Теоретические циклы двс
Лекция 2
Тема 2: Теоретические циклы двс
Цель лекции: На основе рассмотрения теоретических циклов определить пути улучшения использования тепла в двс.
2.1 Общие сведения
В реальном ДВС преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую сопровождается комплексом сложных физико-химических и термодинамических процессов. Совокупность процессов периодически повторяющихся в полости цилиндра и составляют цикл двс.
Действительный цикл, состоящий из реальных, сложно протекающих процессов, очень трудно анализировать при помощи обычных термодинамических соотношений. Поэтому, чтобы оценить степень совершенства процессов, происходящих в двс и определить пути для улучшения использования тепла, принято действительные циклы сравнивать с теоретическими.
Замкнутые теоретические циклы в отличие от действительных процессов, происходящих в цилиндре двигателей, характеризуются следующими допущениями:
1. Циклы являются замкнутыми и протекают с постоянным количеством одного и того же рабочего тела. Нет процессов впуска и выпуска и обусловленные этим потери.
2. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, т. е. без теплообмена с окружающей средой, с одинаковыми и постоянными показателями адиабат.
3. Состав и теплоемкость рабочего тела остается постоянным.
4. Подвод теплоты производится от постороннего источника только при постоянном объеме и постоянном давлении.
5. Отсутствуют какие-либо потери теплоты (в т. ч. на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику.
Рекомендуемые материалы
Практическое значение для поршневых двс имеют пять теоретических циклов:
1. Цикл с подводом теплоты при V=const, что примерно соответствует карбюраторному двигателю.
2. Цикл с подводом теплоты при P=const, что примерно соответствует компрессорному дизелю.
3. Цикл со смешанным подводом теплоты, что примерно соответствует дизелю без наддува.
4. Теоретический смешанный продолженный цикл с переменным давлением газов перед газовой турбиной.
5. Теоретический смешанный продолженный цикл с постоянным давлением газов перед газовой турбиной.
Что касается цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат, то он не может быть практически применим, т. к. получается незначительная мощность при очень высоких температурах и давлениях в цилиндре.
Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить три задачи:
1. Оценить влияние различных факторов на ηt и Pt (термического КПД и среднего давления) и установить оптимальное значение этих факторов.
2. Провести сравнение различных теоретических циклов с точки зрения лучшей экономичности.
3. Получить числовые значения ηt и Pt, которые могут являться критериями для оценки степени совершенства реальных двигателей.
Цикл со смешанным подводом теплоты является обобщающим, и мы начнём рассмотрение его:
2.2 Цикл со смешанным подводом теплоты
Цикл Тринклера – Сабате (Тринклер – российский ученый-теплотехник, Сабате – французский ученый). По такому циклу работают двигатели с воспламенением топлива от теплоты сжатия и его впрыском непосредственно в цилиндр. Реализация цикла возможна в относительно малом диапазоне частот вращения вала, обычно от 600 до 2500 об/мин и в редком случае до 3200 об/мин. Ограничение максимальной частоты вращения объясняется трудностью организации смесеобразования топлива с воздухом за очень малый промежуток времени.
Рисунок 2.1 – Цикл со смешанным подводом теплоты
ac – адиабата сжатия;
сz/ - подвод тепла при v = const (изохорный);
z/z – подвод тепла при p = const (изобарный);
zb – адиабата расширения;
ba – отвод теплоты при v=const (изохорный).
Vn – обьём, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ (рабочий объем цилиндра двигателя)
где D – диаметр цилиндра, дм;
S – ход поршня, дм;
Vc – объём камеры сгорания, л;
Va – полный объём цилиндра двигателя, л.
Относительными показателями цикла являются:
- степень повышения давления (т.к. Рz=Pz’)
- степень предварительного расширения (т.к. Vc=Vz′)
- степень последующего расширения;
- показатель адиабаты;
- степень сжатия;
; 
; 
Часть теплоты подводится при V=constàQ1’, а часть при P=constàQ1’’.
2.2.1 Термический КПД смешанного цикла
;
здесь (введем искусственный прием записи):
;
- адиабата расширения;
- степень повышения давления;
- адиабата сжатия
Подставим в Q2
; 
à вынесем 
изохорный 
где: 
- степень повышения давления (изохора);
- степень предварительного расширения (изобара).
