Файл: Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие.pdf

В зависимости от выбранной единицы количества рабочего тела удельный объем имеет размерность или м?1кмоль или мя/кг. Изохо­ ры различных удельных объемов в этих координатах являются экви­ дистантными кривыми.

Рис. 46

J-w ! ~і<І)жІкппль(ікджінг)

J

( tnC)

no/b K)fsKl)Dtc)(Л 'Г К)]

Рис. 47

Изобары так же, как и изохоры, расположены эквидистантно.

Каждая изобара соответствует своему постоянному значению дав­ ления.

Диаграмма 1—S (см. рис. 47) строится в координатах: удельная энтальпия Іт кДж/кмоль или ікДж/кг и удельная энтропия

Sm кДж/(кмоль-К.) или s кДж/(кг- К).

140

Тепловыми двигателями называются машины, в которых меха­ ническая энергия получается в результате преобразования тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива. В двигателях этого типа происходят два основных процесса: выделение тепла при сжи­ гании топлива и преобразование выделившегося тепла в механиче­ скую работу.

Тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит внутри самого двигателя, называются двигателями внутреннего сгорания. К таким двигателям относятся поршневые, газотурбин­ ные, реактивные и комбинированные. По сравнению с другими теп­ ловыми двигателями двигатели внутреннего сгорания отличаются компактностью, высокой экономичностью, быстротой подготовки к действию и простотой эксплуатации.

Высокая компактность двигателей внутреннего сгорания обус­ ловлена отсутствием теплообменника для передачи тепла от горя­ чего источника к рабочему телу. Высокая экономичность поршне­ вых двигателей внутреннего сгорания обеспечивается возможно­ стью более высоких, периодически достигаемых максимальных тем­ ператур рабочего тела, чем это допустимо по условиям жаропроч­ ности применяемых материалов при непрерывном подводе тепла к рабочему телу.

Во время работы поршневого двигателя внутреннего сгорания в рабочем объеме цилиндра в определенной последовательности со­ вершается ряд сложных процессов, образующих рабочий цикл.

На рис. 48 даны принципиальная схема четырехтактного порш­ невого двигателя внутреннего сгорания и индикаторная диаграмма его рабочего цикла (т. е. графическая зависимость давления рабо­ чего тела от объема внутренней полости цилиндра).

В цилиндре 1 помещен поршень 4, соединенный посредством ша­ туна 2 с кривошипом коленчатого вала 3. В головке цилиндра уста-

142

новлены впускной 5 и выпускной 6 клапаны. Поршень совершает возвратно-поступательное движение, коленчатый вал — вращатель­ ное; одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода

поршня, т. е. два его перемещения от одной мертвой точки до дру­ гой.

Рис. 48

Реальный рабочий цикл такого двигателя осуществляется сле­ дующим образом. При перемещении поршня от внутренней мертвой точки (в. м. т.) к наружной (н. м. т.) в цилиндре создается разреже­ ние и при открытом впускном клапане совершается такт впуска г—а: в дизеле в цилиндр поступает воздух, в карбюраторном дви­ гателе — горючая смесь.

При перемещении поршня в обратном направлении при закры­ тых клапанах осуществляется такт сжатия а—с: давление и тем­ пература рабочего тела повышаются.

В конце такта сжатия в цилиндр дизеля впрыскивается топливо (точка т ), которое воспламеняется под действием высокой темпе­ ратуры; в карбюраторном двигателе воспламенение рабочей смеси осуществляется электрической искрой. Начинается сгорание топли­ ва. Вследствие выделяющегося тепла давление в цилиндре резко повышается. Сгорание большей части топлива происходит почти мгновенно, поэтому начальную фазу процесса сгорания (участок с—г) считают изохорической. В действительности, особенно в дизе­

143

ле, в точке г сгорание не заканчивается и часть топлива сгорает при увеличивающемся объеме.

Под действием давления рабочего тела (продуктов сгорания) поршень снова перемещается к н.м.т.; совершается такт расшире­ ния z—Ь, давление и температура рабочего тела уменьшаются.

Наконец, при перемещении поршня от н. м.т. к в. м.т. при откры­ том выпускном клапане совершается такт выпуска Ь—г, т. е. проис­ ходит очистка цилиндра от отработавших газов. После этого начи­ нается следующий цикл — всасывание очередной порции свежего заряда и т. д.

Таким образом, рабочий цикл четырехтактного двигателя осу­ ществляется за четыре хода поршня (четыре такта), что соответ­ ствует двум оборотам коленчатого вала.

При продувке цилиндра сжатым свежим зарядом рабочий цикл можно осуществить за два хода поршня (двухтактные двигатели). Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и четырехтактного. Процессы газообмена в этом случае совер­ шаются в конце такта расширения и в начале такта сжатия.

Из рассмотрения последовательности осуществления реального рабочего цикла следует:

— реальный цикл разомкнут — рабочее тело (свежий заряд) засасывается извне и по окончании цикла оно (отработавшие газы) выбрасывается в атмосферу;

—сгорание топлива происходит при изменяющихся давлении и объеме рабочего тела, количество и состав которого в течение цик­ ла не остаются постоянными;

—вследствие теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра процессы сжатия и расширения являются политропическими.

Термодинамический анализ такого цикла труден. Поэтому в тер­ модинамике рассматривают замкнутые термодинамические (иде­ альные) циклы, состоящие из обратимых термодинамических про­ цессов.

При рассмотрении термодинамических циклов принимаются сле­ дующие допущения:

1)отсутствие смены рабочего тела от цикла к циклу;

2)состав и количество рабочего тела неизменны;

3)рабочее тело — идеальный газ, теплоемкость которого не за­ висит от его температуры;

4)процессы сжатия и расширения рабочего тела считаются адиабатическими, т. е. предполагается, что стенки цилиндра тепло­ непроницаемы;

5)реальные процессы сгорания топлива и удаления отработав­ ших газов условно заменяются подводом тепла от внешнего горя­ чего источника и отводом тепла в холодильник на соответствующих участках цикла.

Анализ термодинамических циклов дает возможность выявить основные факторы, влияющие на экономичность реальных циклов, и оценить степень их совершенства. Для перехода от термодинами-

144

ческих циклов к реальным необходимо вводить относительный коэф­ фициент полезного действия.

Различают три основных вида циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания:

— с подводом тепла к рабочему телу при постоянном объеме (цикл Отто), которому соответствует рабочий цикл двигателей с принудительным воспламенением;

— с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля), являющийся расчетным циклом так называемых компрессорных дизелей, в которых распыливание топлива осуществляется сжатым воздухом;

— смешанный цикл (цикл Тринклера), которому соответствуют рабочие циклы всех современных дизелей.

§ 2. ЦИКЛ С ПОДВОДОМ ТЕПЛА ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

Диаграмма цикла в координатах р— V представлена на рис. 49. Последовательность осуществления цикла:

Рис. 49

*V" - степень сжатия (отношение полного объема ци- V,

линдра к объему пространства сжатия; показы­

точках цикла, пользуясь формулами соотношений параметров для соответствующих процессов:

И 6