7. Газовые циклы.

В газовых циклах рабочее тело на протяжении всего цикла не меняет своего агрегатного состояния (т.е. остается газообразным). Газовые циклы реализуются в двигателях внутреннего сгорания. К двигателям внутреннего сгорания относятся поршневые, газотурбинные и комбинированные двигатели, рабочим телом в которых являются продукты сгорания топлива.

Для термодинамического анализа реальные рабочие процессы этих двигателей схематизируют, принимая следующие допущения:

1. все процессы обратимы и составляют обратимый круговой процесс - термодинамический цикл;

2. рабочее тело является идеальным газом с постоянной теплоемко­стью, неизменным количеством и составом;

3. процессы сжатия и расширения рабочего тела считаются адиаба­тическими;

4. процесс сгорания топлива заменен процессом подвода теплоты q₁ к рабочему телу;

5. процесс теплоотдачи и выброс теплоты с продуктами сгорания в атмосферу заменены процессом отвода теплоты q₂ от рабочего тела к холодильнику.

8.1 Обобщенный газовый цикл тепловых машин

Т ермодинамические циклы различных тепловых двигателей могут рассматриваться как частные случаи обобщенного цикла (рисунок 8.1).

Обобщенный цикл состоит из следующих процессов:

Процесс 1 -2 - адиабатное сжатие рабочего тела;

Процесс 2-3 - изохорный подвод теплоты q_1v;

Процесс 3-4 - изобарный подвод теплоты q_1p;

Процесс 4-5 - адиабатное расширение рабочего тела и совершение работы;

Процесс 5-6 - изохорный отвод теплоты q_2v;

Процесс 6-1 - изобарный отвод теплоты q_2p

Характеристики цикла:

Процесс 1-2 ε=V₁/V₂ - степень сжатия рабочего тела;

Процесс 2-3 λ=р₃/р₂ - степень повышения давления в изохорном процессе подвода теплоты;

Процесс 3-4 ρ=V₄/V₃ - степень предварительного расширения в изобарном процессе подвода теплоты;

Процесс 4-5 δ=V₅/V₄ - степень последующего расширения в процессе совершения работы;

Процесс 5-6 σ=р₅/р₆ - степень падения давления в изохорном процессе отвода теплоты;

Процесс 6-1 f=V₆/V₁ - степень сокращения объема в изобарном процессе отвода теплоты

Индикатор цикла

Все процессы составляют обратимый круговой цикл, следовательно, характеристики цикла не являются независимыми, а связаны между собой определенным соотношением, называемым индикатором цикла:

(8.1)

Термический к.п.д. обобщенного цикла.

Термический к.п.д. определяется следующим выражением:

(8.2)

Или, с учетом индикатора цикла (8.1):

(8.3)

8.2 Идеальные циклы двс

Поршневые ДВС работают по различным циклам. Это связано с различными способами приготовления топливо-воздушной смеси и ее воспламенения. В связи с этим различают следующие виды идеальных циклов ДВС:

с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто); с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля); цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера). Отвод теплоты в поршневых ДВС осуществляется вместе со сбросом продуктов сгорания в атмосферу при открытии выпускных клапанов или выпускных окон. Процесс этот протекает очень быстро, практически изохорно, так что у всех типов ДВС изобарный отвод теплоты отсутствует, т.е. f = 1.

Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Цикл Отто является идеализацией карбюраторных и газовых дви­гателей, в которых сгорание топлива происходит очень быстро, практически взрывообразно.

Цикл Отто состоит из следующих процессов (рисунок 8.2):

• (1-2) - адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре двигателя;

• (2-3) - изохорный подвод теплоты при сгорании топлива;

• (3-4) - адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре и со­вершение полезной работы;

• (4-1) - изохорный отвод теплоты при открытии выпускного клапана и выбросе продуктов сгорания в атмосферу.

Ц икл Отто отличается от обобщенного цикла отсутствием процессов изобарного подвода и отвода теплоты, т.е., в цикле Отто ρ = 1 и f = 1. Подставив эти значения в выражение для термического к.п.д. обобщенного цикла (8.2) и проведя некоторые преобразования с учетом индикатора цикла, можно получить следующее выражение для термического к.п.д. цикла Отто:

(8.4)

Термический к.п.д. цикла Отто является функцией ε и показателя адиабаты рабочего тела k: η^Отто= f (ε,k). Из формулы (8.4) следует, что η^Отто тем больше, чем больше степень сжатия ε и показатель адиабаты k. Однако увеличение степени сжатия ε ограничивается скоростью процесса сгорания топлива. При очень высоких скоростях сгорания топлива наступает явление детонации - сгорание топлива со скоростью взрыва, что приводит к снижению надежности и экономичности двигателя. Поэтому степень сжатия для карбюраторных двигателей не превышает 6-9. Давление в конце процесса сжатия (точка 2) достигает 4-12 бар.

Рисунок 8.2 - Цикл Отто

Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном дав­лении (цикл Дизеля)

Цикл Дизеля (рисунок 8.3) является идеализацией устаревших компрессорных дизельных двигателей, в которых впрыск топлива в цилиндр двигателя осуществлялся через форсунку с помощью воздушного компрессора высокого давления.

Рисунок 8.3 - Цикл Дизеля

Цикл Дизеля состоит из следующих процессов:

(1-2) - адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре двигателя;

(2-3) - изобарный подвод теплоты при сгорании топлива;

(3-4) - адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре и со­вершение полезной работы;

(4-1) - изохорный отвод теплоты при открытии выпускного клапана и выбросе продуктов сгорания в атмосферу.

В цикле Дизеля λ = 1 и f = 1. Уравнение (8.2) преобразуется в следующее выражение для термического к.п.д. цикла Дизеля:

(8.5)

Термический к.п.д. цикла Дизеля зависит также и от степени предварительного расширения ρ:

η_t^Дизеля = f (ε,k,ρ).

η_t^Дизеля возрастает с ростомεи k и с уменьшением ρ. В двигателях данного типа степень сжатия достигает 12-20. Такие высокие значения ε объясняются тем, что в цилиндре сжимается чистый воздух, а не горючая смесь, что исключает его самовоспламенение.

Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты

(цикл Тринклера)

Большинство ДВС с воспламенением топлива от сжатия работают по циклу со смешанным подводом теплоты - одна часть теплоты (q_1v) подводится при v = const, другая (q_1p) - при р = const (рисунок 8.4). К этому типу относятся бескомпрессорные дизели.

Рисунок 8.4 - Цикл Тринклера

Цикл Тринклера состоит из следующих процессов:

(1-2) - адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре двигателя;

(2-3) - изохорный подвод теплоты;

(3-4) - изобарный подвод теплоты;

(4-5) - адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре и совершение полезной работы;

(5-1) - изохорный отвод теплоты при открытии выпускного клапана и выбросе продуктов сгорания в атмосферу.

В цикле Тринклера только f = 1. Из уравнения (8.2) следует, что выражение для термического к.п.д. цикла Тринклера выглядит следующим образом:

(8.6)

Как следует из выражения (8.6), η_t^{Тринклера} повышается с увеличением ε и k, а также зависит от степени повышения давления λ и степени предварительного расширения ρ.