Цикл Карно

Цикл Карно состоит из двух изотерм 1-2, 3-4 и двух адиабат 2-3, 4-1(рис. 1.13). Из начального состояния газ изотермически расширяется по линии 1-2 при постоянной температуре T₁, получая при этом количество теплоты q₁ от теплоисточника. В точке 2 рабочее тело отключается от теплоисточника и продолжает расширяться адиабатно без подвода и отвода тепла по линии 2 — 3; при этом его температура снижается от Т₁ до Т₂. В точке 3 рабочее тело подключается к теплоприемнику (холодному теплоисточнику), сжимается изотермически при постоянной температуре T₂ по линии 3 — 4, отдавая теплоту q теплоприемнику. В точке 4 отключается теплоприемник, газ сжимается адиабатно по линии 4 — 1 , при этом его температура вновь повышается до T₁.

Рис. 1.13-Цикл Карно.

Удельное количество тепла в изотермическом процессе определяется выражением: (1.88)

(1.89)

Согласно, первому закону термодинамики, разность q₁-q₂ эквивалентна удельной полезной работе l₀

(1.90)

Из уравнения для адиабаты 2-3 следует:

(1.91)

А для адиабаты 4-1:

(1.92)

Отсюда

или (1.93)

Используя выражения (1.83), (1.84)получим:

– пропорция Карно. (1.94)

Отсюда

(1.95)

Цикл Карно назван идеальным циклом, поскольку имеет ряд допущений:

1) Цикл протекает бесконечно медленно (нет потерь на трение), то есть рабочее тело находится в равновесии;

2) Цикл является обратимым.

Эта формула позволяет сделать следующие выводы;

1) термический кпд цикла Карно не зависит от природы газа;

2) кпд цикла Карно определяется только абсолютными значениями начальной температуры Т1 и конечной температуры Т2; его увеличение возможно повышением Т1 или снижением Т2;

3) кпд цикла Карно и любого другого цикла всегда меньше единицы, т.к. невозможно достигнуть Т = или Т₂ = 0. Следовательно, всю подводимую теплоту невозможно превратить в работу;

4) для получения работы необходимы два теплоисточника с разными температурами, так как при Т1 = Т2 .

Цикл Карно - это идеальный цикл. Его невозможно осуществить в реальной машине, но максимальный кпд может быть достигнут при максимальном приближении к циклу Карно.

1.12. Цикл Карно.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу . В ДВС процесс горения топлива происходит внутри рабочего цилиндра.

По роду применяемого топлива ДВС подразделяются на двигатели жидкого топлива и газовые.

По способу заполнения цилиндра свежим зарядом двигатели подразделяются на четырехтактные и двухтактные. В двухтактном ДВС рабочий процесс осуществляется за два хода поршня и один оборот коленвала, в четырехтактном ДВС рабочий цикл совершается за четыре хода поршня и за два оборота коленвала.

По способу приготовления рабочей смеси из топлива и воздуха ДВС подразделяют на двигатели с внутренним смесеобразованием – дизельные двигатели, где топливо воспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высоких температур; и внешним – карбюраторные, где зажигание рабочей смеси производится электрической искрой.

Первый практически пригодный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Ленуаром в 1860 г. В 1876г. немецкий изобретатель Отто построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель, в 1880 г. инженер Костович в России построил бензиновый карбюраторный двигатель, а в 1897 г. немецкий инженер Дизель создал двухтактный ДВС с воспламенением от сжатого воздуха – дизельный двигатель.

Рис. 1.14 Схема работы 4 – х тактного карбюраторного двигателя.

На рисунке 1.14 показана схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

В цилиндре 1 расположен поршень 2, шатун 3 соединен с одной стороны с поршнем, а с другой с коленчатым валом. В верхней части цилиндра расположены впускной 4 и выпускной 5 клапаны. крайние положения поршня называются верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Двигатель работает следующим образом. При первом такте всасывании- поршень движется вниз и засасывает горючую смесь в цилиндр за счет создаваемого разряжения. при этом всасывающий клапан открыт, выпускной закрыт.

Второй такт- сжатие происходит при движении поршня вверх от НМТ. При этом оба клапана закрыты. При приближении к ВМТ горючая смесь зажигается от электрической искры.

Третий такт-рабочий ход осуществляется за счет давления газа. Действием давления поршень движется вниз от ВМТ до НМТ, создавая крутящий момент на коленчатом валу.

Четвертый этап – выпуск, при котором через открытый выпускной кран при движении поршня вытесняются из цилиндра продукты сгорания.

Таким образом, из четырех тактов только при третьем такте совершается полезная работа; во всех остальных происходит затрата работы.

