1.Общие положения

 

Процессы преобразования теплоты в работу могут осуществляться в различных тепловых двигателях, одним из которых является поршневой д. в. с.

Следуя принципу «от простого — к более сложному», прежде чем изучать совокупности процессов, образующих действительные циклы реальных поршневых двигателей, коротко рассмотрим их прототипы, каковыми являются соответствующие термодинамические циклы.

Термодинамический (идеальный) цикл — обратимый замкнутый цикл, в котором имеют место только потери теплоты, неизбежные согласно второму закону термодинамики.

Анализ термодинамических циклов поршневых д. в. с. проводится при допущениях, что: 1) в течение всего цикла ни химический состав, ни количество рабочего тела (газа) не изменяются; 2) процессы сжатия и расширения осуществляются адиабатически; 3) теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры.

Процессы сгорания и газообмена, происходящие во время работы реального поршневого двигателя, при рассмотрении термодинамических циклов заменяются процессами подвода и отвода теплоты.

Условия анализа термодинамических циклов таковы, что получаемые расчетные значения их показателей представляют собой некоторый наивысший предел, к которому могут лишь приближаться показатели действительных циклов в зависимости от степени их совершенства.

Показателем экономичности термодинамического цикла является термический к.п.д. r/_t, представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в работу цикла, к количеству теплоты, сообщенной рабочему телу:

где  — количество теплоты, сообщенной 1 кг газа, Дж/кг;

       q₂ — теплота, отведенная от 1 кг газа, Дж/кг;

         — количество теплоты, превращенной в работу, Дж/кг.

Другим важным показателем термодинамического цикла является его удельная работа, или среднее давление p_t т. е. работа цикла L (Дж), отнесенная к рабочему объему V_h (м³), определяемому разностью полного объема цилиндра V_a и камеры сжатия V_c;

Чем больше давление p_t, тем меньше при данной работе цикла размер цилиндра, а значит, могут быть меньше размеры и вес двигателя.

 

2.Цикл со смешенным подводом теплоты

 

Такой цикл служит прототипом действительного цикла дизеля. Как показано на рисунок, в координатах p-V и T-s после адиабатического сжатия 1 кг газа (ас) к нему подводится при постоянном объеме теплота q[(cz'),a затем при постоянном давлении теплота q"{z'z). Далее газ адиабатически расширяется (zb), после чего при постоянном / объеме от него отводится теплота q₂(ba). Для осуществления такого цикла требуются два хода поршня, причем существенно, что теплота q_l подводится частично при V = const, когда поршень находится в в. м. т., а частично при р = const, в связи с чем этот цикл и называют циклом со смешанным подводом теплоты.

При анализе термодинамических циклов поршневых д. в. с. обычно используют следующие характеристические параметры; 1) степень сжатия s = V_a/V_c — отношение объемов в начале V_a и в конце V_c сжатия; 2) степень повышения давления Я - р, /р_с — отношение максимального давления цикла р_у к давлению р_с в конце сжатия; 3) степень предварительного расширения a = V_Z /V_c — отношение объемов в конце подвода теплоты К, и в конце сжатия V_c, 4) степень последующего расширения 8 -V_b /V_z — отношение объемов в конце расширения V_b и в конце подвода теплоты V₂. Три из этих параметров связаны между собой соотношением е = ад.

Из термодинамики известно, что термический к. п. д. и среднее давление цикла со смешанным подводом теплоты соответственно будут уменьшатся. Это значит, что степень расширения 8 будет больше, поэтому и к. п. д. цикла возрастет.

Работа цикла численно равна (с учетом масштабов) площади, ограниченной в координатах p-V  графиками процессов, составляющих цикл (например, площадь acz'zba рисунок 14, получаем, что работа цикла I = rj_tq^. Отсюда следует, что при одинаковом количестве теплоты q_x работа цикла и пропорциональное этой работе среднее   давление   определяется  величиной   rj_t.   Поэтому  чем   больше  величина характеристических параметров цикла е , к, X и 8, тем выше среднее давление p_t.

Таким образом, для повышения экономичности и удельной работы цикла со смешанным подводом теплоты выгодно увеличивать долю теплоты, подводимой при постоянном объеме, и соответственно уменьшать долю теплоты, сообщаемой при постоянном давлении. Чем дальше от в. м. т. происходит сообщение теплоты, тем в меньшей степени она превращается в механическую энергию. Естественно, что при увеличении q[, как и в случае роста е, механическая напряженность деталей двигателя повысится, что накладывает известные ограничения на использование этих путей для улучшения основных показателей цикла.

Сказанное не означает, что t]_t и p_t всегда возрастают одновременно. Так, пусть q_x повышается только за счет теплоты q. В этом случае степень расширения 8 и к.п.д. т, понизятся, а увеличение а при 2 = const,естественно, приведет к росту среднего давления p_t.