Замкнутый и разомкнутые термодинамические циклы

Научно-исследовательский центр

«Российские моторы»

Ибадуллаев Г.А.

ОСНОВЫ

Теплотехники и теории рабочих процессов

(третье издание)

цикл Стирлинга цикл V=const

Т Т

Т₁ Т₁

Т_b Т_b

Т₂ Т₂

Т_а Т_а

S S

А Б

Махачкала 2009

УДК 621.43

ББК 31.365

Основы теплотехники и теории рабочих процессов // Под редакцией профессора М.М.Фатахова. – Махачкала: Научно-исследовательский центр «Российские моторы», 2009 - 186 с.

В сборнике изложены результаты практических и теоретических исследований, проведенных российским ученым Ибадуллаевым Г.А. в области двигателей внутреннего сгорания, которые привели к целому ряду выдающихся открытий в технической термодинамике и выдвижению новых вариантов термодинамических циклов.

Двигатель внутреннего сгорания и двигателестроение являются одной из важнейших сфер деятельности человека. Сейчас на Земле около 1 миллиарда автомобилей. Они потребляют большую часть добываемой в мире нефти. В 2006 году в результате использования нефтепродуктов, как было рассчитано специалистами, в атмосферу Земли было выброшено свыше 4 млрд тонн двуокиси углерода, из которых примерно 2,4 млрд тонн - автомобильным транспортом. По прогнозам, в 2015 году мировое потребление нефти дойдет до 6 млрд. тонн в год, что еще более усугубит экологическую ситуацию.

С позиций энергосбережения и охраны окружающей среды открытия Ибадуллаева Г.А. имеют большое значение. Они позволят строить бензиновые и дизельные ДВС с максимально достижимым КПД, что существенно уменьшит как потребление нефти, так и выбросы парниковых и токсичных газов в окружающую среду.

Материалы сборника адресованы ученым и специалистам в области исследования и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания и другим заинтересованным лицам.

УДК 621.43

ББК 31.365

Рецензент: Технический совет НИЦ «Российские моторы».

ISBN 5-7038-1452-9

Научно-исследовательский центр

«Российские моторы»

Ибадуллаев Г.А.

ОСНОВЫ

Теплотехники и теории рабочих процессов

Под редакцией профессора М.М.Фатахова.

Махачкала 2009

Рецензия

Прошел ровно 1 год с того момента, как юрист и изобретатель Ибадуллаев Г.А. приступил к изучению термодинамики и теории ДВС. Настоящая книга - уже третья его теоретическая работа за это время. Но работа классическая, завершенная, дающая нам целостное и совершенно новое представление о действии законов термодинамики в тепловых машинах. Работа называется «Основы теплотехники и теории рабочих процессов», хотя она заслуживает названия «Основы теплотехники и новой теории ДВС». Уверены, что по прочтении, читатели, глубоко разбирающиеся в исследуемых вопросах, согласятся с нашим мнением.

Всем специалистам известно, что есть циклы круговые, замкнутые и необратимые, разомкнутые. В круговых циклах тепловых машин рабочее тело является несменяемым, подвод теплоты к нему осуществляется вне цилиндра от внешнего горячего источника. В разомкнутых циклах рабочее тело обновляемое, процесс подвода к нему теплоты осуществляется внутри цилиндра. Это прописная истина для любого специалиста.

Но Ибадуллаев Г.А. поставил, на первый взгляд, простой вопрос: можно ли в тепловой машине, работающей по замкнутому круговому циклу, то есть с внешним подводом теплоты, осуществить внутренние изотермные процессы подвода и отвода теплоты? И дал убедительный ответ: невозможно. Тогда что такое круговые циклы Карно и Стирлинга с внешним подводом теплоты, но с внутренними изотермными процессами подвода и отвода теплоты?

Ибадуллаев Г.А. весьма убедительно и наглядно показал, что к рабочему телу по верхней изотерме цикла Карно можно подвести только такое количество теплоты, которое должно компенсировать температуру Т₁ в период совершения работы изотермного расширения. От рабочего тела по нижней изотерме цикла Карно можно отвести только такое количество теплоты, которое было использовано для компенсации температуры Т₁ в период совершения работы изотермного расширения. Какой КПД будет иметь цикл, в котором количество подводимой теплоты равно количеству отводимой теплоты компенсации? Ибадуллаев Г.А. пришел к выводу, что КПД такого цикла будет 0%, и подтверждает свой вывод расчетами балансов теплоты и работы.

