Цикл со смешанным подводом теплоты

Рассмотрим работу поршневых двигателей внутреннего сгорания, пользуясь графическим изображением соответствующих идеализирован­ных процессов на диаграммах p-vиT-s. Начнем с самого общего случая - цикла со смешанным подводом тепла (рис. 3.11 и 3.12).

При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. открывается впускной кла­пан 4 через который засасывается воздух, постепенно заполняющий ци­линдр (линия 2"-1).

По достижении поршнем н.м.т. клапан 4 закрывается и поршень начинает двигаться обратно по направлению к в.м.т. и при этом сжима­ет засосанный воздух, чему соответствует адиабатный процесс 1-2. Тем­пература воздуха при этом повышается сверх температуры воспламене­ния топлива. Когда поршень приходит в в.м.т., специальным топливным насосом в цилиндр под высоким давлением (30-40 Мн/м²) впрыскива­ется мелко распыленное жидкое топливо, которое самовоспламеняется, в результате чего давление рабочего тела увеличивается

 

Рис. 3.1 1. Изображение на p-v-диаграмме цикла идеального поршневого

двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты.

 

Рис. 3.1 2. Изображение на T-s-диаграмме цикла идеального поршневого

двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты.

настолько бы­стро, что объем его практически не изменяется и соответствующий процесс отображается изохорой 2-3. Затем при обратном ходе поршня к н.м.т. горение топлива на некотором участке хода поршня (до точки 3') происходит при неизменном давлении, чему в цикле соответствует изо­барный процесс 3-3'. По достижении поршнем положения, соответству­ющего на диаграмме точке 3', подача топлива прекращается и дальнейшее движение порш­ня к н.м.т. происходит под действием расши­ряющихся продуктов сгорания, чему соответствует адиабатный процесс 3'-4.

По достижении поршнем н.м.т. открыва­ется выпускной клапан 5 и давление газов в цилиндре выравнивается с давлением окружа­ющей среды. В цикле этот процесс отобража­ется изохорой 4-1. При обратном ходе порш­ня к в.м.т. происходит выталкивание продук­тов сгорания из цилиндра через клапан 5 (линия 1-2"). После того как поршень достигнет в.м.т., начинается по­вторение описанных выше процессов.

В данном случае, строго говоря, цикл осуществляется не так, как ранее, когда рассматривался цикл Карно. Природа и свойства рабочего тела в цикле Карно при многократном его повторении оставались неиз­менными, а рабочее тело не покидало цилиндра. В двигателе внутренне­го сгорания, во-первых, природа и свойства рабочего тела изменяются, поскольку по воспламенении горючая смесь в результате химического взаимодействия ее горючих компонентов с кислородом воздуха превра­щается в продукты сгорания, и, во-вторых, по оконча­нии второго обрат­ного хода продукты сгорания выбрасываются из ци­линдра и он вновь заполняется сначала воздухом, а затем распылен­ным жидким топливом.

Поскольку различие природы воздуха и продуктов сгорания вносит несущественные изменения в дальнейшие выводы, то это различие без больших погрешностей можно не учитывать.

Дальнейшее рассуждение ведется применительно к 1 кг идеального газа. Тогда объемы V₁ и V₂, занимаемые газом, будут одновременно и их удельными объемами и их можно обозначить также через v₁ и v₂.

Из рис. 3.11 следует, что численно работы всасывания и выталкива­ния, выражаемые одной и той же площадью 2"-1-1-2', равны, но противоположны по знаку. Вследствие этого процессы всасывания и выталкивания (насосные ходы поршня) можно также не учитывать. Что же касается совокупности остальных процессов, то их мы будем рассматривать как идеальный цикл, с рабочим телом в виде идеального газа, происходящий с подводом и отводом теплоты в условиях равновесных процессов, образую­щих цикл. Такое допущение возможно принять, поскольку, как указыва­лось выше, различие природы воздуха и продуктов сгорания вносит очень незначительные изменения в выводы, которые мы будем делать, и поскольку параметры в точках, соответствующих переходу от одного процесса к другому (в характерных точках), остаются неизменными.

Таким образом, можно считать, что идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания скла­дывается из следующих процессов (см. рис. 3.11 и 3.12):

а) адиабатного, при котором в результате сжатия давление рабочего тела изменяется от p₁ до p₂, удельный объем - от v₁ до v₂ и темпе­ратура - от Т₁ до Т₂. Этот процесс на диаграммах p-v и T-s отображается адиабатой 1-2. Характеристикой его является отношение объе­ма в начале сжатия к объему в конце сжатия, которое называют степенью сжатия и обозначают буквой ε:

                                                               (3.4)

б) изохорного, при котором, рабочему телу, сообщается теплота и при котором давление в цилиндре возрастает от р₂ до р₃, а температура – от Т₂ до Тз. Количество сообщаемой теплоты равно

                               q₁ = c_v (T₃ – T₂) Дж/кг                                         (3.5)

Процесс отображается изохорой 2-3, а количество подведенной теплоты на диаграмме Т-s выражается площадью 1'-2-3-3".

Этот процесс характеризуется отношением давлений в начале и в конце изохорного процесса 2-3, которое называют степенью повышения давления и обозначают буквой λ:

                                                                    (3.6)

в) изобарного (процесс 3-3'), при котором удельный объем изме­няется от v₃ до v₃', а температура - от Т₃ до Т₃'. Этот процесс харак­теризуется отношением объемов, соответствующих его началу и концу, которое называют степенью пред в арительного расширения и обозначают через ρ:

                                                                                             (3.7)

Количество сообщаемой в процессе теплоты выражается так:

                                 qⁿ ₁ = c_p (T _3’  - T ₃ ) Дж/кг                                     (3.8)

г) адиабатного (процесс 3'-4), при котором давление рабочего тела в результате расширения изменяется от р₃ до р₄, удельный объем – от v _3’ до v ₄ и температура - от Т₃ до T₄,

д) изохорного (процесс 4-1), при котором давление, удельный объем и температура приобретают исходные значения.