51. Теоретические циклы двс в приводах тм. Термический кпд.

Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

Классификация циклов

 

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.) относятся к тепловым двигателям, в которых скрытая химическая энергия топлива трансформируется в тепловую, а затем в механическую работу.

Для осуществления такого превращения в поршневых д. в. с. независимо от их тактности должны быть осуществлены следующие пять термодинамических и вспомогательных процессов: 1) заполнение цилиндров свежим зарядом (впуск); 2) сжатие этого заряда; 3) сгорание топлива; 4) расширение образовавшихся и сильно нагревшихся при сгорании газов и 5) очистка цилиндров от продуктов сгорания (выпуск).

Комплекс перечисленных процессов при их определенном следовании друг за другом образует цикл.

В реально выполненных поршневых д. в. с. цикл может быть осуществлен за один оборот коленчатого вала — два хода поршня в двухтактных двигателях или за два оборота — четыре хода поршня в четырехтактных двигателях. В практике автомобиле - и тракторостроения наибольшее распространение получили четырехтактные д. в. с.

В настоящее время применительно к поршневым д. в. с. известны три принципиально различных цикла: а) цикл быстрого сгорания (Отто); б) цикл постепенного сгорания (Дизеля) и в) смешанный цикл (Сабатэ). Эффективность каждого из перечисленных циклов различна и зависит от совершенства термодинамических процессов, составляющих цикл, и условий, при которых они совершаются.

Как известно (согласно второму закону термодинамики), в любом тепловом двигателе часть подводимого тепла должна быть отдана холодному источнику и, следовательно, безвозвратно теряется. Однако, кроме этих принципиально неустранимых потерь, реально выполненным двигателям присущи дополнительные потери тепла, которые при рационально организованном трансформировании химической энергии топлива в тепловую и затем в механическую работу могут быть значительно сокращены.

Чтобы иметь возможность оценить, насколько полно используется тепло, вводимое в цилиндры реального двигателя, его теплоиспользование сравнивают с теплоиспользованием идеального двигателя.

Циклы идеальных двигателей называются теоретическими циклами, которые, так же как и циклы реальных двигателей, состоят из указанных выше пяти процессов. Однако условия осуществления этих процессов идеализированы в тепловом отношении, т. е. они совершаются без потерь, связанных с теплообменом между газами и стенками цилиндров.

Кроме того, работа идеальных двигателей характеризуется полным отсутствием механических и гидравлических или насосных потерь при перезарядке (впуск и выпуск) цилиндров. Процесс сгорания в теоретических циклах идеальных двигателей предполагается полностью управляемым, обеспечивающим в зависимости от особенностей цикла мгновенное сгорание топлива в в. м. т. (при постоянном объеме Отто) или по мере подачи топлива (частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении — Сабатэ, или только при постоянном давлении — Дизеля). Процесс очистки цилиндров в идеальных двигателях организован так: вначале в н. м. т. от газов мгновенно отводят тепло, а затем выталкивают их из цилиндра так, что они не оказывают сопротивления продвижению поршня от н. м. т. до верхней. В связи с отсутствием тепловых и механических потерь теплоиспользование в идеальном двигателе выше, чем в реальном.

Кроме теоретических и реальных циклов, существуют так называемые идеальные, или термодинамические, циклы. Идеальные циклы отличаются от теоретических тем, что они замкнутые, т. е. совершающиеся одним и тем же количеством рабочего тела, имеющего постоянную теплоемкость. Процесс впуска в идеальном цикле отсутствует: процесс сгорания заменен процессом подвода тепла Q1а процесс выпуска — процессом отвода тепла Q2. В этих циклах, так же как и в теоретических, имеют место только принципиально неустранимые тепловые потери.

Степень совершенства преобразования теплоты в механическую работу в термодинамическом цикле двигателя оценивается термическим (или тепловым, или термодинамическим) коэффициентом полезного действия ηt.

Термический КПД

Отношение работы, совершенной в прямом обратимом термодинамическом цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников.

В общем случае

ηt = At/Q1 = (Q1 – Q2)/Q1,

где At – тепло, преобразованное в цикле в работу; Q1 – тепло, подведённое в цикле к рабочему телу; Q2 – тепло, отданное в цикле рабочим телом.

Термический КПД

На индикаторной диаграмме это отношение площадей работы за цикл At (область заштрихованая «в клетку») и подведённой в цикле к рабочему телу теплоты Q1 (вся заштрихованная область).

Термический КПД термодинамического цикла показывает, какое количество получаемой теплоты машина превращает в работу в конкретных условиях протекания идеального цикла. Чем больше величина ηt, тем совершеннее цикл и тепловая машина.

В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используют цикл Карно, потому что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бόльшим КПД [1]. Формула для расчёта термического КПД данного цикла общеизвестна

ηt = (T1 – T2)/T1,

где T1 – абсолютная температура нагревателя; T2 – абсолютная температура холодильника.

Из анализа цикла Карно можно сделать следующие выводы:

КПД любого термодинамического цикла тем больше, чем больше разница температур нагревателя T1 и холодильника T2;

термический КПД никогда не достигает 100 %, потому что температура T2 в лучшем случае равна температуре окружающей среды;

Сегодня наибольшая разница температур достигнута в двигателях внутреннего сгорания, благодаря высокой температуре рабочего тела T1. Температура газов в цилиндре поршневого ДВС достигает 2000 °C и более, а в газовой турбине порядка 900 – 1300 °C, что связано с необходимость обеспечить жаропрочность лопаток турбины. Для двигателей с внешним подводом теплоты такие значения температур рабочего тела остаются пока недостижимыми из-за высокого термического сопротивления на границе нагреватель-рабочее тело. Температура пара в современных паровой турбине или поршневом паровом двигателе находится в диапазоне от 300 до 600 °C