Примеры термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания
В качестве первого примера рассмотрим цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, к которому довольно близок действительный цикл работы, бензинового двигателя. Этот цикл представлен на рис. 41, где показано изменение давления р в цилиндре в зависимости от объема газа V. Для наглядности в нижней части рисунка схематически изображен цилиндр с поршнем. Диаметр цилиндра D, ход поршня Z. Пунктиром показано верхнее
(ВМТ) и нижнее (НМТ) положения поршня. Объем камеры сгорания - V2, а степень сжатия
Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Qp и отводимой Qo теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле
Р
и~ QP &qt;
Начнем наблюдать за ходом цикла на рис. 41 от точки, соответствующей нижнему положению (НМТ) поршня. При его движении вверх происходит адиабатическое сжатие вплоть до точки 2, соответствующей верхнему положению (ВМТ) поршня. От точки 2 до точки 3 при неподвижном поршне к газу подводится теплота QpV и давление газа растет. От точки 3 поршень передвигается к точке 4 (НМТ) и происходит адиабатическое расширение. На участке от точки 4 до точки 1 при неподвижном поршне теплота QoV от газа отводится к стенкам цилиндра. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы обозначает выполненную работу At.
Кроме описанной р - F-диаграммы на рис. 41 изображен тот же цикл в координатах температура Т - энтропия 5.
Для нашего анализа достаточно определить, что понимается под величинами энтропии S. Энтропию невозможно измерить прямым путем, поэтому условимся, что если к веществу подводится теплота, энтропия растет, а при отводе от него теплоты - уменьшается. Диаграммы в координатах Т - 5 будут служить лишь для сравнения с циклом Карно, представляющим максимально достижимый по эффективности цикл.
Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 42, Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения, Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре ири сгорании почти востояняым.
По сравнению с предыдущим рисунком диаграмма на рие, 42 отличается тем, что после завершения кода сжатия в точке 2 впрыск топлива происходит при уже начавшемся ходе расширения таким образом, чтобы давление газов при сгорании оставалось постоянным вплоть до точки после которой начинается адиабатическое расширение.
В действительности подвод теплоты не протекает лишь при постоянном объеме или только при постоянном давлении. К реальным условиям ближе всего цикл со смешанным подводом теплоты, изображенный на рис. 43. В этом случае подвод теплоты начинается в точке 2 после завершения сжатия, и количество теплоты QpY подводится при постоянном объеме до точки 2, 3, а дальнейшее ее поступление в количестве Qpp происходит при постоянном давлений вплоть до точки 3. После этого от точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение.
Описанные выше термодинамические циклы в действительности не выдерживаются. Для сравнения приведем еще цикл Карно (рис. 44), обеспечивающий максимальное использование подводимой теплоты. Этот цикл начинается, как и другие, с адиабатического сжатия от точки до точки 2. На диаграмме Т - S это адиабатическое сжатие изображено вертикальной прямой, так как энтропия при этом не изменяется, а повышается только температура от Т2 дб 7. В точке 2 начинается изотермический подвод теплоты, продолжающийся до точки 3. Так как температура не изменяется, то, следовательно, должен увеличиваться объем. На диаграмме Т - S этот процесс изображен горизонтальной прямой при постоянной температуре 7. Энтропия газа на этом участке увеличивается. От точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение, изображенное на диаграмме Т - S вертикальным отрезком 3-4. Затем следует отвод теплоты при постоянной температуре до точки . Работа, выполненная в этом цикле, на Г - S-диаграмме показана прямоугольником /-2-3-4 и представляет собой максимально возможное использование теплоты в диапазоне температур от 7 до Т2. Однако реализовать на практике такой цикл невозможно.
Оглавление Вверх:
Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания