Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-1

181

эксергии на полезный эффект (exп). Поэтому выражение (5.54) можно записать так:

то есть все затраты эксергии в техническом устройстве являются полезными.

Для количественной оценки термодинамического совершенства

какого-либо технического устройства используется эксергетический КПД,

равный отношению полезно использованной эксергии exп к эксергии,

израсходованной при осуществлении термодинамических процессов в рассматриваемом устройстве exp:

Очевидно (5.58), что величина эксергетического КПД зависит от степени необратимости термодинамических процессов и связанных с этим потерь ∆Lпот. При обратимых процессах ∆Lпот = 0 и ηex = 1.

Заметим, что разделение эксергии на полезную (exп) и затраченную (exp)

зависит от особенностей рассматриваемых технических устройств и в определенной степени произвольно. В связи с этим определения для эксергетических КПД различных устройств могут отличаться друг от друга.

В каждом конкретном случае следует решать, какое из них более показательно.

182

5.10. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Существует два основных обратимых цикла ДВС (как правило, поршневых, но не только). Это цикл с теплоподводом (сгоранием) при постоянном объеме, называемый циклом Отто, и цикл с теплоподводом (сгоранием) при постоянном давлении, называемый циклом Дизеля. Существует также цикл, в котором сгорание начинается при постоянном объеме и завершается при постоянном давлении. Этот цикл, называемый циклом Тринклера, или Сабатэ, по своим показателям занимает промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля.

5.10.1. Идеальный цикл ДВС с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто)

Начнем с цикла Отто, который приведен на рис. 5.18 в диаграммах состояния. Одновременно рассмотрим рабочий процесс этого ДВС, для чего под циклом изображен цилиндр с поршнем, который может перемещаться внутри цилиндра в обе стороны от крайнего левого положения, называемого верхней мертвой точкой (ВМТ), до крайне правого, называемого нижней мертвой точкой (НМТ), и обратно. Возвратно-поступательное движение поршня (3) осуществляется кривошипно-шатунным механизмом (1). С помощью этого механизма работа цикла преобразуется в механическую энергию вращательного движения, используемую потребителем. У левого основания цилиндра (2) вблизи ВМТ расположены два клапана: впускной (5) и выхлопной (4), которые могут открываться и закрываться специальным механизмом, называемым механизмом газораспределения. Установлена также электрическая свеча зажигания (6).

Рабочий процесс начинается при движении поршня от ВМТ к НМТ вправо при открытом впускном клапане. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь (воздух с испарившимся бензином), которая предварительно образуется в карбюраторе. Вместо карбюратора применяется также непосредственный дозированный впрыск бензина в воздушный поток. В идеальном представлении процесс заполнения О—Н на рис. 5.18 происходит при постоянном давлении, однако в действительности давление несколько пониженное. Процесс О—Н не

184

В реальном цикле зажигание смеси осуществляется еще до подхода поршня к ВМТ, а процесс сгорания заканчивается после начала движения поршня вправо. Таким образом, реальный процесс теплоподвода не является строго изохорным.

От точки Г до точки С происходит расширение рабочего тела по обратимой адиабате при перемещении поршня вправо ВМТ к НМТ (рис. 5.18).

Вточке С в идеальном представлении открывается выпускной клапан, и

продукты сгорания выбрасываются в окружающую среду, где отводимая теплота q2 рассеивается. Процесс теплоотвода происходит в изохорном процессе υС = υН = const; температура и давление рабочего тела резко снижаются. Рабочее тело возвращается в исходное состояние в точке Н, и

обратимый цикл завершается. В реальном цикле выпускной клапан открывается еще до подхода поршня к НМТ, а выхлоп продолжается при движении поршня влево от НМТ, то есть процесс теплоотвода далеко не является строго изохорным.

После завершения идеального цикла рабочий процесс ДВС еще продолжается при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытом выпускном клапане. Происходит выброс продуктов сгорания из цилиндра в атмосферу.

