Файл: Otvety_po_termodinamiki_ekzamen.pdf

Рассмотрим диаграмму: 

0-1  – 

заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразова-

нии)  или  рабочей  смесью  (при  внешнем  смесеобразовании)  при  давлении 

несколько  ниже  атмосферного  из-за  гидродинамического  сопротивления 

впускных клапанов и всасывающего трубопровода, 

1-2 – 

сжатие воздуха или рабочей смеси, 

2-3'-3 – 

период горения рабочей смеси, 

3-4  – 

рабочий  ход  поршня  (расширение  продуктов  сгорания), 

совершается механическая работа, 

4-5  – 

выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного 

происходит практически при постоянном объеме, 

5-0 – 

освобождение цилиндра от продуктов сгорания. 

В  реальных  тепловых  двигателях  преобразование  теплоты  в  работу 

связано  с  протеканием  сложных  необратимых  процессов  (имеются  трение, 

химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен 

и др.)Термодинамический анализ такого цикла невозможен. 

В  связи  с  этим  для  выявления  основных  факторов,  влияющих 

на эффективность 

работы 

установок, 

действительные 

процессы 

заменяют обратимыми  термодинамическими  процессами,  допускающими 

применение  для  их  анализа  термодинамических  методов.  Такие  циклы  на-

зывают теоретическими. 

Допущения, используемые для теоретических циклов: 

1)

циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в 

атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело). 

2)

Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью 

3)

Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не 

за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты) 

4)

Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют. 

5)

Процессы  0-1  и  5-0  исключают  из  рассмотрения,  т.к.  работа  в  них 

практически одинаковая, только имеет разный знак. 

Анализ  циклов  тепловых  двигателей  проводится  в  два  этапа:  сначала 

анализируется  эффективность  теоретического  (обратимого)  цикла, а  затем  - 

реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости. 

Для ДВС рассматривают следующие основные циклы: 

а) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) - цикл Отто; 

б)  цикл  с  подводом  теплоты  при  постоянном  давлении  (р = const)  -  цикл 

Дизеля; 

в)  цикл  со  смешанным  подводом  теплоты,  как  при v =const и р=const -  цикл 

Тринклера. 

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) 
                   

Это  цикл  бензиновых  ДВС  с  внешним  смесеобразованием  и 

принудительным  искровым  зажигание  горючей  смеси.  Такие  ДВС 

применяют на легковом автотранспорте. 

Рабочая и тепловая диаграммы цикла Отто представлены на рис. 6. 

Характеристики цикла: 

- 

степень сжатия 

 - 

степень повышения давления. 

Рис.6. Цикл Отто. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы. 

(1-2 – 

адиабатное сжатие, 2-3 –  изохорный подвод теплоты, 

3-4 – 

адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты) 

Параметры  состояния  рабочего  тела  в  характерных  точках  цикла 

определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера. 

Подводимая теплота:  

Отводимая теплота: 

. 

Работа цикла  

. 

Термический КПД цикла:  

. 

Чем  больше  степень  сжатия  ε,  тем  выше  эффективность  цикла. 

Увеличение  ε  в  карбюраторных  двигателях  ограничено  наступлением 

детонации  (взрывного  сгорания),  которая  зависит  от  температуры 

самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры 

сгорания, поэтому ε = 6~12. 

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) 
                   

Это цикл компрессорных дизелей - ДВС тяжелого топлива (дизельного, 

солярного  и  др.)  с  внутренним  смесеобразованием  и  самовоспламенением 

горючего от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее распыляется 

воздухом, подаваемым в цилиндр компрессором. Из-за больших габаритов и 

веса  компрессорные  дизели  применяются  на  судах  и  в  качестве 

стационарных установок электростанций. 

Рабочая и тепловая диаграммы цикла Дизеля представлены на рис. 7. 
  

Рис.7. Цикл Дизеля. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы. 

(1-2 – 

адиабатное сжатие, 2-3 –  изобарный подвод теплоты, 

3-4 – 

адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты) 

Характеристики цикла: 

- 

степень сжатия 

 - 

степень предварительного расширения 

Параметры  состояния  рабочего  тела  в  характерных  точках  цикла 

определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера. 

Подводимая теплота: 

Отводимая теплота: 

. 

Работа цикла  

Термический КПД цикла:  

. 

Верхний  предел  ε  ограничивается  в  дизелях  быстрым  увеличением 

давления. Применяют значения ε = 14~25. Увеличение ρ отрицательно влияет 

на повышение эффективности цикла. По мере совершенствования процессов 

смесеобразования и горения ρ уменьшается. 

Сравнение эффективности идеальных циклов 

Термодинамическая  эффективность  циклов  зависит  от  условий  их 

осуществления. В одних условиях эффективен один цикл, в других – другой. 

1.  Сравним  циклы  Отто  и  Дизеля  по  значению  термического  КПД 

при одинаковых степенях сжатия. 

Для  наглядности  будем  использовать  графическую  интерпретацию 

подводимой и отводимой теплоты  на тепловой диаграмме (рис. 8): площадь 

нелинейной  трапеции  ниже  линии  процесса  численно  равна  удельной 

теплоте. 
  

Рис. 8. Сравнение циклов Отто (123'4) и Дизеля (123''4) 

при одинаковой степени сжатия 

При одинаковых степенях сжатия цикл с изохорным подводом теплоты 

имеет больший КПД, чем цикл с изобарным подводом. Цикл Тринклера будет 

занимать промежуточное значение. 

2. 

Целесообразнее  сравнивать циклы  при  одинаковых  конечных 

давлениях и  температурах  (рис.9),  т.  е.  в  условиях  одинаковых допустимых 

термических и механических напряжений. 

Рис. 9. Сравнение циклов Отто (12'34) и Дизеля (12''34) 

в одинаковом температурном диапазоне 

В этих условиях эффективность цикла с изобарным подводом теплоты 

выше, чем с изохорным подводом теплоты; эффективность цикла Тринклера 

окажется средней между ними.