Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Последнее вызывается аэро- и гидродинамическим сопротивлением клапанов 5 и 3 и подводящих патрубков. Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня. Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то при исследовании цикла поршневого ДВС принимаются следующие допущения: ° рабочее тело — идеальный газ с постоянной теплоемкостью; ° количество рабочего тела постоянно; ° между рабочим телом и источником теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; ° подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты.
Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодннамических циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их аффективность. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а идеальной ро-диаграммой его цикла. Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты для 1 кг рабочего тела в ро-координатах (рис.
11.7, а) и Уз-координатах (рис. 11.7, 6). О 1 а) 318 11.5. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания Идеальный цикл состоит из следующих процессов: ° а — с — адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре; ° с — г — подвод теплоты при постоянном объеме; ° г — Ь вЂ” адиабатное расширение продуктов сгорания; ° Ь вЂ” а — отвод теплоты при постоянном объеме (условный процесс отвода теплоты, зквивалентен выпуску отработанного газа).
В результате совокупности зтих процессов совершается прямой замкнутый цикл с положительной результирующей рабоптой, которая в рс- и Тз-координатах определяется площадью асгба. Основными характеристиками данного цикла являются: ° з = с у'с, — степень сжатия, где с — удельный объем газа перед процессом сжатия; и, — удельный объем газа в конце процесса сжатия; 1 Степень сжатия — зто отношение объемов в цилиндре двигателя при положении поршня в начале и конце процесса сжатия. Термический КПД цикла с подводом и отводом теплоты при с = сопев (цикла Отто) определится путем подстановки количества теплот в данном цикле в формулу (11.6) т)г Ч2/ Чт' Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе с — г, ч,=с,(Т,— Т,). (11.18) Количество теплоты, отводимое в изохорном процессе Ь вЂ” а, 92 = ст,(Ть — Т ). (11.19) Подставляя значения дт и 92 в выражение термического КПД, получаем си(уь — Т ) с„(У, — Т„:) (11.20) 319 ° Х = р,/р, — степень повышения давления в процессе подвода теплоты, где р, — давление в конце процесса подвода теплоты, р, — давление в конце адиабатного сжатия.
| Степень повышения давления — зто отношение наибольшего давления в цилиндре двигателя, образовавшегося в результате подвода теплоты, к давлению в конце процесса сжатия. Глава 11. Термодинамические циклы Выразим температуры в основных точках цикла череа начальную температуру Т . Для адиабатного процесса сжатия а — с с учетом соотношения (3.49) будем иметь Т, га (а) л Следовательно: Т =Тел с а Для изохорного процесса с — з, учитывая (3.48), запишем (11.23) Т =ТХ=ТХз" с а (11.24) Для адиабатного процесса расширения з — Ь по аналогии с формулой (11. 21) запишем Т„и, (11.25) Учитывая (11.
24), последнее выражение можно записать (11. 26) С учетом полученных значений (11.22), (11.24) и (11.26) формула (11.20) будет записана в виде Т Х вЂ” Т и Т сел 1 — Т еа а а (11.27) или окончательно 1 т) =1 —— еа — 1 (11.28) Из последнего выражения видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при и = сопз1 зависит от степени сжатия рабочего тела е (что зависит от конструкции двигателя) и показателя адиабатного процесса Ф рабочего тела, совершающего цикл. Однако от степени повышения давления ). термический КПД данного двигателя не зависит.
320 Таким образом, с учетом (11. 22) будем иметь (11.21) (11.22) 11.5. циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания пи% = 1,67 80 = 1,4 60 = 1,3 40 0,2 20 0 1 0 2 4 6 8 10 Рис. 11.8 3 5 7 9 е Рис. 11.9 321 Увеличение КПД с ростом показателя адиабатного процесса объясняется влиянием изменения рода рабочего тела и его теплоемкости. Так, одноатомный газ ()г = 1,67) имеет минимальную теплоемкость и требует минимальной затраты теплоты для заданного повышения температуры в процессе с — з, что обеспечивает максимальный термический КПД цикла.
На рис. 11.8 представлена зависимость 1), = 1(а) для различных Й. В первых двигателях внутреннего сгорания при о = сопМ степень сжатия составляла всего 2 — 2,6, а в современных двигателях она доходит до 7 — 12. При значениях а = 10 — 12 темп возрастания т), уменьшается, что прослеживается на графике т), = 1(е) при )г = 1,36 (рис.
11.9). Степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. При высоких степенях сжатия значительно повышаются температура и давление в конце сжатия. Так, при некоторых значениях е часто еще до прихода поршня в левое крайнее положение (ВМТ) происходит самовоспламенение горючей смеси. Как правило, процесс сгорания в этом случае носит детонационньвй (взрывной) характер и разрушает элементы двигателя. Чтобы этого не происходило, каждому виду топлива соответствует своя степень сжатия. Величина степени сжатия зависит от качества топлива и повышается с улучшением его антидетонационных свойств, характеризуемых октановым числом. Это число является условной характеристикой, означающей содержание в топливе изооктана — углеводорода, вообгце не подверженного детонации.