Двигатели внутреннего сгорания, и это всем известно, обязательно должны содержать систему охлаждения. Система охлаждения (воздушная или жидкостная) воспринимает в себя некоторую часть теплоты цикла и выполняет функции холодного источника термодинамической системы. Всем также известно, что без системы охлаждения ни один двигатель внутреннего сгорания не будет работать. Но ныне действующая теория ДВС считает, что функции холодного источника термодинамической системы выполняет система выпуска отработавших газов, и все балансы теплоты сводит путем подсчета энергии выпускных газов. В результате таких подходов теория ДВС на сегодня не в состоянии дать ответы на многие вопросы практического двигателестроения.

Ибадуллаевым Г.А. впервые в теплотехнике составлена классификация циклов от идеального до рабочего. Определены задачи и функции циклов, что дает ясную и целостную теоретическую картину процессов, которые происходят в двигателе. Полагаем, что для дальнейшего развития теории и практики ДВС классификация циклов будет иметь не меньшее значение, чем периодическая таблица Менделеева для развития химии.

Классификация циклов позволила Ибадуллаеву Г.А. выявить особые функции, которые работа сжатия и степень сжатия выполняют в циклах тепловых машин. Эти функции сформулированы в виде постулата и аксиомы термодинамики. Им также выявлены и сформулированы новые законы, в соответствии с которыми протекают рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания с высокими и сверхвысокими степенями сжатия. Установлены теоретические и практические пределы совершенствования двигателей внутреннего сгорания. Выявлены и сформулированы новые циклы, на основе которых такие двигатели будут работать. Составлена новая методика исследования и анализа циклов и новые формулы анализа и расчета циклов от идеального до действительного.

В теории ДВС, хотя она и считается точной наукой, многие вопросы до сих пор решались на основе догадок и предположений. Если быть точным, с 30-40-х годов прошлого столетия теория ДВС практическому двигателестроению не только ничего нового не предложила, но и многими своими положениями тормозила его развитие. Сегодня у нас есть уверенность в том, что работы Ибадуллаева Г.А. превращают теорию ДВС в действительно точную науку, которая определит дальнейшую стратегию развития мирового двигателестроениия.

Изложенное превращает данную работу в заметное явление в термодинамике и теории рабочих процессов.

Желаем всем специалистам и любителям приятного и полезного чтения этой неординарной работы.

Заместитель директора МФ МАДИ (ГТУ),

к.т.н., профессор М.М. Фатахов

Кафедра ЭАТ МФ МАДИ (ГТУ),

д.т.н., профессор М.Э. Мамедшахов

От автора

Возможно, по прочтении настоящей книги Вы, уважаемый читатель, придете к выводу, что автор слишком радикален в своих суждениях. Прошу не торопиться с выводами. Все, что изложено в этой книге, подтверждено практикой, которая, как известно, является критерием истины.

Много лет назад я был неприятно удивлен, узнав, что на средних нагрузках бензиновый двигатель внутреннего сгорания имеет меньший КПД, чем паровая машина. Оказалось, что увеличению экономичности бензинового двигателя мешает детонация.

Когда я начал изучать проблему, передо мной возникла следующая задача: двигатель со степенью сжатия ε=8, давление наддува на впускном клапане Рк=5.5 кг/см², суммарная степень сжатия έ=40, понижение температуры при промежуточном охлаждении ∆T_х =130⁰С, Та=37⁰С, k=1.4, Тс=996⁰С, Рс=194 кг/см². Температура самовоспламенения смеси при данном давлении 29⁰С. Почему двигатель работает без детонации (не говоря уже про объемный взрыв)?

В результате многомесячных размышлений и практических опытов задача была решена – мной был построен действующий образец бензинового двигателя со степенью сжатия 17, который работал без детонации.

В последующем было построено еще четыре двигателя со степенями сжатия от 17 до 23 и компрессией от 24 до 40 кг/см².

