Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

Классификация тепловых двигателей

По способу подвода теплоты к рабочему телу различают:

• двигатели внешнего сгорания;

• двигатели внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) по способу реализации полезной работы цикла могут быть:

• поршневыми (роторно-поршневыми);

• газотурбинными;

• комбинированными;

• реактивными.

ДВС — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется путем сжигания топлива внутри самого Двигателя.

Рабочим телом в ДВС является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.

ДВС имеют два существенных преимущества.

Во-первых, так как источник теплоты находится внутри самого двигателя, нет необходимости в больших теплообменных поверхно­стях, что способствует его компактности.

Во-вторых, в двигателях внешнего сгорания внешний температурный предел рабочего тела ограничен свойством конструкционных материалов, через которые осуществляется теплообмен. В двигателях же внутреннего сгорания, где тепловыделение происходит в самом рабочем теле, температурный предел может быть значительно выше. А так как стенки головки и цилиндра двигателя имеют принудительное охлаждение, то температурные границы цикла могут быть расширены и термический КПД может быть увеличен.

В поршневых и роторно-поршневых двигателях рабочее тело находится в замкнутом пространстве между неподвижными деталями и движущимся поршнем или ротором, которые воспринимают давление рабочего поршня и преобразуют его во внешнюю работу.

В газотурбинном двигателе рабочее тело расширяется в потоке, т. е. в незамкнутом пространстве. При тепловом расширении кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу на лопатках вращающегося рабочего колеса.

В реактивных двигателях рабочее тело расширяется также в незамкнутом пространстве, но кинетическая энергия газа преобразуется в работу не на лопатках колеса как в газотурбинном двигателе, а за счет сил реакции при выходе рабочего тела из двигателя в окружающую среду с большой скоростью.

Комбинированный двигатель представляет собой гибрид поршневого и газотурбинного двигателей.

Термин «двигатель внутреннего сгорания» получил распростра­нение применительно к поршневым двигателям.

Принцип работы ДВС

Принцип действия ДВС показан на рис. 1, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.

Рис. 1. Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС
и его принципиальная схема

Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной к₁ и выпускной к₂ клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает воз­вратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впу­скной клапан к₁ засасывается горючая смесь (кривая 0—1'). Прямая а—а' соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1'—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры р, v и T при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.

По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения.

На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.

При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к₂. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р₄ до р₁ не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т. е. без теплообмена.

Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0), меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.

Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.

Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно.

Площадь фигуры 1234 на индикаторной диаграмме соответству­ет работе за один цикл.

На рис. 1 показана индикаторная диаграмма четырехтактного ДВС. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная — изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.

ДВС, как это видно из рис. 1, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамическими процессами. Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.

Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.

По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:

1) циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме;

2) циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;

3) смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.

Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:

1) по условию и характеру работы двигателя строится индикаторная диаграмма цикла;

2) определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;

3) определяются теплота и работа цикла;

4) определяется термический КПД цикла по формуле

;

5) выявляются факторы, влияющие на термодинамический КПД, и определяются пути его повышения.

Отличия реальных или действительных циклов от термодинамических рассматриваются в главе (действительные циклы ДВС).

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме называется циклом Отто по имени немецкого конструктора Н. А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.

Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с парами бензина или любым другим легко испаряющимся веществом.

На рис. 2 представлена р—v диаграмма двигателя, работающего именно по циклу Отто. Идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (рис. 2, кривые 1—2 и 3—4) и двух изохор (прямые 2—3 и 4—1). Работа, производимая двигателем за цикл, выражается площадью фигуры 23412.

Рис. 2. Цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме

Так как в этом цикле участвует постоянное количество рабочего тела, то линии впуска и выпуска отсутствуют. Кривая 1—2 соответствует процессу адиабатного (условно без теплообмена) сжатия газа, в это время поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ).

При положении поршня в ВМТ и постоянном объеме v₂ (см. рис. 2, прямая 2—3) осуществляется процесс подвода теплоты q₁ к рабочему телу. При этом давление и температура рабочего тела повышаются.

При движении поршня от ВМТ к НМТ (кривая 3—4) происходит процесс адиабатного расширения газа.

Отвод теплоты (-q₂) от рабочего тела к холодильнику соответст­вует прямой 4—1 и осуществляется при постоянном объеме, когда поршень находится в НМТ.

Характеристиками цикла являются степень сжатия ε и степень повышения давления λ.

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем газа в процессе сжатия:

, (2.1)

где v₁ — удельный объем газа в начале хода сжатия или полный объ­ем при положении поршня в НМТ; v₂ — удельный объем газа в конце хода сжатия или объем над поршнем при его положении в ВМТ (объем камеры сгорания).

Степень повышения давления показывает, во сколько раз повышается давление газа в результате подвода к нему теплоты при постоянном объеме:

, (2.2)

где р₃ — давление газа в конце подвода теплоты; р₂ — давление газа в начале подвода теплоты.

Так как параметры начального состояния (точка 1) всегда известны, то параметры всех других состояний могут быть выражены через р₁, v₁ и Т₁.

Так как ε и λ выражены через v и р, то и они являются параметрами состояния.

Двигатели, работающие по данному циклу, имеют ε от 6 до 11; λ от 3 до 5.