Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1271 вуз, 4663 предмет.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Башкирский Государственный Аграрный Университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
10.17 Mб
Скачать
☆

Глава II

ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ

1. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

а) Общие сведения

Все тепловые двигатели, в том числе и двигатели внутреннего сгорания, преобразуют тепловую энергию в механическую, что возможно только при условии непременного отвода части Q2 под­ водимой теплоты (Qь Qi> Q 2) в теплоприемник («холодильник») —- согласно второму закону термодинамики (рис. 7).

и с т о ч н и к

I т 2Г.ДО ас М

 

Q

тепля

__ А даигАЖ щ

гЦ

Q .

Т . !

 

...J

 

 

 

Рис. 7. Схема условий .осуществления работы теплового двигателя.

Тепловой двигатель будет тем совершенней, чем большую часть подводимой теплоты Qt он преобразует в механическую часть AL = Qt— Q2 и чем меньше теплоты он отдает теплоприемнику, что зависит от принципа действия данного двигателя.

Преобразование тепловой энергии в работу можно производить либо в результате беспрерывного прямого процесса подвода тепло­ ты к двигателю, либо в результате осуществления в двигателе

кругового процесса — прямого

цикла (рис.

8); первый способ

непригоден, так как для него

необходима

машина— двигатель

бесконечных размеров, и поэтому единственно пригодным спосо­ бом является второй способ — прямой цикл (рис. 8).

Прямой цикл идеальных тепловых двигателей (рис. 8) пред­ ставляет собою, как эго известно из термодинамики, ряд беспре­ рывных, последовательных процессов, на части которых АВС к двигателю подводится теплота Qi из «верхнего» источника тепло30

ты

с температурой Тi и происходит расширение

рабочего

тела,,

обусловливающее переход части теплоты Q}—Q2

в работу

L, а

на

другой части процессов — обратных

СОА, происходит отдача

определенного количества

теплоты Q2

двигателем теплоприемни-

ку

(в конечном счете —

атмосфере),

вследствие

возвращения.

Рис. S. Общая схема прямого цикла теплового двигателя.

двигателя в исходное состояние, в результате сжатия рабочего

тела

(на что затрачивается работа,

эквивалентная

теплоте Q2)-

В реальных тепловых двигателях

кроме подвода

тепла, совер-

•шения работы и отдачи части теплоты атмосфере

(теплоприем-

нику)

имеет место еще целый ряд процессов, вызывающих допол­

нительные потери теплоты: трение, горение (а не подвод теплоты)

с рядом потерь (неполнота сгорания, диссоциация и другие), теп­ лообмен, периодическое обновление рабочего тела, гидравлические сопротивления и другие явления; поэтому для определения раци­

ональной схемы и принципа двигателя

исследуют идеальные

тепловые циклы — принципиальную

основу данного типа теплово­

го двигателя.

 

 

Идеальным циклом, изучением

которого

занимается термоди­

намика, называется ряд последовательных, беспрерывных термо­ динамических процессов, при которых термодинамическая систе­

ма,

состоящая

из теплоотдатчика, неизменного

количества

идеального1 рабочего тела и теплоприемника, выйдя

из некоторо­

го начального

состояния и претерпев ряд изменений в результате*

*

Идеальный

газ

подчиняется законам Бойля-Мариотта

и Гей-Люссака;

 

 

 

Сп

1,4 = const.

теплоемкости его постоянные и поэтому отношение &= —— =

 

 

 

ev

 

31

только подвода теплоты,

совершения работы и

отвода

теплоты,

возвращается в исходное состояние.

цикла

является

Мерой совершенства

идеального теплового

термодинамический коэффициент полезного действия rit, пред­ ставляющий собою отношение теплоты эквивалентной, произведен­ ной работе АЬХ, к сумме всех количеств теплоты, сообщенных

системе цикловыми

теплопередатчиками

 

 

, „

_

Qi-Qa i

Оз

(g\

и

Qi

Qг

Qi'

 

Идеальные циклы получаются двумя путями: теоретическими рассуждениями, согласно законам термодинамики или термодина­ мическим анализом рабочих процессов реальных двигателей.

