Математическое моделирование тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания: Курс лекций (Эволюция учения о теплообмене в ДВС от Нуссельта до наших дней. Основные показатели эффективности циклов тепловых двигателей), страница 7

Теплоемкость идеального газа зависит только от температуры, а смеси - вше и от состава смеси. В реальных двигателях изменение температуры рабочего тела достигает 150 К, поэтому теплоемкость изменяется значительно. Допущение о постоянной теплоемкости может привести в отдельных случаях к значительной погрешности. Но это допущение позволяет очень просто и наглядно представлять цикл в Т-S диаграмме и упростить расчет. Уменьшить погрешность можно, выбирая среднее значение теплоемкости с учетом изменения температуры и состава рабочего тела.

Следующим допущением является введение абстрактных понятий "горячего" и "холодного" источников, от которых теплота подводится или вводится к рабочему телу. Только в этом случае процессы нагрева или охлаждения рабочего тела можно считать обратимыми и выбрать определенные законы этих процессов с учетом реальных условий.

Еще одним допущением является представление об адиабатности процессов расширения и сжатия рабочего тела, пренебрегая тем самым теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндров.

Термодинамические методы анализа обратимых циклов

В данном разделе будет рассмотрен только один из нескольких методов анализа обратимых циклов – метод анализа необратимых потерь цикла.

Одним из обязательных процессов замкнутого цикла является процесс расширения рабочего тела. Этот процесс реализуется для различных типов тепловых двигателей в цилиндре с поршнем, в. турбине, в сопле реактивного двигателя и т.д. В соответствии с принципом максимальной работы, максимальная работа совершается в обратимом процессе.

Все реальные процессы являются необратимыми, и в результате необратимых потерь совершаемая работа меньше) чем в обратимом процессе. Поэтому внутренний относительный КПД двигателя в процессе расширения в соответствии с (2.3)

,                                                  (2.5)

где - работа расширения необратимого процесса; - работа расширения соответствующего обратимого процесса.

Аналогично, в процессах сжатия рабочего тела в элементах теплового двигателя (насос, цилиндр с поршнем, диффузор), в результате необратимых потерь необходимо затратить работу большую, чем в обратимом процессе. Тогда внутренний относительный КПД в процессах сжатия

,                                                         (2.6)

где - работа расширения необратимого процесса; - работа расширения соответствующего обратимого процесса.

Работа цикла равна разности работы расширения и работы сжатия. Тогда работа обратимого цикла

                                                       (2.7)

а работа необратимого цикла

                                                       (2.8)

С учетом (2.5) и (2.6) работа необратимого цикла

                                                           (3.5)

Внутренние относительные КПД  и  характеризуют степень необратимости реальных процессов, а внутренний относительный КПД - степень необратимости всего цикла. В количественном отношении внутренний относительный КПД показывает, какова будет доля работы, совершаемая двигателем, работающим по реальному циклу, по сравнению с аналогичным двигателем, работающим по обратимому циклу. Если процессы расширения и сжатия будут обратимыми, то очевидно, что . Величина внутреннего относительного КПД определяется экспериментально.

С учетом внешних потерь, эффективный КПД теплового двигателя будет равен

                                              (2.9)

Зная эффективный КПД двигателя, можно рассчитать какая доля подводимого тепла будет превращена в полезную работу

                                                      (2.10)

Для различных типов двигателей полезная работа имеет различный смысл: для поршневого двигателя - работа, переданная на вал автомобиля для реактивного двигателя - это тяга и т.д.