Глава 1. Теоретические термодинамические циклы двс

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.

Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнить в реальных условиях. В этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные показатели разных циклов на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине. На втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.

В теоретических циклах введены следующие допущения:

1. В цикле используется в качестве рабочего тела идеальный газ, состав которого в цикле не изменяется.

2. Циклы считаются замкнутыми, происходящими при постоянном количестве идеального газа.

3. Теплоемкость газа в течение всего цикла постоянна, т. е. не зависит от температуры.

4. Сгорание топлива в цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск – мгновенным отводом теплоты в холодный источник.

5. Процесс сжатия и расширения газа происходит без теплообмена с окружающей средой, и называются адиабатическими.

В соответствии с этими допущениями теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, осуществляемый в воображаемой тепловой машине постоянной несменяемой порцией рабочего тела. Вследствие замкнутости процессы сгорания и выпуска рабочего тела при действительном цикле заменяют подводом и отводом теплоты. Процессы сжатия и расширения предполагаются адиабатическими, т.к. это обеспечивает максимальное теплоиспользование.

Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом соответствии со вторым законом термодинамики. Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.

1.1. Цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном объеме.

Автомобильные карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме.

Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис. 1.1.

рис.1.1

Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме осуществляется следующим образом. При движении поршня от НМТ (точка а диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. Чтобы довести потери тепла до минимума, стенки цилиндра должны быть абсолютно нетеплопроводными, т. е. покрытыми идеальной тепловой изоляцией. В этом случае процесс сжатия (линия ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим, а внешняя механическая работа, затрачиваемая на сжатие, полностью пойдет на увеличение внутренней энергии сжимаемого газа.

Давление газа в цилиндре в конце процесса сжатия (точка с) равно:

,

где k – показатель адиабаты идеального газа.

Температура газа в цилиндре в конце процесса сжатия (точка с) равна:

.

В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит не процесс сгорания, как в действительном цикле, а простое мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры и давления при постоянном объеме (изохоры сz). При положении поршня в ВМТ (точка z диаграммы) сообщение теплоты прекращается.

Степень повышения давления газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты

,

где Pz – давление газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты.

Температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка z)

.

Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения

.

Для повторения цикла надо вернуть газ в начальное состояние, характеризуемое точкой a индикаторной диаграммы. Для этого необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т.е. отнять теплоту, представляющую собой долю Q2 от ранее введенной теплоты Q1. Таким образом, даже при осуществлении теоретического цикла часть вводимой теплоты теряется и, следовательно, не может быть полного превращения теплоты в работу.

Степень преобразования теплоты в работу любого теоретического цикла оценивается термическим КПД, который представляет собой отношение теплоты, превращенной в полезную работу газов, к подведенной теплоте Q1.

В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты Q2, отсутствуют.

Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q1 – Q2, тогда термический КПД можно выразить формулой:

В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1 теплоты и отводимое Q2 пропорциональны его изохорной теплоемкости Сν и соответствующим разностям температур:

Термический КПД можно определять, подставив найденные значения температур:

Согласно уравнению термического КПД, экономичность цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты идеального газа.