Рабочий процесс в двухтактном двигателе осуществляется следующим образом. После сгорания топлива начинается процесс расширения газа. В конце расширения поршень открывает выпускные окна, через которые удаляется часть отработанных газов. Далее, продолжая двигаться вниз, поршень открывает продувочные окна, при этом цилиндр продувается сжатым воздухом. В начале второго такта- сжатия продолжается процесс удаления отработанных газов и заполнения цилиндра свежим зарядом. После того, как поршень закроет окна, начинается сжатие горючей смеси. Типы двигателей:

1)с подводом тепла при постоянном объеме (идеальный цикл Отто) ;

2)с подводом тепла при постоянном давлении ( цикл Дизеля);

3)цикл со смешанным подводом тепла – частично при v=const и p=const (идеальный цикл Тринклера).

Рассмотрим принцип действия различных ДВС с использованием теоретической диаграммы идеального двигателя. При этом в рассматриваемом термодинамическом процессе вводится ряд допущений:

1) рабочее тело – идеальный газ;

2) рабочее тело не покидает цилиндр;

3) свойства рабочего тела не меняются.

На рисунке 1.15 представлена теоретическая диаграмма четырехтактного двигателя с циклом подвода тепла при v=const. Этот способ подвода тепла имеет место в карбюраторном двигателе с использованием легкого топлива – бензин, газ, спирт и т.п.

Рис. 1.15 –цикл Отто

а-1 – всасывание рабочей смеси;

1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3 – изохорный подвод тепла (сгорание топлива);

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела (рабочий ход);

4-1 – изохорный отвод тепла;

1-а – выхлоп.

При ходе поршня вниз (1 такт) в цилиндр двигателя 1 засасывается через впускной клапан 4 готовая рабочая смесь. Это смесь горючих газов или паров жидкого топлива с воздухом. В теоретической диаграмме предполагается, что всасывание происходит при постоянном давлении, равном атмосферному (линия а-1).

В точке 1 всасывающий клапан закрывается, после чего, при ходе поршня вверх (2 такт) рабочая смесь сжимается адиабатной, с повышением давления. Давление зависит от степени сжатия

(1.96)

Где v₁ – полный объем цилиндра; v₂ – объем цилиндра в конце сжатия (линия 1-2).

В конце сжатия(т. 2) смесь зажигается с помощью электрической искры. Сгорание смеси происходит мгновенно. При рассмотрении термодинамического цикла процесс горения заменяют условно обратимым подводом тепла к рабочему телу от горячего источника в изохорном процессе (2-3).

В результате выделения теплоты при сгорании (условный подвод тепла) давление увеличивается до p₃ . далее поршень вновь перемещается вниз (3 такт) в результате адиабатного расширения газа (линия 3-4). Это рабочий ход поршня. В нем совершается положительная работа расширения за счет внутренней энергии газа.

В конце расширения открывается выхлопной клапан. При этом давление мгновенно падает до атмосферного. Принимается, что падение давления происходит при постоянном объеме (v=const) (линия 4-1). В действительности же при падении давления часть газов выпускается в атмосферу. При рассмотрении идеального термодинамического цикла процесс падения давления заменяется эквивалентным изохорным процессом 4-1 с обратимым отводом теплоты q₂ к холодному источнику.

Четвертый такт происходит при открытом выпускном клапане. В этом случае продукты сгорания выталкиваются в атмосферу при атмосферном давлении p=const. Линия выталкивания 1-а.

Площадь индикаторной диаграммы (1234) характеризует полезную работу газа за первый цикл.

Термический КПД цикла с подводом тепла при v=const определяют из общего выражения:

, (1.97)

где – отводимое количество тепла по изохоре 4-1;

где – подводимое количество тепла по изохоре 2-3.

Отсюда при с_v = const:

(1.98)

Между температурами для адиабат 4-3 и 1-2 следующие зависимости:

(1.99)

Кроме того v₂=v₃ ; v₄=v₁ , следовательно:

; (1.100)

Как мы уже говорили, – степень сжатия.

(1.101)

Таким образом получаем:

(1.102)

Из полученного выражения видим, что КПД цикла с подводом тепла при v=const тем больше, чем больше степень сжатия . Для реальных ДВС .

Рис 1.16 цикл Дизеля

По линии а-1 в цилиндр засасывается воздух при p₁=1атм., по линии 1-2 воздух сжимается, Т₂ – температура самовоспламенения топлива, p₂=3 4 МПа. В конце сжатия (т.2) в камеру впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое воспламеняется и горит при p=const – этому процессу соответствует подвод тепла q₁ (линия 2-3 теоретической диаграммы).

Благодаря сжатию воздуха, а не горючей смеси, достигается более высокая степень сжатия =18 20. В точке 3 начинается расширение газа – рабочий ход ДВС. В точке 4 открывается выпускной клапан. Мгновенное падение давления происходит при V=const c отводом тепла q₂ (линия 4-1).

,

Где – степень предварительного расширения:

Из соотношения параметров для адиабатного процесса:

;

(1.103)

Из полученного выражения следует, что цикла с подводом тепла при p=const увеличивается с увеличением и K и уменьшается с возрастанием . При более высоких значениях степени сжатия увеличивается максимальное давление в цилиндре, что вызывает конструктивные затруднения. Среднее значение КПД цикла Дизеля