сейчас дизели работают по смешанному циклу.

Цикл стирлинга

Двигатель Стирлинга — газовый двигатель поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

104

Одна из возможных конструктивных схем двигателя Стирлинга, когда рабочий 5, и вытеснительный 1 поршни находятся в одном цилиндре, дана на рис.11.9.

Рис.11.9. Схема двигателя Стирлинга

В процесе перекачки в горячую полость (над рабочим поршнем) рабочее тело в регенераторе 3 и нагревателе 4 получает теплоту, а в процессе перекачки в холодную полость (под рабочим поршнем) отдает теплоту в регенераторе 3 и охладителе 2. Для осуществления этих процессов движение вытеснительного поршня 1 сдвинуто по фазе по отношению к движению рабочего поршня 5.

Рис.11.10. Идеальный цикл Стирлинга

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов (рис. 11.10, а, б). В процессе а-с холодное рабочее тело сжимается в изо-термическом процессе

Ta Tc T2 при интенсивном отводе теплоты . В процессе c-z поршеньвытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что

перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей

полости в холодную const с отводом теплоты q` . Отличительной

e a 2

особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело, перемещаясь из