|
Рассмотренные в предыдущих главах основные положения теории термодинамических процессов и циклов, позволяет перейти к термодинамическому анализу теплосиловых установок или тепловых двигателей, основным назначением которых является получение механической работы за счет теплоты.
Напомним, что обязательным условием работы теплового двигателя является наличие горячего и холодного источников теплоты и рабочего тела, которое в результате изменения своего состояния в виде кругового термодинамического процесса (цикла) получает теплоту от горячего источника и передает часть этой теплоты холодному источнику.
Разность между полученной и отданной теплотами превращается в механическую работу. Чем выше эта разность, тем выше термодинамический КПД процесса превращения теплоты в работу.
Эталоном теплового двигателя является двигатель, работающий по циклу Карно, поскольку термодинамический КПД этого цикла является наибольшим.
В цикле Карно нагреватель и холодильник являются термостатами. При отдаче энергии в тепловой форме температура нагревателя остается неизменной. При приеме энергии в тепловой форме температура холодильника тоже не изменяется. Однако реально построить такой тепловой двигатель невозможно, потому что невозможно с технической точки зрения, выполнить условия протекания цикла.
В качестве рабочего тела тепловых двигателей (или теплосиловых установках) выступают газ и водяной пар.
Теплосиловые установки, в которых в качестве рабочего тела используется газ, называются газовыми теплосиловыми установками.
Циклы газовых двигателей с термодинамической стороны рассматриваются по следующей схеме: действительный цикл, по которому работает двигатель заменяется замкнутым обратным циклом; при этом производится упрощение отдельных процессов цикла, позволяющий делать такую замену.
При рассмотрении идеальных циклов действительные процессы сгорания смеси заменяются близкими к ним изобарными или изохорными процессами подвода тепла (в зависимости от свойств топлива, способа приготовления и подачи рабочей смеси для сжигания). Процесс отвода тепла условно считают протекающим по изохоре для поршневых двигателей и по изобаре - для газовых турбин. Процессы расширения продуктов сгорания и сжатия рабочей смеси, пренебрегая теплообменом с окружающей средой, считают адиабатными.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – это двигатели поршневого типа, у которых сжигание топлива осуществляется внутри рабочего цилиндра.
Работа поршневых двигателей основана на том, что если сжать газ (рабочий воздух) и затем подвести к нему тепло ( на процессе сгорания), то работа, получаемая при расширение газа, будет больше работы, затраченной на его сжатие. Этот избыток работы составляет полезную работу, которую отдают тепловые двигатели.
Развитие научно-технической мысли привело к тому, что в современных тепловых двигателях в качестве источников энергии в тепловой форме используются вещества, которые в результате химического превращения «выделяют» большое количество энергии в тепловой форме. Это происходит, как правило, при их окислении (сгорании). В естественных условиях реакции окисления этих веществ обычно не происходит. Эти реакции могут быть вызваны внешними воздействующими факторами.
Источником теплоты, часть которой превращается в механическую работу, в двигателях внутреннего сгорания является химическая энергия топлива, сгораемого в самом двигателе.
Рассмотрим термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Рабочим телом в двигателе внутреннего сгорания является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом (бензин, керосин, дизельное топливо, природный газ и др.), а на втором этапе – продукты сгорания этих топлив. Учитывая относительно невысокие давления и температуру рабочего тела, с точностью, допустимой для практики, можно рассматривать рабочее тело как идеальный газ.
Двигатели внутреннего сгорания поршневого типа имеют три особенности:
Во-первых, топливо сгорает внутри двигателя, что означает – горячий источник находится внутри двигателя. Следовательно, отпадает необходимость иметь теплообменные устройства для подвода теплоты к рабочему телу, что, в свою очередь, упрощает конструкцию двигателя и делает его компактным.
Во-вторых, как уже отмечалось, давление и температура рабочего тела сравнительно невысоки, что увеличивает срок службы двигателей.
В-третьих, рабочее тело после каждого цикла обновляется, так как продукты сгорания выбрасываются в окружающую среду.
С этой точки зрения цикл двигателя внутреннего сгорания не является замкнутым. Однако при термодинамическом анализе принимается, что цикл является замкнутым, что рабочим телом в двигателе является воздух вследствие небольшого количества топлива по сравнению с воздухом и что теплота к рабочему телу подводится и от него отводится через стенки цилиндра.
Любой поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором размещается рабочее тело и перемещается поршень.
Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасывание рабочего тела (воздуха или горючей смеси), а через другое – выброс рабочего тела по завершении цикла. Поршень соединен с потребителем работы специальным механизмом.
Различают три основных цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания: цикл Отто, цикл Дизеля и цикл Тринклера.
|
.png)