Конспект лекции " Идеальный цикл дизеля. "

Идеальный цикл

Общие сведения. В основе работы дизеля лежат физико-хими­ческие процессы преобразования тепловой энергии, выделяющей­ся при сгорании топлива в цилиндрах, в механическую работу. Сложность процессов, протекающих в дизеле, их зависимость от множества конструктивных и эксплуатационных факторов в извест­ной степени затрудняют решение практических задач, связанных с анализом и расчетом. Поэтому при изучении теоретических основ двигателей рассматривают упрощенные схемы рабочих процессов, объединяемых в циклы.

В качестве такой упрощенной схемы, позволяющей наиболее просто оценить совершенство процессов и получить отчетливое представление о возможных способах улучшения использования теплоты, получаемой от сжигания в двигателе топлива, принимает­ся идеальный (термодинамический) цикл — термодинамический кру­говой процесс преобразования теплоты в механическую работу. В отличие от действительных рабочих циклов, протекающих в ре­альном двигателе, условно принимается, что в идеальном цикле от­сутствуют какие-либо потери энергии, кроме отдачи теплоты хо­лодному источнику. Эта потеря, согласно второму закону термо­динамики, является неизбежной, без нее было бы невозможно пре­образование тепловой энергии в механическую работу.

При рассмотрении идеального цикла ДВС принимают следующие упрощающие анализ допущения:

1)        цикл протекает с постоянно заключенным в цилиндре рабочим телом (газом), количество и химический состав которого неизмен­ны; этим исключаются из рассмотрения потери рабочего тела вследствие утечек через неплотности цилиндра (что происходит в реальном дизеле) и потери энергии, связанные с процессом на­полнения цилиндра свежим зарядом воздуха и удалением из не­го выпускных газов;

2)        процесс выпуска заменяется фиктивным процессом отвода теп­лоты от рабочего тела к холодному источнику;

3)        вследствие неизменности химического состава рабочего тела исключается из рассмотрения процесс сгорания со всеми связанными с ним потерями химической энергии топлива и теплоты; процесс сгорания заменяется фиктивным процессом подвода теплоты к ра­бочему телу от внешнего горячего источника;

4)        процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, без теплообмена с окружающей средой, что позволяет не учитывать потери теплоты (происходящие в действительном двигателе при сжа­тии и расширении рабочего тела).

Перечисленные допущения, позволяющие пренебречь влиянием потерь энергии, приводят к тому, что показатели термодинамиче­ского цикла получаются более высокими, чем в реальных двигате­лях. Такая идеализация условий осуществления рабочих процес­сов упрощает анализ факторов, влияющих на совершенство исполь­зования в двигателе тепловой энергии; одновременно она позволяет рассматривать термодинамический цикл в качестве эталона, к ко­торому следует стремиться при осуществлении рабочих процессов в реальном двигателе.

Обобщенный цикл. Современные судовые дизели строят с наддувом, поэтому в простейшем варианте это с точки зрения теплотехники комбинированный двигатель, состоящий из поршневого двигателя, газовой турбины и компрессора.

В каждом из этих агрегатов совершаются взаимно связанные процессы, которые для удобства термодинамического анализа мо­гут быть объединены в единый цикл, называемый обобщенным термодинамическим циклом (рис. 10.1).

Диаграмма этого цикла условно может быть разделена на две части.

Первая часть — цикл, осуществляемый в цилиндре поршневого двигателя, acz'zb. Составляющие этот цикл процессы осуществляются в последовательности:

адиабатное сжатие рабочего тела (идеального газа) ас в резуль­тате которого повышаются давление и температура газа;

мгновенный подвод теплоты к рабочему телу при положении поршня в ВМТ — изохорный процесс cz'_, в результате которого повышаются давление и температура газа, а объем остается постоян­ным;

постепенный подвод теплоты к рабочему телу, сопровождаю­щийся одновременным его расширением при движении поршня в направлении от ВМТ к НМТ, — изобарный процесс z'z, при ко­тором давление газа сохраняется неизменным, а объем и температу­ра увеличиваются;

адиабатное расширение рабочего тела в процессе zb — совер­шается механическая работа при продолжающемся движении порш­ня к НМТ;

отвод теплоты от рабочего тела при неизменном объеме, соот­ветствующем положению поршня в НМТ, — изохорный процесс bа_, в ходе которого давление падает до давления перед турби­ной р_т.

Вторая часть — процессы, совершаемые в лопаточных машинах (турбине и компрессоре). В зависимости от принятого способа подвода газов к турбине возможны два варианта:

первый вариант (см. рис. 10.1, а) — газы из цилиндров посту­пают в общий выпускной коллектор большого объема, вследствие чего перед турбиной поддерживается постоянное давление р_т = р_а — const и отводимая от цилиндра теплота подводит­ся к турбине по изобаре аrr' (в количестве = ). В турби­не газы адиабатно расширяются (линия r'е') и совершаемая ими работа передается находящемуся на одном валу с турбиной ком­прессору, в котором газ (воздух) адиабатно сжимается по кривой оа от атмосферного давления р₀ до давления р_а. Отдача теплоты   от турбины происходит при постоянном давлении р₀;

второй вариант (см. рис. 10.1, б) — газы из цилиндров по ко­ротким патрубкам поступают непосредственно к турбине, поэтому перед ней создается переменное давление р_т = varia (поток газов носит импульсный характер).

Расширение в турбине начинается сразу в точке b и происхо­дит адиабатно до точки е. Затем происходит отдача теплоты  при постоянном давлении р₀. Замыкается цикл, как и в предыдущем варианте по адиабате сжатия в компрессоре оа. Отсутствие расширения газа за цилиндром (перед турбиной) теоретически позволяет в ней дополнительно использовать кинетическую энергию газа. Соответствующая ей дополнительная работа в турбине определяется площадью bra.

 В первом варианте (р_т = const) из-за расширения газов в выпускном коллекторе кинетическая составляющая не используется, но соответствующая ей энергия переходит в тепловую (процесс rr'). Температура газа увеличивается, что способствует росту потенциальной составляющей энергии газа перед турбиной. Прирост энергии определяется площадью rr’е'е.          

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2010 Стр. 5-8

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2008 Стр. 5-8

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация - 1990 г.и. стр. 192-195