Рис. 9. Общая схема прямого цикла Карно.

В термодинамике доказывается [67; 69], что самым совершен­

ным

идеальным

циклом

тепловйх двигателей является цикл

Карно

(рис. 9), представляющий собою равновесный цикл, состо­

ящий

из двух

адиабатных

и двух изотермических процессов —

для него Tjt

будет

наибольшим сравнительно с другими идеаль­

ными циклами при одинаковых граничных значениях температу­ ры рабочего тела.

Для любого идеального теплового двигателя его rlt; опреде­

ляется по формуле (9), которая только для цикла Карно прини­ мает вид:

( 10)

* Иикл Карно практически осуществить невозможно, так как невозможно осуществить идеальные процессы: изотермические (необходимы теплоотдатчик и теплоприемник бесконечной емко­ сти) и адиабатические (необходимо отсутствие теплообмена) и кроме того сама машина получилась бы громоздкой, тяжелой,

32

вследствие очертаний цикла (рис.

10)

— маленькая

внутренняя

площадь,

-большой

конечный объем,

малый механический к.

п. д.

•*1мд-

Карно указывает

направление

совершенствования

теп­

Цикл

ловых двигателей:

всемерно

раздвигать

пределы

температуры

к г / с м с

рабочего тела, устранить ограничения со стороны давления и объ­ емов рабочего тела, стремиться приблизиться к адиабатным про­ цессам; поэтому цикл Карно называют идеальным тепловым циклом в смысле «образцовый» и с ним сравнивают другие иде­ альные циклы, по которым стремятся осуществить наиболее со­ вершенные (практически) тепловые двигатели.

Идеальные циклы современных тепловых двигателей, по су­ ществу, являются видоизменениями, поправками цикла Карно, путем замены, сравнительно с ним, изотермических процессов дру­ гими, более легко, практически осуществимыми процессами —

изохорным (V = const) и изобарным (р = const).

Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания, соответственно их назначению, роду и сорту топлива, принципу действия, строятся такими, что их идеальные циклы можно све­ сти к следующим основным видам:

—цикл с изохорным подводом теплоты — V —const;

—цикл с изобарным подводом теплоты — р = const;

^ Ф. П. Волошенко

33

— цикл со смешанным подводом теплоты V=const; р = const. Учитывая всемерное внедрение наддува, все циклы совре­ менных поршневых двигателей внутреннего сгорания можно свести к обобщенному циклу поршневых двигателей внутреннего сгора­ ния — циклу со смешанным подводом теплоты и со смешанным отводом тепла (рис. 11), частными случаями которого являются вышеназванные основные циклы поршневых двигателей внутрен­

него сгорания.

б)

Обобщенный идеальный цикл поршневых двигателей

 

 

 

внутреннего сгорания

Проф. В.

А.

Ваншейдт [10] описывает и дает вывод значения

\ для

обобщенного цикла поршневых двигателей внутреннего

сгорания (рис. 11).

На

рис.

11

обозначено:

Рис. 11. Схема обобщенного идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания [10].

Ч\г/'.

Ч\р—теплота, подводимая

в цикле — при V = const и р = const;

<hv\

Чър— теплота, отводимая

в цикле — при V = const и р —const;

 

ас — адиабата сжатия;

 

zb — адиабата расширения;

су — подвод теплоты при V = const; yz — подвод теплоты при p=const; bf— отвод теплоты при V = const; /а — отвод теплоты при р= const,

34

Для характеристики циклов поршневых двигателей внутренне­ го сгорания, в to$j числе и обобщенного, вводятся понятия — па­ раметры цикла, представляющие собою отношения давлений или объемов в основных точках цикла.

