Сгорания. Чтобы исключить эксергетические по­тери за счет неравновесного теплообмена с горячим источником теплоты

Чтобы исключить эксергетические по­тери за счет неравновесного теплообмена с горячим источником теплоты, целесо­образно использовать в качестве рабоче­го тела газы, получающиеся при сгора­нии топлива. Это удается осуществить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в его цилиндрах.

Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1-2 рабочего тела в цилиндре, изохорного 2-3 или изобар­ного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 3-4 или 7-4 и изохорного отвода теплоты 4-1 (рис. 1.35).

Рис. 1.35. Циклы ДВС

а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь воздуха и паров горючего (нетермодинамичемкий процесс); 1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается температура); 2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q₁); 3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа); 4-а – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр давление цилиндра падает (отводится тепло q₂). 1-а (4 такт) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов. Затем процесс повторяется.

Описанный процесс является необратимым (наличие трения, химической реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.).

В реаль­ных двигателях подвод теплоты осуще­ствляется путем сжигания топлива. Если пары бензина перемешаны с необходи­мым для горения воздухом до попадания в цилиндр, смесь сгорает в цилиндре практически мгновенно. Подвод теплоты оказывается близким к изохорному. Если же в цилиндре сжимается только воздух и уже затем впрыскивается топливо, то его подачу можно отрегулировать таким образом, чтобы давление в процессе сго­рания оставалось приблизительно посто­янным, и условно можно говорить об изобарном подводе теплоты.

Чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгора­ния в ДВС осуществляют не до атмос­ферного давления р₁, а до более высо­кого давления p₄, а затем открывают выпускной клапан и выбрасывают горя­чие (с температурой Т₄) продукты сгора­ния в атмосферу. Избыточное давление р₄-р₁ при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменя­ется изобарным отводом теплоты 4-1.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя ε. Применительно к идеальному циклу (см. рис. 1.35)

Степень сжатия является основным параметром, определяющим термический КПД цикла.

Рассмотрим два цикла с одинаковыми точками 1 и 4, один из которых (1^/-2^/-3^/-4^/) имеет большую сте­пень сжатия ε, чем другой (1-2-3-4). Большему значению ε соответствует бо­лее высокая температура в конце сжатия 1-2. Следовательно, изохора 2^/-3^/ рас­положена в Т, s - диаграмме выше, чем изохора 2-3. Из рис. 1.35 б, видно, что количество теплоты q₁, подведенной в цикле 1-2^/-3^/-4 (площадь 2^/-3^/-5-6), больше, чем количество теплоты, подве­денной в цикле 1-2-3-4 (площадь 2-3-5-6). Количество отведенной теплоты q₂ в обоих циклах одинаково (площадь 4-5-6-1). Следовательно, термический КПД больше в цикле 1-2^/-3^/-4.

Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания увеличивается с ростом степени сжатия ε. Нетрудно по­лучить аналитическую зависимость от ε, например, для цикла со сгоранием при v = const. При постоянной теплоемкости

При одинаковых показателях адиабаты k процессов сжатия и расширения

Тогда для рассматриваемого цикла

.