Вопрос 62.Термодинамические циклы. Термодинамические циклы поршневых двс

Циклом теплового двигателя называют круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу. Все термодинамические процессы действительного цикла, осуществляемого в реальном двигателе, в той или иной степени необратимы. Необратимость процессов, например, связана с наличием трения в потоке газа, на преодоление которого затрачивается работа. На практике широко распространен анализ обратимых термодинамических циклов, вследствие их наглядности, простоты анализа и расчетов. Обратимый цикл является как бы эталонным циклом, обладающим максимальным термическим к.п.д. _т при тех же параметрах. При их исследовании принимают следующие допущения:

1. Рабочее тело – идеальный газ.

2. Масса рабочего тела неизменная и одинаковая во всех процессах;

3. Изменением теплоемкости рабочего тела пренебрегают или учитывают изменение теплоемкости в зависимости от температуры и состава смеси газов.

4. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется ее отдачей от горячего источника.

5. Процессы газообмена заменяют обратимым процессом с отводом теплоты от рабочего тела холодному источнику.

6. Процессы сжатия и расширения принимают адиабатными.

ДВС – тепловая машина, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором − продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.

В ДВС давления рабочего тела не слишком высоки и температуры его намного превышают критические, что позволяет с хорошим приближением рассматривать рабочее вещество как идеальный газ; что существенно упрощает термодинамический анализ цикла.

ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей. Во - первых, нет необходимости в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему телу. Во-вторых, в ДВС предельное значение непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего тепло не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела может существенно превосходить предел допустимости для конструкционных материалов. К тому же стенки цилиндра и головки двигателя удобно охлаждать, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический к.п.д.

Различают три основных вида циклов поршневых ДВС: цикл Отто (сгорание при V = const), цикл Дизеля (сгорание при Р = const) , цикл Тринклера (сгорание при V = const, и затем при Р = const).

Цикл Отто, (рис. 3) названный по имени немецкого конструктора Н. А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 году. В процессе а - 1 поршень движется вниз и в цилиндре создается разрежение, происходит впуск воздуха с парами топлива (карбюраторный двигатель). В т.1 всасывающий клапан закрывается и в процессе 1- 2 происходит сжатие горючей смеси. В точке 2 смесь зажигается свечой. Сгорание мгновенное, поршень не успевает переместиться, давление растет до точки 3.

Под действием давления поршень перемещается вниз, совершая работу расширения, отдаваемую потребителю. В точке 4 открывается выхлопной клапан, давление снижается до Р₅. Затем поршень идет вверх, выталкивая оставшийся газ.

а

б)

Рис. 3 Цикл Отто: а)индикаторная диаграмма; б)идеализированный цикл

Термодинамический анализ цикла Отто удобно производить, рассматривая идеализированный цикл. Реальный цикл ДВС − разомкнутый цикл.

Поскольку в горючей смеси, подаваемой в цилиндр, топлива немного по сравнению с воздухом, то можно считать, что цикл ДВС является замкнутым, рабочим телом является воздух, количество которого в двигателе остается неизменным, а подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника через стенку цилиндра в изохорном процессе 2 - 3 и отвод тепла в изохорном процессе 4 - 1. С точки зрения термодинамического анализа такой замкнутый цикл не отличается от разомкнутого цикла Отто.

Процессы сжатия 1 - 2 и расширения 3 - 4 происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой и с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными.

Термический к.п.д. цикла Отто:

. (3)

Для идеального газа в адиабатном процессе:

где степень сжатия – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Для адиабат 1 - 2 и 3 - 4:

.

. (4)

Разделив почленно и учитывая, что и , получим:

и . (5)

Термический к.п.д. цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатном процессе 1 - 2, причем, чем выше степень сжатия , тем выше к.п.д. двигателя. Практически осуществить сжатие до слишком высоких значений , сопровождающееся значительным повышением температуры и давления, не удается, так как происходит самовоспламенение горючей смеси, детонация и разрушение элементов двигателя. Обычно  = 712. Величина степени сжатия зависит от качества топлива, повышаясь с улучшением антидетонационных свойств, характеризуемых октановым числом;

 − можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем, после окончания процесса сжатия, вводить в цилиндр горючее. На этом принципе построен цикл Дизеля (рис. 4), по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, построившего в 1896 году двигатель, работающий по этому принципу (патент № 67207 с 1892г.).

б)

Рис. 4. Цикл Дизеля: а)индикаторная диаграмма; б)идеализированный цикл

Введем понятие «степень предварительного расширения».

− отношение объема цилиндра в конце изобарного процесса подвода теплоты к объему камеры сгорания.

Из общего выражения для термического к.п.д. цикла

. (6)

В изобарном процессе идеального газа:

. (7)

Из уравнений адиабаты для процессов 1 - 2, 3 - 4 следует:

; , (8)

с учетом того, что и почленно деля, получаем:

. (9)

Заменяя Р1 и Р4 на изохоре v₄ = v₁ по уравнению Клайперона-Менделеева

(10)

и, подставляя отношение температур, получим

. (11)

К.п.д. цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия (как и в цикле Отто) и чем меньше величина .

Двигатель Дизеля не нуждается в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе. Недостаток – относительная тихоходность из-за медленного сгорания топлива.

Цикл со смешанным сгоранием, или цикл Тринклера (рис 5) (по имени Российского инженера Г.В. Тринклера, впервые предложившего этот цикл в 1904г.)

Рис. 5. Цикл Тринклера

. (12)

Для изохоры 4-1 из уравнения Клайперона-Менделеева

,

где  = Р₅ /Р₂ − степень повышения давления в изохорном процессе сгорания (отношение максимального давления цикла к давлению в конце сжатия в цилиндре), - степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорания.

С учетом этого соотношения получаем:

; ; ; .

. (13)

При ρ = 1 (отсутствие изобарного процесса) уравнение превращается в уравнение для цикла Отто, а при  = 1 (отсутствие изохорного процесса) уравнение превращается в уравнение для цикла Дизеля.

Сравнение термического к.п.д. цикла Тринклера с термическими к.п.д. циклов Отто и Дизеля показывает, что при одинаковых степенях сжатия  (рис. 6, а)

,

а при одинаковых максимальных температурах цикла Т₃ (рис. 6, б):

.

Указанные соотношения наглядно объясняются Т - s диаграммой

(рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Сравнение циклов: а)при одинаковой степени сжатия;	б) при одинаковой максимальной температуре цикла

Так для всех трех циклов теплота q₂ равна и в координатах Т-s соответствует площади а-1-4-б-а. Работа цикла, которая соответствует площади, ограниченной линиями процессов цикла, у всех циклов разная. При одинаковой степени сжатия она максимальная у цикла Отто, а при одинаковой наибольшей температуре цикла она максимальна у цикла Дизеля.