Степень сжатия е.— отношение объема в начале сжатия

Vа к

объему в конце сжатия Vc (сравните формулы 2 и 3),

 

 

Степень повышения давления У— отношение наибольшего

давле­

ния в цикле pz к давлению в конце сжатия рс,

 

 

Х=

<12>

Степень предварительного расширения р— отношение объема

в

конце подвода теплоты при р = const V2 к объему в начале сжатия

Ve

 

(13)

Степень последующего расширения Ь— отношение объема в конце расширения Vb к объему в конце подвода теплоты при р = const— V2

Уь

_!

( И )

V,

р

 

Степень уменьшения давления в процессе изохорного отвода теп­ лоты—отношение давления в конце расширения рь к давлению в конце изохорного отвода теплоты pf

а

Рь_

(15)

Pf

 

 

Степень уменьшения объема в процессе изобарного (р = const) от­ вода теплоты— отношение объема в начале изобарного отвода теп­ лоты Vf к объему в начале сжатия Vа,

 

 

0 = ^

= ^ -

 

(16)

 

 

 

v а

1

а

 

 

Приведем вывод

i\t

обобщенного

цикла

поршневых двигателей

внутреннего сгорания [10]

 

 

 

 

 

__

 

 

— (?2y-\-Qip) __ j

Чгу^-Чгр

(17)

 

 

'qiv+Qip

 

4iv+4ip'

 

 

 

 

Далее, согласно выводам термодинамики, получим:

 

* h y =

СЬ( Т У— T t )\

q2v = СЪ( Т b —

T f );

(«)

<hP = с*(Г, — Т у);

q2p = ср(Тf —

T j .

 

Подставляя значения

(а)

в формулу (17),

деля все члены на с*

и замечая, что

имеем

 

 

 

 

 

 

_

1

T„-Tf +K{Tf - T a)

 

( б )

 

^ ~

 

Ту- Т с+к(Т2- Т уУ

 

3* 35

Выразим значения всех температур в выражении (б)

через

Т а—

из известных соотношений

[67]:

 

 

 

 

 

 

 

 

т1 'г (

\к~ 1— т е«—ь

 

 

 

 

 

 

=

=

 

IX;

 

 

 

 

 

т — Г X? — Т Isк~'о-

 

 

 

 

 

1 z~~ 1 у Vr

1 а

 

 

 

 

 

к—1

РАО

К—1

Т*(А)-

.К— 1

 

1

к —1

l b ~ A P z J

— т (

)

=

Т рХ »

о к .

т —т ( £l \ к

ара

 

 

 

 

Т/-‘ТА ~ Т>-

Т о

— ' «

 

 

 

 

cl

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя полученные значения температур в выражение (б), получим:

Рыс. /2. Схема идеального цикла поршневого двигателя со смешан­ ным подводом теплоты, ас, гЬ — адиабаты; су, Ьа — изохоры;

yz — изобара.

 

1_ ^П1

 

 

 

 

Т„о1 к и к

. -г»<4 )'+'‘[гЧ-т) ' =_7'“1

 

1-

 

к—1

к—1.

гр

'>■ ) “

 

 

Тае« -1А_Гйек-Ч -К(Га?.8К- 1р

 

 

и окончательно, после преобразований:

 

 

 

 

.

<1 ,

-L

J_

X

 

 

■ р\к(а—1) + к(р\ к — а к )

 

(18)

1----

^ -----------

J----------------------

 

 

 

а к [h—1-(-Ак(р— 1)]

Из формулы (18) следует, чт.о rjt поршневых'двигателей внут­ реннего сгорания зависит от способа подвода теплоты (X, р), от

способа отвода теплоты (ст), от степени сжатия (s) и от природы рабочего тела (к); при всех прочих равных условиях, увеличение степени сжатия (е) ведет к возрастанию термического к. п. д. цикла гп.

Условия осуществления циклов могут быть разными в части подвода и отвода ■ теплоты, соответственно чему параметры р, а могут принимать частные значения, что определит частные случаи обобщенного цикла поршневых двигателей внутреннего

сгорания.

