Термодинамические циклы поршневых двс

Лекция 4.

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).

Рекомендуемые материалы

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

1.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.

2.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, что при 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.

3.Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

Этот цикл является прототипом действительного цикла карбюраторного двигателя и состоит из адиабат сжатия (ас) и расширения (zb) и изохор с подводом (cz) и отводом (ba) теплоты (рисунок fQ ). Так как теплота в данном цикле сообщается только при v

V = const, то его можно рассматривать как частный случай цикла со смешанным подводом теплоты и тогда при = 1

,

где £- показатель адиабаты.

Рис.17 -Термодинамический цикл со смешенным подводом теплоты

Рис.15- Зависимость термического к. п. д. смешенного цикла от степени сжатия при Л = const;при р = const (цифры у кривых указывают значения и р)

Влияние степени сжатия на к. п. д. п, иллюстрирует рисунок 17, из которого следует, что с ростом к. п. д. цикла увеличивается. Это происходит потому, что при повышении в и неизменной величине q[ и q возрастает степень расширения S, а, как известно, превращение теплоты в работу происходит в процессе расширения газа. Важно подчеркнуть, что темп роста к. п. д. цикла с увеличением е замедляется, поэтому при достаточно высокой степени сжатия дальнейшее ее повышение относительно мало сказывается на выигрыше в величине rj_t.

Использование рабочего тела с большей теплоемкостью, что равнозначно понижению показателя к, приводит к уменьшению rj,.

В цикле со смешанным подводом теплоты q, =q[ +q[ и если при данной величине q_x увеличить теплоту q[, сообщаемую при постоянном объеме, то соответственно возрастет , а теплота q и связанная с ней степень предварительного расширения а

Рис.16.Термодинамический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

Рис.17. Зависимость термодинамического к. п. д. цикла с подводом теплоты

при постоянном объеме от степени сжатия: 1 - при к = 1,4; 2 - при к =1,3; 3 - при к = 1,2

В цикле с подводом теплоты при V = const степень сжатия е = 8, поэтому к. п. д. rj_t от степени 'повышения давления Я не зависит. Влияние остальных параметров на т/, и p_t этого цикла такое же, как и в цикле со смешанным подводом теплоты. Например, на

рисунке /./-показана зависимость к.п. д. рассматриваемого цикла от степени сжатия при V различных значениях к, которая наиболее существенно проявляется при невысоких*^ На / основании такого характера функции rj_t = f(s) можно сделать важный вывод: поскольку степень сжатия в карбюраторных двигателях относительно невелика (для двигателей строительных машин и грузовых автомобилей s <7), то увеличение е является эффективным способом улучшения их показателей.

4.Сравнение термодинамических циклов: а) при одинаковых s и q; б) при одинаковых максимальных Т_тр₇ и одинаковых минимальных Т_ар_а

Анализ термодинамических циклов позволяет выявить их специфические особенности и показать, какой из циклов имеет преимущество перед другими в тех или иных условиях осуществления.

На рисунке 18 а в координатах Т - s два термодинамических цикла совмещены при V условии, что для них степень сжатия s, подведенная теплота q_x и начальное состояние рабочего тела (точка а) одни и те же. В соответствии с условиями сравнения адиабата сжатия (ас) для этих циклов едина. Так как теплота q_x одинакова, то тот из циклов имеет больший к. п. д., для которого абсолютное количество отводимой теплоты q₂ имеет наименьшее значение. Нетрудно заметить, что имеет место следующее

соотношение площадей, численно равных соответствующим количествам теплоты q₂

пл. 1аЬ2 <пл. ab_x 3 или q₂ < q₂ , а значит, л_1У > f]_tcCMe . Таким образом, при одной и

той же 'степени сжатия е наибольший к.п. д. будете цикле с подводом теплоты при V = const, так как в нем вся теплота подводится в в. м. т. и степень расширения 5 имеет наибольшую величину. В этом же цикле получаются самые высокие температура Т₇ и давление р₇ рабочего тела.

