Краткие теоретические сведения. Циклы двигателей внутреннего сгорания.

В циклах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в качестве рабочего тела используются воздух и продукты сгорания, которые можно считать идеальными газами. Совершаемые при этом процессы считают обратимыми.

При исследовании идеальных циклов и, следовательно, обратимых, процессы впуска и выпуска, как не являющиеся термодинамическими, в цикл не входят. В действительных машинах происходят необратимые процессы: рабочий процесс машины сопровождается неизбежными потерями (трение, теплопроводность при конечных разностях температур, излучение), и при исследовании принимается, что движение поршней в них происходит с конечными скоростями. Необратимые явления снижают экономичность цикла.

Циклы ДВС бывают:

с подводом теплоты при постоянном объеме (W=const) – реализуемые в карбюраторных ДВС;

с подводом теплоты при постоянном давлении (р=const) – реализуемые в компрессорных дизелях;

со смешанным подводом теплоты (W=const, р=const) – реализуемые в бескомпрессных дизелях.

Так как компрессорные дизели в настоящее время не выпускаются, остановимся на первом и третьем циклах.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме рассмотрим на примере четырехтактного двигателя, теоретическая индикаторная диаграмма которого показана на рис.1. При движении поршня слева направо (первый такт, процесс а-1) в цилиндр всасывается смесь воздуха и паров бензина, которая при обратном движении поршня (второй такт) адиабатно сжимается (процесс 1-2). Так как при адиабатном сжатии температура смеси повышается, степень сжатия (ε =W₁/W₂) выбирают такой, чтобы в точке 2 она была меньше температуры самовоспламенения топлива. Сжатая смесь воздуха и паров бензина воспламеняется электрической свечой С, в результате чего давление рабочего тела быстро возрастает (процесс 2-3) при неизменном объеме. Третий – рабочий такт двигателя – адиабатное расширение (процесс 3-4). После этого отработавшие газы покидают двигатель и давление в цилиндре падает (процесс 4-1). Четвертый такт двигателя (процесс 1-а) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов.

Подвод теплоты q₁ осуществляется в изохорном процессе 2-3, а отвод теплоты q₂ - в процессе 4-1. Теплоту этих процессов можно рассчитать по формулам:

q₁= u₃-u₂=c_w(T₃-T₂);

q₂= u₄-u₁=c_w(T₄-T₁);

а термический КПД – по формуле:

η_t = 1 - q₂/q₁ = 1 - (T₄-T₁)/ (T₃-T₂) = 1 – 1/ ε^k.

где ε -степень сжатия, k - показатель адиабаты.

Таким образом, термический КПД карбюраторного ДВС зависит от степени сжатия и показателя адиабаты и увеличивается вместе с возрастанием этих величин, но повышение степени сжатия ограничено температурой воспламенения топлива.

Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты, рис.2, в котором сжимается (процесс 1-2) чистый воздух, имеет более высокий коэффициент полезного действия. Степень сжатия ε =W₁/W₂ в этом случае заметно больше, чем в карбюраторном ДВС, и, как следствие, температура Т₂ в конце сжатия больше температуры воспламенения топлива. Поэтому топливо, введенное в цилиндр, самовоспламеняется и сгорает сначала при постоянном объеме (процесс 2-3), а затем при постоянном давлении (процесс 3-4). В остальном цикл повторяет цикл карбюраторного ДВС.

Подвод теплоты в этом случае осуществляется в изохорном 2-3 и изобарном 3-4 процессах:

q₁^w = u₃ - u₂ = c_w(T₃-T₂);

q ^p = u₄ - u₁ = c_p(T₄-T₁);

а отвод – в изохорном процессе 5-1: q₂= u₅ - u₁ = c_w(T₅ - T₁);

Термический КПД такого цикла определяют по формуле:

η_t = 1 - q₂/q₁ = 1 - q₂/( q₁^w + q₁^p).

Изучение термодинамических циклов энергетических установок, несмотря на их различие, позволяет наметить пути повышения КПД. Это, во-первых, повышение верхней и понижение нижней температуры цикла. При заданных значениях верхней и нижней температур предпочтение должно отдаваться тем циклам, которые по своей конфигурации больше похожи на цикл Карно, что является вторым путем повышения эффективности энергетических установок.

Практическая работа № 7.

Тема: Водяной пар.

Цель работы: ознакомиться с процессом парообразования

в p-w координатах;

Ход работы:

1. Напишите уравнение Ван-дер-Ваальса и поясните его смысл.

2. Объясните, в чем сущность поправки Вукаловича-Новикова к уравнению Ван-дер-Ваальса.

3. Объясните процесс парообразования по p-w диаграмме.

4. Напишите формулу для определения плотности насыщенного пара и поясните ее смысл.

5. Напишите формулу для определения энтальпии перегретого пара.

6. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1. Что называется температурой насыщения?

2. Что называется степенью сухости и степенью влажности водяного пара?

3. Что называется критической точкой на p-w диаграмме процесса парообразования?

4. Что называется теплотой парообразования?