в) Идеальный цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания без наддува со смешанным подводом теплоты (рис. 12).

Если рассмотренный выше цикл (рис. 11) будет протекать при условии выпуска в атмосферу, то объем рабочего тела в конце расширения Vb примерно будет равен объему в начале сжатия Va , т. е. Vb = Va , следовательно отвод теплоты будет происходить изохорно (Е = const) и тогда параметр а равен

/,0

/,5

2,0

2,5

3,0

3,5

X

Рис. 13. Кривые термического к. п.

д. rti идеального цикла

поршневого двигателя со смешанным

подводом

теплоты [2]

 

Ед =

16; Л =

1,40; rit = / (X).

 

 

3?

Та р Х

или, п одставл яя р ан ее п ол уч ен н ое зн а ч ен и е д л я Т &, и м еем :

1 К—1

_L К~1

к - а к

рл к • а к

или, возведя обе части уравнения в степень k и решая его относительно з, получим для рассматриваемого ча­ стного случая обобщенного цикла

а = Хрк.

Подставляя найденное значение з в формулу (18), получим выражение для термического к. п. д. цикла со

смешанным подводом теплоты и изохорным отводом теплоты (рис. 12).

ги= 1------ Ц -1

Ар*—1

(19)

А— 1-{-Ак(р—1)

 

 

влияние параметров А и р на rlt при

 

 

Чг= Яи + Ч1Р

и при

данных

е

 

и к

 

 

иллюстрируется рис.

13,

где

 

 

 

*1 = 0 ,5 8 5

 

 

 

 

Я\

 

const.

 

 

 

 

^ К=А^ 0 8

 

А

 

' cvT,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На этом

графике

кривые

А со-

 

 

 

1025°

ответствуют

rit

при

различных

не-

 

 

изменных для

каждого

случая

ко­

 

2 9 0 е

личествах

 

подводимого

тепла

qlt

 

 

например,

 

при

А = 2,

 

наибольшее

 

 

значение

rlf

будет

(точка

1)

 

при

 

 

р = 1

и X= 3,

то

есть

для

цикла с

Рис. М. Идеальный цикл пор­

нзохорным подводом теплоты,

а наи­

шневого двигателя со смешан­

меньшее значение tq/

(точка

2)

будет

ным подводом теплоты при

при X= 1

и

р= 2,4,

то

есть

для

ед =

12,24; А= 1,25; р=1,955;

цикла

с

изобарным

подводом

теп­

fc=

1,408; ги = 0,585 [17].

лоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 14, для примера,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подво­

изображен цикл со смешанным

 

дом теплоты при е = 12,24; X= 1,25;

р = 1,955; к — 1,408;

= 0,585.

В действительных условиях рабочие циклы, близкие к рас­ сматриваемому циклу, получаются в тихоходных бескомпрессорных дизелях, в быстроходных же двигателях диаграмма будет иметь иной вид (см. дальше — рис. 40).

В смешанном цикле соотношение между изохорным и изобар­ ным подводом теплоты может быть различным и, очевидно, край-

38

ними случаями будут также, когда вся теплота (qi) подводится либо изохорно, либо изобарно — это определяет соответствующие циклы, рассматриваемые ниже.

Рис. 15. Схема идеального цикла поршневого двигателя с изохор ным подводом теплоты ас, z b — адиабаты; cz, ba — изохоры.

Рис. 16. Кривые

термического к. п. д.

rlt идеального цикла

поршневого дви­

 

гателя с изохорным подводом теплоты—гр = /(в д)

[1].

г)

Идеальный

цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания

с

изохорным

подводом теплоты

и изохорным отводом теплоты

(рис. 15)

Цикл с изохорным подводом теплоты (V = const)— частный случай цикла со смешанным подводом теплоты, в котором отсут­ ствует изобарный подвод теплоты, поэтому для него р =1. Под-

39

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности