ствующих подводу теплоты при постоянном объеме cz и постоянном давлении zz, двух участков, соответствующих отводу теплоты при постоянном объеме l?f и постоянном давлении fa, и двух участков адиабатического изменения состояния рабочего тела: сжатия ас и расширения zb.
Как известно из курса технической термодинамики, увеличение экономичности и эффективности цикла можно получить расширением пределов изменения состояния рабочего тела. При практическом осуществлении рабочих циклов двигателей внутреннего сгорания пределы изменения давлений и объемов определяются следующими условиями.
Нижний предел давления р, есть давление окружающей среды (атмосферное давление), в которую удаляется рабочее тело после совершения цикла, так как рабочее тело (продукты сгорания) в основном состоит из газов, неконденсирующихся при температуре окружающей среды. Верхний предел давления р определяется развитием металлургии и технологии, свойствами материалов (прочность, удельный вес и др.), которые могут быть применены в дв ига телестроении, и совершенством методов их обработки. По мере развития этих областей техники верхний предел давления циклов двигателей повышается. В первых двигателях внутреннего сгорания этот предел составлял около 20 кг/см, в настоящее время - примерно 200 кг/см-\
Уменьшение минимального объема 1/, рабочего тела ограничивается ростом давления конца сжатия до максимального давления цикла (точка z"). В действительном рабочем цикле увеличение потерь при высоком сжатии рабочего тела дополнительно ограничивает возможность уменьшения минимального объема. Наконец, в тех двигателях, в которых сжатию подвергается рабочая смесь, величина минимального объема не может быть выбрана слишком малой во избежание воспламенения рабочей смеси в процессе сжатия вследствие роста температуры.
Наибольший возможный максимальный объем рабочего тела достигается при продолженном расширении рабочего тела до минимального давления цикла р, (точка Ь). При этом возрастает термический к. п. д. и работа цикла. Однако с увеличением объема V. быстро уменьшается среднее давление цикла. При практическом осуществлении цикла с продолженным расширением в поршневом дьигателе потери в реальных процессах быстро растут с увеличением разности l/, - min и некоторое увеличение работы цикла не компенсирует этих потерь. Вместе с тем уменьшение среднего давления цикла приводит к необходимости увеличивать размеры цилиндра. Поэтому в порншевых двигателях внутреннего сгорания осуществляют цикл aczzb"a, заканчивая расширение рабочего тела в точке Ь". Дальнейшее увеличение среднего давления цикла может быть получено нри окончании расширения в точке Ь". При этом начало сжатия рабочего тела из точки а переносится в точку а с повышением начального давления рабочего тела над давлением окружающей среды. В реальном двигателе это достигается предварительным сжатием воздуха особым нагнетателем (так называемый наддув двигателя).
Уменьшение максимального объема рабочего тела V для увеличения среднего давления цикла приводит к уменьшению термического к. п. д. цикла вследствие увеличения (пропорционального площадке ab"bf на Ts-диаграмме фиг. 7) количества теплоты, отводящейся от рабочего тела при неполном расширении. При использовании этой теплоты в другой расширительной машине (газовой турбине) или в другом устройстве для утилизации теплоты (паровой котел), в которых не возникает таких больших потерь энергии при увеличении объема V, как это наблюдается в поршневом двигателе, общий термический к. п. д. всей установки может быть получен большим, чем в случае продолженного расширения в поршневом двигателе.
В СВЯЗИ с отмеченными особенностями осуществления действительных рабочих циклов использование циклов с продолженным расширением в поршневых двигателях оказывается нецелесообразным. Поэтому в термодинамических циклах поршневых двигателей, рассматриваемых в настоящем курсе, отдача теплоты холодному источнику осуществляется только при постоянном объеме, а сообщение теплоты может осуществляться различными способами. Ниже исследуются три термодинамических цикла, различающиеся способами подвода теплоты.
§ 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
Смешанный никл. Смешанный цикл (фиг. 8) характеризуется тем, что сообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме - участок сг (Qj), а затем при постоянном давлении-участок гг {Q") При этом общее количество подведенного тепла Q] = Q{ + Q[- Отдача теплоты происходит на участке Ьа (Qz)-
Как известно из курса техническом термодинамики, термический к. п. д. этого цикла выражается формулой
I-I + kkip- \)
где е =
Pz Рс
- степень сжатия, представляющая собой отношение объемов в начале и в конце сжатия;
- степень повышения давления,
представляющая собой отношение максимального давления цикла к давлению конца сжатия р;
степень предварительного расширения, представляющая собой
отношение объемов в точке г и в точке с; - - показатель адиабаты, определяемый отношением теплоемкости
Фиг. 8. Смешанный цикл V
При постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.
В выражение (1) не входит степень последующего расширения В = =, которая так же, как величины е, Л и р, является основной характеристикой цикла
Три из основных параметров цикла связаны между собой следующим уравнением:
так как = V.
Степень повышения давления X с этими параметрами непосредственно не связана.
Смешанный цикл обычно принимается в качестве прототипа рабочего цикла двигателей с воспламенением от сжатия.
Цикле сообщением теплоты при р = const. Этот цикл (фиг. 9) отличается от смешанного цикла тем, что на участке, соответствующем
сообщению теплоты Q, давление остается постоянным. В остальном протекание этого цикла одинаково со смешанным циклом. Выражение термического к. п. д. этого цикла может быть легко получено непосредственно из выражения (1) как частный случай.
При отсутствии сообщения теплоты при V = const давление в этот период цикла не повышается (р. = р) В этом случае степень повышения давления принимает частное значение X === 1. При подстановке этого значения в выражение (1) получим следующее выражение для цикла с сообщением теплоты при р = const:
.= 1--ir-b. (3)
/г(р-1) •
Этот цикл является прототипом рабочего цикла тех двигателей с воспламенением от сжатия, в которых протекание процесса сгорания может быть отрегулировано при почти постоянном давлении.
Фиг. 9. Цикл с сообщением теплоты при р = const.
Фиг. 10. Цикл с сообщением теплоты при F = const.
Цикл с сообщением теплоты при V = const. Данный цикл (фиг. 10) характеризуется тем, что в нем теплота подводится только при постоянном объеме рабочего тела Выражение термического к. п. д. этого цикла можно также получить из уравнения (1). В данном случае степень предварительного расширения принимает частное значение р = 1 (так как = Vg) Подставляя это значение р в выражение (1), получаем
-nt-"--; (4)
Цикл с сообщением теплоты при V = const принимается в качестве прототипа рабочих циклов всех двигателей, которые могут быть объединены под общим названием двигателей с принудительным зажиганием К ним относятся бензиновые, керосиновые и газовые двигатели, а из двигателей тяжелого жидкого топлива - калоризаторные двигатели.
В отдельных случаях цикл с сообщением теплоты при V = const служит также для анализа и расчета рабочего цикла быстроходных двигателей с воспламенением от сжатия.
Как было указано выше, работа термодинамического цикла характеризуется величиной среднего давления цикла Р, которое представляет собой работу за цикл, отнесенную к 1 рабочего объема цилиндра (удельная работа):
