Цикл со смешенным подводом теплоты

Лекция 2.

Термодинамические циклы поршневых ДВС

Введение

Теория двигателей внутреннего сгорания основана на использовании термодинамических зависимостей и приближения их к действительным условиям путем учета реальных факторов. Поэтому глубокое изучение теоретических циклов, основанное на знании термодинамики, является необходимым условием успешного изучения процессов, происходящих в цилиндрах реальных автомобильных и тракторных двигателей.

Замкнутые теоретические (термодинамические) циклы в отличие от действительных процессов, происходящих в цилиндрах двигателей, осуществляются в воображаемой тепловой машине и характеризуются следующими особенностями (допущениями).

1. Все процессы цикла осуществляются без теплообмена рабочего тела с окружающей средой и являются обратимыми.

2. Преобразование теплоты в механическую работу осуществляется в замкнутом объеме одним и тем же несменяемым рабочим телом.

3. Состав и теплоемкость рабочего тела остаются постоянными на всем протяжении цикла.

4. Подвод теплоты производится от постороннего (воображаемого) источника при постоянном объеме (по изохоре), или при постоянном давлении (по изобаре), или при смешанном (по изохоре и изобаре).

5. Процессы сжатия и расширения протекают по адиабатам с постоянными показателями.

6. В теоретических циклах отсутствуют какие-либо потери теплоты (в том числе на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику. Эта потеря является единственной и обязательной для замкнутого теоретического цикла.

Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить три основные задачи:

1) оценить влияние термодинамических факторов на изменение термического КПД и среднего давления для данного цикла и на этой основе установить оптимальные значения термодинамических факторов для получения наилучшей экономичности и максимальной удельной работы цикла;

2) провести сравнение различных теоретических циклов с точки зрения их экономичности и работоспособности при одинаковых условиях;

3) получить конкретные числовые значения термического КПД и среднего давления цикла, которые могут являться критериями для оценки степени совершенства реальных двигателей по экономичности и удельной работе (мощности).

 

 

1. Общие положения
2. .Цикл со смешенным подводом теплоты
3. .Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме
4. Сравнение термодинамических циклов: а) при одинаковых s и q; б) при одинаковых максимальных Т_тр₇ и одинаковых минимальных Т_ар_а
5. Термодинамические циклы ПД с наддувом

 

Общие положения

 

Процессы преобразования теплоты в работу могут осуществляться в различных тепловых двигателях, одним из которых является поршневой д. в. с.

Следуя принципу «от простого — к более сложному», прежде чем изучать совокупности процессов, образующих действительные циклы реальных поршневых двигателей, коротко рассмотрим их прототипы, каковыми являются соответствующие термодинамические циклы.

Термодинамический (идеальный) цикл — обратимый замкнутый цикл, в котором имеют место только потери теплоты, неизбежные согласно второму закону термодинамики.

Анализ термодинамических циклов поршневых д. в. с. проводится при допущениях, что: 1) в течение всего цикла ни химический состав, ни количество рабочего тела (газа) не изменяются; 2) процессы сжатия и расширения осуществляются адиабатически; 3) теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры.

Процессы сгорания и газообмена, происходящие во время работы реального поршневого двигателя, при рассмотрении термодинамических циклов заменяются процессами подвода и отвода теплоты.

Условия анализа термодинамических циклов таковы, что получаемые расчетные значения их показателей представляют собой некоторый наивысший предел, к которому могут лишь приближаться показатели действительных циклов в зависимости от степени их совершенства.

Показателем экономичности термодинамического цикла является термический к.п.д. r/_t, представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в работу цикла, к количеству теплоты, сообщенной рабочему телу:

где — количество теплоты, сообщенной 1 кг газа, Дж/кг;

q₂ — теплота, отведенная от 1 кг газа, Дж/кг;

— количество теплоты, превращенной в работу, Дж/кг.

Другим важным показателем термодинамического цикла является его удельная работа, или среднее давление p_t т. е. работа цикла L (Дж), отнесенная к рабочему объему V_h (м³), определяемому разностью полного объема цилиндра V_a и камеры сжатия V_c;

Чем больше давление p_t, тем меньше при данной работе цикла размер цилиндра, а значит, могут быть меньше размеры и вес двигателя.

 

Цикл со смешенным подводом теплоты

 

Такой цикл служит прототипом действительного цикла дизеля. Как показано на рисунок, в координатах p-V и T-s после адиабатического сжатия 1 кг газа (ас) к

нему подводится при постоянном объеме теплота q[(cz'),a затем при постоянном давлении теплота q"{z'z). Далее газ адиабатически расширяется (zb), после чего при постоянном / объеме от него отводится теплота q₂(ba). Для осуществления такого цикла требуются два хода поршня, причем существенно, что теплота q_l подводится частично при V = const, когда поршень находится в в. м. т., а частично при р = const, в связи с чем

этот цикл и называют циклом со смешанным подводом теплоты.

При анализе термодинамических циклов поршневых д. в. с. обычно используют следующие характеристические параметры; 1) степень сжатия s = V_a/V_c — отношение

объемов в начале V_a и в конце V_c сжатия; 2) степень повышения давления Я - р, /р_с — отношение максимального давления цикла р_у к давлению р_с в конце сжатия; 3) степень предварительного расширения a = V_Z /V_c — отношение объемов в конце подвода теплоты К, и в конце сжатия V_c, 4) степень последующего расширения 8 -V_b /V_z — отношение объемов в конце расширения V_b и в конце подвода теплоты V₂. Три из этих параметров

связаны между собой соотношением е = ад.

Из термодинамики известно, что термический к. п. д. и среднее давление цикла со смешанным подводом теплоты соответственно будут уменьшатся. Это значит, что степень расширения 8 будет больше, поэтому и к. п. д. цикла возрастет.

Работа цикла численно равна (с учетом масштабов) площади, ограниченной в координатах p-V графиками процессов, составляющих цикл (например, площадь

acz'zba рисунок 14, получаем, что работа цикла I = rj_tq^. Отсюда следует, чтопри одинаковом количестве теплоты q_x работа цикла и пропорциональное этой работе среднее давление определяется величиной rj_t. Поэтому чем больше величина характеристических параметров цикла е, к, X и 8, тем выше среднее давление p_t.

Таким образом, для повышения экономичности и удельной работы цикла со смешанным подводом теплоты выгодно увеличивать долю теплоты, подводимой при постоянном объеме, и соответственно уменьшать долю теплоты, сообщаемой при постоянном давлении. Чем дальше от в. м. т. происходит сообщение теплоты, тем в меньшей степени она превращается в механическую энергию. Естественно, что при увеличении q[, как и в случае роста е, механическая напряженность деталей двигателя повысится, что накладывает известные ограничения на использование этих путей для улучшения основных показателей цикла.

Сказанное не означает, что t]_t и p_t всегда возрастают одновременно.Так, пусть q_x

повышается только за счет теплоты q. В этом случае степень расширения 8 и к.п.д. т, понизятся, а увеличение а при 2 = const, естественно, приведет к росту среднего давления p_t.