Глава 11. Термодинамические циклы Из рис. 11.7, б видно, что теплота, подводимая к рабочему телу в цикле с подводом теплоты при о = = сопз(, изображается в Тз-диаграмме площадью 1сз21„а работа цикла — площадью асзба. Термический КПД цикла с подводом теплоты при о = сопзФ с использованием Тз-диаграммы определяется из соотношения площадей О о 10 Б в Рис.
Т Т.ТО ~в — — (11.29) д, пл. 1сз21 ' На рис. 11.10 приведены два цикла с различной степенью сжатия е. Из рисунка видно, что при равенстве д„(пл. 67610 = = пл. 6235), но при разных степенях сжатия е термический КПД больше у цикла с большей степенью сжатия, так как в окружающую среду отводится меньшее количество теплоты, т. е.
пл. 61910 < пл. 6145. Удельная работа цикла определяется по выражению (11.6) 1 =д„д, = (1 — —, ~с„Т„еа '(Х вЂ” 1). (11.30) 1 Из выражения (11.30) видно, что работа, получаемая за цикл, зависит от начальной температуры Т, и характеристик цикла е и ).. Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме начали применяться в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической свечи (искры) на легковых, многих грузовых автомобилях и на самолетах малой авиации.
Практически весь мировой парк малой авиации снабжен поршневыми двигателями с искровым зажиганием и классической схемой кривошипно-шатунного механизма. Между собой они различаются схемой расположения цилиндров (рядное, оппозитное, звездообразное) и способом подачи топлива (нарбюриторное питание или непосредственный спрысн). В настоящее время в России широко эксплуатируется двигатель М-14, представляющий собой девятицилиидровую «звезду» воздушного охлаждения.
Этот двигатель и сейчас выпуска- 322 11.5. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания ется серийно в виде модификаций М-14П вЂ” для самолетов и М-14В26 — для вертолетов, В последнее время повышенное внимание уделяется роторно-поршневому двигателю, который является более легким вследствие устранения кривошипно-шатунного механизма. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием имеет секции, каждая из которых работает по четырехтактному циклу. Функцию поршня в нем выполняет трехвершинный ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение зксцентрнкового вала.
Вал вращается на размещенных на корпусе подшипниках и имеет цилиндрической эксцентрик, на котором размещается ротор. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя, а в зацеплении с ней находится шестерня ротора. Их взаимодействие обеспечивает оптимальное движение ротора относительно корпуса, в результате чего образуются три разобщенные камеры переменного объема.
Передаточное отношение шестерен 2: 3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот в каждой из камер совершается четырехтактный цикл, отображаемый в ри- и Тз-диаграммах точно так же, как и ранее рассмотренный классический цикл Отто. На рис. 11.11, а представлена последовательность работы роторно-поршневого двигателя, а на рис. 11.11, б — традиционного поршневого двигателя. а) Воспламеиениет' рабочий ход Выпуск Сжатие Впуск б) Рис.
11.11 323 Глава 11. Термодинамические циклы Степень сжатия с в цикле можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем в конце процесса сжатия вводить в цилиндр жидкое горючее. На этом принципе основан цикл Дизеля. Рб«» 324 11.5.4. Цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля). В двигателях с подводом теплоты при р = сопзФ (дизелях) производится раздельное сжатие воздуха и жидкого горючего. Раздельное сжатие воздуха и горючего исключает самовоспламенение и позволяет получать высокие степени сжатия.
Давление в конце сжатия достигает значений порядка 3 — 4 МПа, а температура 600 — 800 'С. Степень сжатия в таких двигателях е = 14 — 18. Принципиальную схему работы данного двигателя можно представить в виде следующих процессов. Жидкое топливо в цилиндр 1 (рис. 11.12, б) подается через форсунку 4 в мелко распыленном виде в конце процесса сжатия воздуха.
Распыление топлива производится сжатым во вспомогательном компрессоре воздухом. Сжатый в цилиндре воздух имеет настолько высокую температуру, что подаваемое горючее самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Постоянное давление прн горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсункн. Таким образом, в данном двигателе процесс сгорания происходит постепенно, а раз- дельное сжатие воздуха и горючего а) Р с г позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо — дизельное топливо, нефть, мазут, смолы. Индикаторная диаграмма цикла «дизеля» приведена на рис.
11.12„а. О В процессе Π— а в цилиндр двига- теля засасывается атмосферный О и воздух; затем происходит его ади- С) -ч 4 ~...", абатное сжатие (а — с) до давления р,; после этого на участке с — з рей 1 ализуется процесс сгорания, кото- Рис. 11.12 рый отображается в виде подвода 11.5. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания теплоты г11 от источника; на участке з — Ь происходит процесс расширения продуктов сгорания; после чего открывается выпускной клапан цилиндра и давление снижается (процесс Ь вЂ” Ы), а в дальнейшем продукты сгорания выталкиваются из цилиндра двигателя в атмосферу (процесс г( — О). Таким образом, цикл Дизеля — это четырехтактный цикл. Для удобства термодинамического анализа заменим рассмотренный цикл термодинамически эквивалентным ему идеализированным замкнутым циклом для 1 кг рабочего тела, ри- и Тз-диаграммы которого представлены на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