;
- адиабата сжатия
2.2.2 Среднее давление смешанного цикла
т. к. 
, вывод см. выше
Учитывая, что: 
; 
; 
Подставим в 
, будем иметь
здесь 
Вывод:
1. 
- смешанного цикла повышается с увеличением значений 
(степень сжатия) и 
(степень повышения давления), и с уменьшением 
(степень предварительного расширения).
2. Цикл со смешанным подводом тепла целесообразно применять при значениях степени сжатия 
и с возможно большими значениями λ (степень повышения давления).
3. Циклы с подводом теплоты при V=const и P=const являются частными случаями смешанного цикла. Поэтому рассмотрим частные случаи.
2.3 Цикл с подводом теплоты при V=const
Цикл Н. Отто – немецкий инженер и предприниматель. В реальном поршневом двигателе это означает, сто сгорание топлива происходит вблизи ВМТ. Такой процесс характерен для двигателей с принудительным воспламенением смеси (искровым зажиганием) - карбюраторный или с впрыском топлива, дозирование которого осуществляется электронными, механическими или пневмомеханическими устройствами. Двигатели могут иметь широкий диапазон частот вращения вала – в реальной практике в основном от 2500 до 7000 об/мин. Цикл легко реализуется при малых n, об/мин с нижней границей 50…100 об/мин.
Рисунок 2.1 – Цикл со подводом теплоты при V=const
Для этого цикла:
и 
;
- степень предварительного расширения.
Подставляя в формулу смешанного цикла 
и Pt имеем:
Анализ зависимостей:
- зависит только от и показателя адиабаты сжатия и расширения k.
Рисунок 2.2 – Зависимость термического КПД от степени сжатия
Однако, возрастание заметно уменьшается при высоких степенях сжатия (начиная с 
). Здесь К:
K=1,4 – двухатомный газ (воздух);
K=1,35 – смесь воздуха и продуктов сгорания;
K=1,30 – смесь двух и трёхатомных газов.
Величина Pt дополнительно зависит от начального давления Pa и степени повышения давления λ.
Примерная зависимость.
Рисунок 2.3 – Зависимость Pt от степени повышения давления
Учитывая, что теплота сгорания бензовоздушной смеси, при α=1, не превышает 
, максимально Pt не может быть выше 2,1 МПа: при ε = 20 и λ = 4,5; а при ε = 8 и λ = 6: Pt ≤ 1,85 МПа.
Для повышения Pt нужно иметь топливо с более высокой теплотой сгорания и детонационной стойкостью.
Вывод:
1. Минимальные потери теплоты получаются при использовании в качестве рабочего тела – воздуха. При использовании топливовоздушной смеси потери теплоты повышаются.
2. По данному циклу целесообразнее осуществлять рабочий процесс с ε ≤ 11…12. Дальнейшее повышение ε приводит к незначительному увеличению и Pt, однако существенно повышаются механические нагрузки на двигатель.
2.4 Цикл с подводом теплоты при P=const
Цикл Р. Дизель – немецкий конструктор и фабрикант.
Рисунок 2.4 – Цикл с подводом теплоты при P=const
Чтобы осуществить данный процесс в реальном двигателе, воспламенение топлива должно быть от теплоты сжатия, а впрыск топлива производится в потоке предварительно сжатого дополнительным компрессором воздуха. Такие двигатели получили название компрессорные дизели. Частота вращения вала двигателя относительно мала 600…1200 об/мин.
Для этого цикла: 
; 
;
- степень повышения давления
Подставляя в формулы смешанного цикла и Pt имеем:
Выводы по циклу при P=const.
1. Значения и Pt цикла с подводом теплоты при P=const значительно ниже соответствующих значений при V=const, т. к. множитель 
(всегда больше единицы)
2. Уменьшение k от K=1,4 до k=1,3 влечёт за собой значительное уменьшение и Pt.
3. Использование цикла в реальных двигателях целесообразно только при значительных ε.
Данный цикл не используется в современных автотракторных двигателях.
Выводы по циклам:
На основании трёх рассмотренных теоретических циклов можно заключить:
1. При одинаковых начальных условиях:
(
и Pt) P=const < (и Pt) смеш. < (и Pt) V=const
2. Величина Pt пропорциональна (для всех циклов) давлению в начале сжатия – Pa.
