Термодинамические циклы.

Тема 2 Процессы расчетных и
действительных циклов ДВС.
Лекция 3
Термодинамические циклы.
Для выявления отдельных факторов на работу
двигателя применяют расчетные циклы, в которых
термодинамические процессы приближенно
описывают процессы действительного цикла.
Каждый из расчетных циклов основан на ряде
допущений.
Анализ расчетных циклов может быть
однофакторным, т. е. расчетным путем выясняют
влияние каждого из факторов в отдельности, сохраняя
неизменными остальные. При постановке опытов с
реальными двигателями установить влияние каждого
из факторов в отдельности сложно.
Термодинамические расчетные циклы, основаны на
следующих допущениях:
 процессы, составляющие цикл, являются
обратимыми;
 процессы осуществляются с несменяемым
рабочим телом неизменного состава;
 теплоемкость РТ не зависит от его состояния;
 теплообмен между РТ и окружающей средой
отсутствует. В термодинамических циклах ДВС
подвод теплоты осуществляется по изохоре,
изобаре или смешанно — по изохоре и изобаре.
Наиболее общим является цикл со смешанным подводом теплоты
(Сабатэ-Тринклера) (рис. 3.1). Термическим КПД называется отношение
работы цикла lц
 q1  q2к подведенной теплоте q1
(при выводе рассматривается 1 кг рабочего тела)
t  1  q2 / q1 ,
(3.1)
где количество отведенной теплоты q2 берется по модулю q  c (T  T )
2
v b
a
Рис. 3.1. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера)
p z Tz

Обозначим  
pc Tc
- степень повышения давления,
Vz Tz - степень предварительного расширения,


V z  Tz 
Vb
- степень последующего расширения.,
 
Vz
Va Va Vz
 
 
Vc Vz Vc
- степень сжатия.
В термодинамическом цикле q1 является аналогом количества
теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндре двигателя, т.
е. является аналогом нагрузки. При неизменных степени сжатия,
рабочем теле и начальных параметрах цикла (параметры в точке а)
увеличение q1 сопровождается увеличением и , максимальных
значений давления рz и температуры Тz цикла. Увеличение рz и Тz
происходит также при увеличении степени сжатия.
Основными показателями цикла являются:
 k  1
t  1  k 1
   1  k (   1)
(3.2)
Средним давлением цикла pц называется работа цикла, отнесенная к рабочему
объему Vh. Для цикла Сабатэ — Тринклера:
k
  1  k   1t
pц  p a
  1k  1
(3.3)
Из (3.2) и (3.3) для цикла с подводом теплоты при
постоянном объеме, то есть при (цикл Отто – рис.
3.2), который используется для идеализации
действительного цикла двигателя с искровым
зажиганием, получаем
t  1 
1

k 1
 k (  1)
pц  p a
t
(  1)(k  1)
(3.4)
(3.5)
Рис. 3.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)
Для цикла с подводом теплоты при постоянно
давлении (цикл Дизеля – рис. 3.3) и, следовательно,
 k 1
t  1  k 1
 k (   1)
(3.6)
 k k (   1)
pö  p a
t
(  1)( k  1)
(3.7)
Из (3.3)  (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют
следующие параметры:
, k,  ,  , .

а

Рис. 3.3. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)
Из (3.3)  (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют
следующие параметры:  , K ,  ,  ,  а.
Для цикла Отто  t не зависит от  , т. е. не зависит от внешней нагрузки.
Для цикла Дизеля, при увеличении q1
(возрастани термический
)
и
КПД снижается.
Увеличение  , К, сопровождается повышением  t и рц
(рис. 3.4).
Увеличение t можно обеспечить, если, например,
применить для осуществления цикла двухатомные газы
вместо трехатомных. Отсюда следует вывод о
целесообразности работы поршневых двигателей на
бедных смесях, так как в бедной смеси больше
двухатомных газов (О2 и N2).
Рис. 3.4. Графики зависимости параметров термодинамического
цикла Отто от степени сжатия: а 
- t ; б - рц
Влияние количества подводимой теплоты q1 и q1 (  и  )
на термический КПД цикла Сабатэ — Тринклера можно проследить
по рис. 3.5. При неизменной величине  ( q1) увеличение 
(т. е.
q1 ) сопровождается возрастанием  t , что при неизменном
увеличение
количестве подводимой теплоты (неизменном А) термический КПД
( 
q1
).


