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).

Рис. 10.1. Схема обобщенного термодинамического цикла дизеля с ГТН

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

5