Повышение давления в начале сжатия (Pa), точка «a» с целью увеличения удельной работы цикла называется наддувом.
В двигателях наддув осуществляется за счёт предварительного сжатия воздуха или горючей смеси в компрессоре. Привод компрессора может быть механическим, непосредственно от вала двигателя или газовым, от газовой турбины, работающий за счёт энергии выпускных газов двигателя.
Повышение давления в начале сжатия можно получить за счет использования скоростного напора, инерционных и волновых явлений, т.е. за счет так называемого инерционного наддува (Д-240).
2.5 Теоретический смешанный продолженный цикл
с переменным давлением газов перед газовой турбиной
Рисунок 2.4 – Смешанный продолженный цикл с переменным давлением газов перед газовой турбиной
оа – адиабатное сжатие воздуха в нагнетателе;
ас – сжатие в цилиндре двигателя;
cz’z – смешанный подвод теплоты;
zb – адиабатное расширение газов в цилиндре двигателя;
bf – продолженное расширение газов цилиндра двигателя в выпускном трубопроводе и на лопатках турбины;
fo – отвод тепла при P=const от компрессора;
b – открытие выпускного клапана;
а – открытие впускного клапана.
На практике осуществить этот процесс трудно, т. к. у нас не один цилиндр. Для адиабатного расширения нужно каждый раз подключать компрессор к выпускному патрубку.
Для этого цикла имеем:
2.5.1 Термический КПД этого цикла
;
;
где 
ε – степень сжатия в двигателе;
εк - степень сжатия в компрессоре.
Вывод:
При одной и той же величине степени сжатия ε основного двигателя цикла с продолженным расширением газов выше, чем для смешенного цикла без продолженного расширения газов, т. к. числитель продолженного цикла меньше, чем числитель смешанного цикла (не продолженного).
2.5.2 Среднее давление цикла
;
, 
;
; 
;
;
.
Следовательно, в этом цикле Pt будет выше по сравнению с другими циклами. (ε0 > ε).
Однако на практике цикл с продолженным расширением осуществить нельзя, т. к. каждый цилиндр должен отдельно подключаться к выпускному патрубку. Легче если выхлопные газы направлять в выпускной патрубок, общий для всех цилиндров, а затем на газовую турбину компрессора.
2.6 Теоретический смешанный продолженный цикл с
постоянным давлением газов перед газовой турбиной
Рисунок 2.4 – Смешанный продолженный цикл с постоянным давлением газов перед газовой турбиной
ad – изобарный подвод теплоты в турбокомпрессор;
df – адиабатное расширение в газовой турбине;
fo – изобарный отвод теплоты;
оа – адиабатное сжатие в компрессоре.
При газотурбинном наддуве получается комбинированный двигатель, состоящий из поршневой части, газовой турбины и компрессора.
Цикл acz’zba – осуществляется в поршневой части;
цикл adfoa - осуществляется в турбокомпрессоре.
2.6.1 Термический КПД
;
; 
; 
;
где QТ – отвод тепла от двигателя к компрессору;
- термический КПД компрессора.
;
где 
- термический КПД самого двигателя со смешанным подводом теплоты
, тогда
,
- термический КПД компрессора
т. к. ε0 = ε εк имеем:
Частный случай:
б) λ=1 (изобарный процесс), то
Вывод: тепло использованное в цикле с продолженным расширением и использованием кинетической энергии выпускных газов будет выше, чем для цикла, не использующего непосредственно кинетической энергии газов. Эти циклы более экономичные.
2.6.2 Среднее давление продолженного цикла с постоянным давлением газов перед газовой турбиной
,
- определенно для цикла с продолженным расширением газов перед газовой турбиной
Ещё посмотрите лекцию "3.2. Кинематические элементы движущейся жидкости" по этой теме.
; 
; 
;
;
;
Pt – для цикла с подводом теплоты при постоянном давлении газов перед газовой турбиной больше, чем при смешанном подводе тепла без газовой турбины.
Вывод по теоретическим циклам:
Любой цикл продолженный более выгодный любого другого цикла. Поэтому использование наддувов выгодно. Однако при работе двс на частичных режимах работа с турбонаддувом бывает даже вредной. Регулирование режимов возможно только с использованием бортовых ЭВМ.
