Теоретический (термодинамический) цикл поршневого двигателя — это обратимый круговой процесс, в котором превращение теплоты в работу происходит с минимальными потерями.
Различаются три вида теоретических циклов (по способам подвода теплоты к рабочему телу, считается, что отвод теплоты происходит при постоянном объеме):
- подвод теплоты при постоянном объеме (принудительное зажигание и сгорание рабочей смеси), цикл состоит из следующих этапов: адиабатическое сжатие (без теплообмена с внешней средой), изохорный процесс подачи тепла, адиабатическое расширение, изохорный отвод теплоты;
- подвод теплоты при постоянном давлении (это расчетный цикл для компрессорных дизелей), цикл состоит из следующих этапов: адиабатическое сжатие, изобарный подвод тепла, адиабатическое расширение, изохорный отвод теплоты;
- подвод теплоты смешанный: и при постоянном объеме и при постоянном давлении (расчетный цикл дизелей транспортного типа), цикл состоит из следующих этапов: адиабатическое сжатие, подвод теплоты сначала при постоянном объеме, потом при постоянном давлении, адиабатическое расширение, изохорный отвод теплоты.
При термодинамическом анализе по теоретическим циклам принимаются следующие допущения:
Подробности смотрите на сайте (www.MAZbook.ru)
- 1) теплоемкость газа постоянна и не зависит от температуры в течение всего цикла;
- 2) циклы считаются замкнутыми, а количество одного и того же задействованного в цикле рабочего тела постоянно (насосные потери не учитываются);
- 3) сжатие и расширение — процессы адиабатные (теплообмена с внешней средой нет);
- 4) сгорание топлива рассматривается как мгновенный подвод тепла извне;
- 5) выпуск отработавших газов рассматривается как мгновенный овод тепла в холодный источник;
- 6) трения между цилиндром и поршнем нет.
Теоретический цикл характеризуется следующими параметрами:
Vh — рабочий объем цилиндра;
ε — степень сжатия;
ρ — степень предварительного расширения, ρ = Vz1/Vc, где Vz1 — объем цилиндра в конце процесса подвода теплоты, Vc — объем в конце сжатия;
λ — степень повышения давления, λ = pz/pc, где pz — максимальное давление цикла, рс — давление в конце сжатия; изменяется в пределах от 1,4 до 2;
δ — степень последующего расширения, δ = Vb/Vz1, где Vb — объем цилиндра в конце расширения.
Основной оценочный параметр теоретического цикла — термический КПД ηt, который равен отношению η = (Q₁ - Q₂)/Q₁, где Q₁, Q₂ — подведенное и отведенное количество теплоты. Термический КПД зависит от степени сжатия и показателя адиабаты (для цикла с подводом теплоты при постоянном давлении) или от степеней сжатия, предварительного расширения, повышения давления и показателя адиабаты (для смешанного цикла). Чем больше степень сжатия, тем больше термический КПД во всех циклах, особенно при подводе теплоты при постоянном объеме. В смешанном цикле чем больше степень повышения давления или чем меньше степень предварительного расширения, тем больше термический КПД.
От всех этих параметров зависит экономичность (теплоиспользование) теоретического цикла.
Для наглядности анализа теоретического цикла применяются индикаторные диаграммы — графики, по осям которых в масштабе откладываются объем газа над поршнем (ось абсцисс) и абсолютное давление газа в цилиндре (ось ординат).
Для действительных циклов индикаторные диаграммы (свернутые) строятся по данным теплового расчета или по данным, полученным во время испытаний с помощью специального индикатора. Если требуется наглядно показать характер изменения давления в зависимости от угла поворота коленчатого вала, то применяется развернутая индикаторная диаграмма, на которой по оси абсцисс откладывается угол поворота коленчатого вала, а по оси ординат — давление газа.
По индикаторной диаграмме можно вычислить механические (насосные) потери двигателя — работу, затраченную на процессы впуска и выпуска. Насосные потери (работа) равны площади, заключенной между линиями впуска и выпуска.