Рис.18- Сравнение термодинамических циклов:

a - при одинаковых величинах s и q_x; б - при одинаковых максимальных (71, р_х) и

минимальных (Т_а,р_а) температурах и давлениях рабочего тела

Из рисунка 18, б видно, что в цикле aczb теплота подводится при V = const, ав 1/

цикле ac_xz'zb — по смешанному закону. Пл. 1аЬ2 численно равна теплоте q₂ , одинаковой для сравниваемых циклов. Следовательно в условиях данного сравнения к. п. д. цикла тем больше, чем больше подведенная теплота q_x. Из графиков, изображенных на рисунке , б, следует, что пл.cz2<im.l c_xz'z2' или q_]v <q_x, поэтому T]_tV < t]_tccm . Чтобы объяснить полученный результат, воспользуемся известной из курса термодинамики зависимостью термического к. п. д. цикла с адиабатными процессами сжатия и расширения от среднеинте8гралъных температур (среднеинтегральная температура любого политропного процесса 1-2 равна (Т₂ - T_x )/ln(T₁/T₂), т. е. зависит только от начальной Т_х и конечной Т₂ температур процесса) процессов подвода Т'_ср и отвода Т"_р теплоты:

Для циклов, показанных на рисунке 18 , б, температура Т"_р в процессе отвода у теплоты (ba) одинакова, а температура Т'_ср, как следует из сравнения кривых cz и c_xz'z,

имеет меньшее значение в цикле с подводом теплоты при V = const, чем в цикле со смешанным подводом теплоты. Заметим, что в такой же последовательности, в какой возрастают величины rj_t и Т'_ср, увеличивается и степень сжатия в рассматриваемых

циклах, т. е. s_v < е_сжш . Это следует из того, что при Т_а = const соотношение зависящих от s температур конца сжатия характеризуется неравенством Т_с < Т_с1 (рисунок 18, б).

5. Термодинамические циклы ПД с наддувом

Одно из основных направлений в развитии поршневых д. в. с. заключается в увеличении их мощности путем соответствующего повышения среднего давления цикла.

Анализ зависимостей показывает, что в термодинамических циклах V среднее давление p_t станет больше, если повысить начальное давление р_а. Увеличение этого давления в двигателях достигается при помощи подачи в цилиндры воздуха, предварительно сжатого в компрессоре, под избыточным давлением. Такой метод увеличения мощности двигателя называют наддувом.

Компрессор может иметь механический привод от вала двигателя, в этом случае на его работу затрачивается часть мощности двигателя. Энергетически более выгодным является привод компрессора от турбины, которая использует часть энергии отработав­ших в цилиндре поршневого двигателя газов (газотурбинный наддув). В цикле (рис.19 а) после адиабатного расширения в цилиндре (процесс zb) газы направляются в турбину, где продолжают расширяться также адиабатически (bf) и при этом совершают работу. Затем при постоянном давлении от газов отбирается теплота q₂ (процесс fm). Сжатию воздуха в компрессоре соответствует адиабатный процесс та.. Рассматриваемый круговой процесс называют циклом с продолженным расширением.

Особенность этого способа наддува заключается в работе турбины при переменном давлении на входе, т. е. в использовании кинетической энергии (импульс давления) газов, отработавших в цилиндре поршневого двигателя, поэтому такую систему наддува называют импульсной. В реальных условиях осуществление импульсной системы наддува затрудняется организацией работы турбины 'при переменных давлении и скорости газа.

Более простым и распространенным является способ газотурбинного наддува при постоянном давлении перед турбиной (рисунок19, б). После окончания расширения газов у в цилиндре от них при постоянном объеме отводится теплота q'₂ (процесс Ъа), затем используемая в газовой турбине, на входе в которую давление поддерживается постоянным (линия аг). Адиабатное расширение газов в турбине изображено линией rf. Затем теплота отводится при р = const (линия fin). Адиабатное сжатие воздуха в компрессоре происходит по линии та. Термический к. п. д. цикла с постоянным давлением газа на входе в турбину ниже, чем при импульсной системе наддува.

Рисунок 19 Термодинамические циклы со смешенным подводом теплоты и с наддувом: V а - с продолженным расширением; б - постоянным давлением газов перед турбинной

В заключение рассмотрения термодинамических (идеальных) циклов следует отметить, что большей степенью приближения к действительным циклам характеризуются теоретические циклы поршневых д. в. с.

Теоретическим называют незамкнутый необратимый цикл, который осуществляется реальным рабочим телом переменного состава. При анализе теоретических циклов в соответствии с принимаемыми допущениями оказывается возможным учесть потери из-за изменения теплоемкости в зависимости от температуры, диссоциации газов, теплообмена со стенками и т. д. Естественно, что к. п. д. теоретического цикла меньше, чем соответствующего термодинамического.

Контрольные вопросы:

1. Что такое термодинамический цикл?

7 Россия в XVIII в. - первые попытки модернизации страны - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

2. В чем физический смысл понятия «термический кпд»?

3. Какие циклы реализуются в ПД с принудительным зажиганием и самовоспламенением?

4. В чем сущность наддува?

5. Каковы основные способы привода компрессора при наддуве?

6. Что такое теоретический цикл ПД и чем он отличается от термодинамического?

7. Как влияет степень сжатия на КПД цикла?