Вточке О (см. рис. 5.18) выпускной клапан закрывается, а впускной —

открывается. Только после этого завершается рабочий процесс ДВС, и вновь начинается процесс всасывания бензиновоздушной смеси. Процесс Н—О не входит в состав процессов идеального цикла и в реальных условиях происходит при несколько избыточном давлении.

Таким образом, идеальный цикл Отто состоит из двух обратимых адиабат Н—К и Г—С и двух изохор К—Г и С—Н и осуществляется за два хода поршня:

от НМТ к ВМТ (сжатие) и от ВМТ к НМТ (расширение), то есть за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма. Рабочий процесс ДВС включает еще два процесса: всасывание О—Н и выталкивание Н—О, также осуществляемых за один оборот вала. Таким образом, весь рабочий процесс ДВС совершается за

185

два оборота вала кривошипно-шатунного механизма, а поршень перемещается от ВМТ к НМТ и обратно 4 раза. Одно перемещение поршня называют тактом

ДВС, поэтому описанный рабочий процесс ДВС называют четырехтактным.

(Заметим, что существуют и двухтактные ДВС, у которых за один такт, или ход поршня, осуществляются сразу по два процесса: в одном — всасывание и сжатие, а в другом — расширение и выхлоп.)

Из всех четырех тактов рабочего процесса ДВС только в одном из них — в

процессе расширения Г—С (см. рис. 5.18) — происходит передача механической энергии потребителю, поэтому этот процесс, или так, называют

рабочим ходом поршня от ВМТ к НМТ. В остальных трех тактах энергия на движение поршня только затрачивается, в основном в такте сжатия рабочего тела в процессе Н – К. Эта энергия поступает от накопленного маховиком кривошипно-шатунного механизма за единственный такт — рабочий ход поршня (имеется в виду, что энергия направляется и потребителю, ради чего,

собственно, и осуществляется цикл ДВС).

Заметим, что ДВС, работающие по циклу Отто, иногда называют

карбюраторными (что не совсем справедливо) или двигателями легкого топлива, поскольку они используют бензин, более «легкий» по сравнению с дизельным топливом.

Перейдем к рассмотрению энергетических показателей обратимого цикла Отто. Количества подведенной и q1 и отведенной q2 теплоты в изохорных процессах К—Г и С—Н определяются уравнением (qυ = cυ∆T), которое с учетом обозначений на рис. 5.18 запишется в виде:

Отсюда получим уравнение для термического КПД, используя исходное уравнение (4.4):

адиабат Н—К и Г—С следующие соотношения:

В теории ДВС сжатие рабочего тела принято оценивать отношением максимального и минимального удельных объемов (или объемов цилиндра),

которое называется степенью сжатия:

(В отличие от степени повышения давления К как отношения давлений в конце и в начале сжатия в теории ГТД.) С учетом соотношений (5.62), (5.63)

уравнение (5.61) приобретает следующий вид:

Как видно, термический КПД зависит только от одного параметра цикла — степени сжатия . С ростом термический КПД непрерывно повышается, и

становится выгодно осуществлять возможно большие значения . Однако в двигателях Отто из-за сжатия не воздуха, а бензиновоздушной смеси и увеличения ее температуры максимальные значения ограничиваются

187

возникновением детонации (взрывного горения), что недопустимо.

В зависимости, главным образом, от качества бензина (его антидетонационных свойств) в двигателях Отто значения лежат в диапазоне 7—12. Как показывает практика, большие значения исключены. Например, при = 10, t =

Характерной особенностью ДВС (в отличие от ГТД) является возможность

осуществить предельно высокую температуру в процессе сгорания К—Г.

Процесс сгорания весьма кратковременный (доли секунды), а затем следуют 3

хода поршня и процесс выхлопа С—Н. Конструктивные элементы в зоне горения успевают охладиться к началу следующего процесса горения. Кроме того, цилиндр снаружи охлаждается либо водой, либо воздухом, для чего предусматривается внешнее оребрение. Но это охлаждение гораздо менее существенно, чем периодичность сгорания. В результате с самого начала появления ДВС вопрос о повышении температуры не возникал, а для ГТУ с непрерывным процессом горения был и остается одним из основных.

