Тема 2. Термодинамічні цикли поршневих двигунів

1. Загальні відомості про цикли, види термодинамічних циклів поршневих двигунів.

2. Показники термодинамічних циклів.

3. Термодинамічний ККД і середній тиск циклу

Самостійно:

Термодинамічні цикли поршневих двигунів з наддувом.

 

1. Основи технічної термодинаміки базуються на відомих положеннях, котрі вивчалися в курсі фізики. При вивченні загальних законів,котрі характеризують використання теплоти, в застосуванні до процесів, що протікають в двигунах внутрішнього згоряння, в якості робочого тіла розглядається ідеальний газ, в якому відсутні сили міжмолекулярного зчеплення, а молекули не мають геометричних розмірів.

На рис.1 приведена схема поршневого двигуна. Припустимо, що в над поршневому просторі є 1 кг ідеального газу. Його початковий стан характеризується параметрами: p1, v1, T1, u1.

Рис.1 - Схема поршневого двигуна.

Від цього початкового стану поршень зробить хід до нижньої мертвої точки. Тоді газ матиме слідуючі параметри: p2<p1, v2>v1, T2<T1, u2<u1.Робота, здійснена під час процесу визначиться площею 12ba1. Вона здійснилась за рахунок зменшення внутрішньої енергії робочого тіла і накопилась у вигляді кінетичної енергії у маховику.

Для повторення процесу потрібно повернути робоче тіло в його попередній стан. Це можна зробити за рахунок накопленої в маховику енергії, при чому, так, як процес розширення є зворотнім.

Щоб двигун зміг виконати корисну роботу, потрібно, коли поршень буде у НМТ відвести якусь частину теплоти до холодильника, що має температуру Тхол < T2. Припустимо, що це відведення відбувається при постійному об’ємі v = const, від точки 2 до точки 3, і при цьому відводиться теплота q2. Але для того, щоб параметри газу знову прийняли початкове значення, потрібно підвести теплоту q1 при постійному об’ємі v = const від джерела теплоти, що має температуру Тг > T1. При дотриманні цих умов можна забезпечити безперебійну роботу двигуна по замкнутому циклу 12341

Ефективність циклу оцінюється по величині теплоти, перетвореної в роботу, до величини підведеної теплоти:

К.к.д. = 1 – q2/q1

Так, як q2 не може бути рівним нулю, то к.к.д. не може бути рівним 1.

Загальні відомості про цикли.

В основі роботи ДВЗ лежать кругові термодинамічні процеси перетворення теплоти в механічну роботу, які називаються циклами. Згідно з другим законом термодинаміки повне перетворення теплової енергії в механічну роботу неможливе навіть у теоретичній тепловій машині, в якій відбуваються оборотні цикли, тому що в ній частина введеної теплоти повинна бути передана холодному джерелу. Такі цикли називаються термодинамічними (або теоретичними, ідеальними).

У циліндрі реального двигуна відбуваються дійсні цикли, необоротність

процесів в яких у порівнянні з термодинамічними циклами додатково обумовлена втратами теплоти крізь стінки камери згоряння, при подоланні тертя в потоці газу під час процесу газообміну та ін

Термодинамічні цикли зображуються у вигляді діаграм у координатах р—V, Т—s, T—V та інших, де р—тиск газу в надпоршневому просторі; V—об'єм надпоршневого простору; Т—температура газу; s—ентропія. Розглянемо термодинамічні цикли в координатах р—V.

Види термодинамічних циклів поршневих двигунів

Термодинамічні цикли ДВЗ можна поділити на дві групи:

цикли з неповним та з повним розширенням робочого тіла. Поршневі двигуни без наддуву працюють за циклами з неповним розширенням робочого тіла. Ці цикли поділяються на три види у залежності від способів підведення теплоти: з підведенням теплоти при сталому об'ємі (при V= const, рис. 2.1, а) —за цим циклом працюють ДВЗ з іскровим запалюванням;

- з підведенням теплоти при сталому тиску (при p=const, рис.2, б)—за цим циклом працюють компресорні дизелі, в яких вприскування палива в циліндр здійснюється за допомогою стиснутого повітря;

Рис.2 - Види термодинамічних циклів

- із змішаним підведенням теплоти (рис. 2, в), коли одна частина теплоти Q1 підводиться при сталому об'ємі, а друга Q1''—при сталому тиску—за цим циклом працюють безкомпресорні сучасні дизелі У всіх трьох циклах теплота відводиться при V=const. У кожному з них а, с, z', z, b — характерні точки циклу; а - с - адіабатний стиск; с - z - підведення теплоти; z – b - адіабатне розширення; b—а—відведення теплоти; Q1—кількість підведеної теплоти; Q2—кількість відведеної теплоти. У циклі зі змішаним підведенням теплоти Q1=Q1'+Q1''.

2. Показники термодинамічних циклів

Розглянемо їх на прикладі циклу із змішаним підведенням теплоти (рис. 2,в). Термодинамічні цикли поршневих ДВЗ характеризуються рядом параметрів, а саме:

ступенем стиску: ступенем попереднього розширення:

ступенем подальшого ступенем підвищення тиску

розширення: під час згоряння:

показник адіабати: Три з цих параметрів зв'язані між

собою співвідношенням:

ε = ρδ