возрастает с ростом  ( q1 ) и соответствующим уменьшением
Рис. 3.5. Графики зависимости параметров термодинамического цикла
Сабатэ – Тринклера от степени повышения давления:
 - при постоянной степени предварительного расширения;
    - при постоянном количестве подведенной теплоты: а -  t ; б - рц
приводит к
При неизменном q1 (  ) увеличение q1 (  )
t .
снижению
Следовательно, с термодинамической точки зрения самым выгодным
является подвод теплоты в ВМТ.
Изменение  t естественно, влияет на рц . Однако влияние  , k,  и 
на величину рц иное, чем на  t (см. рис. 3.5, б). Качественное влияние 
и k на такое же, как на . Однако увеличение степени повышения давления
но приводит к
не влияет на  t цикла Отто,
рц . При этом рц растет в
росту
такой же степени, как количество q1.
С ростом  ( q1 в циклах Сабатэ — Тринклера и Дизеля)
увеличение рц
происходит в несколько меньшей степени,
так как при этом снижается .  t
Из выражений (3.3), (3.5) и (3.7) следует, что рц при прочих равных
условиях изменяется пропорционально начальному давлению цикла ра,
которое увеличивается наддувом двигателей и сопровождается увеличением
количества подводимой теплоты Q1  q1Ga . Количество свежего заряда G a
попадающего в цилиндры, увеличивается в меньшей степени, чем ра,так как
одновременно увеличивается Та. Поэтому целесообразно применение
промежуточного
охлаждения
воздуха
после
компрессора.
,
и при
,
Рис. 3.6. Графики сравнения циклов Отто, Дизеля и Сабаттэ –
q1  idem(à)
Тринклера в координатах р-V при
и приq1
p z  idem(á )
Сравнение циклов при p a,Ta , C , k, q1, p z  idem,
одинаковых механических нагрузках на поршень
от сил давления газов (рис. 3.6 б), т.е. указывает
что наиболее высокое значение  t достигается в
цикле Дизеля (а — с2 — z2 — b2). Связано это
с тем, что при рассматриваемом условии именно
в этом цикле имеют место наиболее высокие
значения  и  . Этому же циклу соответствуют
и минимальные значения Т z 2 , и температуры в
. В таблице 3.1
конце расширения
Т
b2
для
различных
приведены
приведены  t
циклов.
Таблица 3.1
Термический КПД различных циклов при одинаковом
давлении p z
Параметры
Подвод тепла
приV  constпри p  const при V  const и
p  const

4
14
7
Степень повышения
давления 
5,35
1
2,58
Степень
предварительного
расширения 
1
3,6
1,8
0,425
0,524
0,460
Степень сжатия
Термический КПД  t
Контрольные вопросы:
1.
При одинаковых значении p у какого цикла выше КПД?
2.
Что такое степень сжатия и степень повышения давления?
3.
При одинаковом значении у какого цикла больше КПД?
4.
Какие делают допущения при рассмотрении термодинамических
циклов?
5.
Как изменяется КПД цикла Отто при увеличении нагрузки?
6.
Как изменяется КПД цикла Дизеля при увеличении нагрузки?
7.
Как влияет степень сжатия и показатель адиабаты на КПД циклов?
8.
Почему в цикле с подводом теплоты при постоянном объем
ограниченно увеличение степени сжатия и степени повышения
давления?
9.
Что такое степень предварительного расширения?