Теплота, подводимая в изохорном процессе qυ = q1 в двигателе Отто, по существу является заданной. Она определяется как максимально возможная при сгорании топлива в количестве, необходимом для полного сгорания, то есть при использовании всего кислорода, содержащегося в воздухе. На 1 кг бензиновоздушной смеси выделяемая теплота составляет q1 2 600 кДж/кг.

Эта температура получается очень высокой, порядка 2800—3000 К, и

совершенно недоступна для ГТД.

Полезную работу цикла можно определить по исходному уравнению

(4.11). С учетом уравнения (5.64) получим

Поскольку и q1 = const, то зависимости t и Lц от идентичны. В отличие от ГТУ, максимума Lц по степени сжатия или степени повышения давления нет.

В главе 4 было показано, что полезная работа равна площади цикла. Реальный цикл ДВС в диаграмме состояния «p–υ» на рис. 5.18 может быть представлен индикаторной диаграммой. Она легко снимается и изображается на дисплее вместе с линиями всасывания и выхлопа О—Н и О—Н непосредственно на работающем двигателе. По отклонениям реальной индикаторной диаграммы от идеального цикла судят о качестве реальных процессов и вносят необходимые изменения в их организацию.

5.10.2. Идеальный цикл ДВС с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля)

В диаграммах состояния этот цикл приведен на рис. 5.19.

Рабочие процессы двигателей Дизеля и Отто во многом аналогичны. После такта всасывания О—Н (см. рис. 5.19) начинается процесс сжатия по обратимой

К—Г в идеальном цикле принимается изобарным. В точке Г процесс сгорания заканчивается, и температура газа TГ является максимальной в цикле. Далее процесс расширения продолжается по обратимой адиабате Г—С. Таким образом, рабочий ход поршня К—Г—С состоит из двух процессов: изобарного и обратимого адиабатного.

Далее, как и в цикле Отто, начинается изохорный процесс С—Н отвода теплоты путем выброса выхлопного газа в атмосферу. Цикл завершается в начальной точке Н, но рабочий процесс еще продолжается удалением из цилиндра продуктов сгорания ходом поршня влево от НМТ к ВМТ.

189

Рис. 5.19. Изображение идеального цикла ДВС с подводом тепла при постоянном давлении в диаграммах состояния

Витоге идеальный цикл Дизеля состоит из двух обратимых адиабат Н—К

иГ—С, изобары К—Г и изохоры С—Н; осуществляется за 4 такта (хода поршня), то есть за два оборота вала кривошипно-шатунного механизма.

Двигатель Дизеля может быть и двухтактным, как и двигатель Отто.

Термический КПД идеального цикла Дизеля, как и всех других циклов,

определяется исходным уравнением (4.4), в котором подводимая q1 и отводимая q2 теплота согласно уравнениям (qp = Сp∆T) и (qυ = Сυ∆T) в соответствии с обозначениями на рис. 5.19 могут быть записаны в следующем виде:

190

Опустив простые, но громоздкие выкладки, приведем сразу конечный

результат:

где υГ — степень предварительного расширения. Очевидно, что > 1, и

υK

функция в уравнении (5.69)

непрерывно возрастает с увеличением .

Из сопоставления уравнений (5.64) и (5.69) следует, что при равных

степенях сжатия у двигателей Отто и Дизеля

Далее мы покажем это на численных примерах.

Степень предварительного расширения можно найти из уравнения (5.67),

записав его в виде

q1 СpTК 1 ,

откуда

Подводимая теплота q1 определяется так же, как у двигателя Отто: это теплота, выделяемая при сгорании топлива, содержащегося в 1 кг топливовоздушной смеси. Теплота сгорания (теплотворность) бензина и дизельного топлива почти одинакова. Поэтому, если впрыскиваемое топливо