Найдя практическое решение вопроса, в течение полутора лет (с конца 2000 года по май 2002 года) пытался убедить московских профессоров, работников ВАЗа и ГАЗа в своей правоте. Мне твердили, что практика - бог, а она говорит, что такой двигатель невозможно создать. Поэтому мои объяснения - плод больного воображения. Я построил двигатель. Приехал в г. Москву на машине. Сказали - без стендовых испытаний это не двигатель, а игрушка. Выехал домой на той же машине, собрал еще один двигатель со степенью сжатия 20.5 и вернулся. 3 года работал на стенде в МАДИ. Отработал все, что было возможно. Разбирали двигатель через каждые 20 часов работы. Убедились, что двигатель ведет себя превосходно, детонации нет и износ практически отсутствует.

Теоретики пытались понять, почему он работает. Никто ничего не понял, хотя я объяснял, в чем дело. Но мои объяснения не укладывались в рамки того, что знали специалисты. Мне стали твердить: не трогай теорию, теория - бог, а двигатель - плод больного воображения.

Не владея теорией ДВС и научной терминологией, я не мог доступно объяснить специалистам, почему мои двигатели работают без детонации, хотя, происходящие в них процессы, я четко себе представлял уже в начале 2001 года.

Пришлось самому изучать теорию, осмыслить ее положения и прийти к тем выводам, которые излагаются в настоящей книге.

Не может быть такого, чтобы при правильной теории мог появиться неправильный двигатель. Детальное изучение теории показало, что она отстала от требований практики на целое столетие и имеет весьма отдаленное отношение к современным двигателям внутреннего сгорания.

С моими выводами, содержащимися в книге, можно согласиться, но можно и не согласиться. Самый лучший способ проверки правильности моего решения и моих выводов - получить собственное решение. Поэтому тем, кто будет сомневаться, предлагаю решить приведенную задачу и найти свое решение.

Желательно, чтобы сомневающийся читатель в своем гараже также построил бензиновый двигатель с ε =22-23. Если Ваше решение окажется правильным и иным, чем мое, готов публично поклониться и признать, что у Вас были основания для сомнений в правильности моего решения. Если решение не будет найдено или оно будет таким же, как у меня, будем считать, что был прав я.

В настоящей работе я предпринял попытку в краткой форме изложить свои подходы, выводы, формулы и т п. В целом, за некоторыми исключениями, анализ можно считать завершенным. Но остались еще некоторые моменты, которые требуют уточнения. Да и многие положения, которые изложены в настоящей работе, требуют более подробного освещения.

Более полная редакция книги готовится и, надеюсь, скоро она будет опубликована.

Г.А.Ибадуллаев.

Классификация циклов.

1. Насколько можно понять из изученной литературы, классическая термодинамика занимается изучением вопросов о взаимном превращении теплоты и работы.

В аспекте исследования циклов классическая термодинамика рассматривает вопросы идеальных гипотез взаимного превращения теплоты и работы. Она исследует закрытые и изолированные термодинамические системы. Соответственно этому идеальные циклы должны быть: равновесными, круговыми, обратимыми и замкнутыми или изолированными.

«Термодинамическая система называется закрытой, если ее контрольная поверхность не допускает обмена веществом. Система, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, называется открытой. Закрытая система, поверхность которой не допускает обмена энергией, называется изолированной». («Теплотехника», стр. 24, подчеркнуто мной).

Техническая термодинамика наряду с перечисленными вопросами рассматривает и открытые системы, к которым, в частности, относятся и двигатели внутреннего сгорания. Циклы, протекающие в открытых системах, не обладают перечисленными признаками идеальных циклов.

Однако по не понятным причинам в технической термодинамике подход к рассмотрению, исследованию и анализу открытых циклов следующий:

«Для термодинамического анализа реальные рабочие процессы этих двигателей схематизируют, принимая следующие допущения:

все процессы обратимы и составляют обратимый круговой процесс - термодинамический цикл;

тепловыделение за счет сгорания топлива, рассматривают как подвод теплоты к рабочему телу от источника с высокой температурой, а выпуск горячих продуктов сгорания в атмосферу - как отвод теплоты от рабочего тела к источнику с низкой температурой;

все процессы протекают с одним и тем же количеством рабочего тела, рассматриваемого, как идеальный газ, теплоемкость которого не зависит от температуры и химический состав постоянен». («Теплотехника», стр. 82).

Согласно приведенной цитате, для рассмотрения и анализа открытых циклов используется та же самая методика, которая используется для рассмотрения и анализа закрытых или изолированных циклов.

Такой подход противоречит:

1. Логике. Различия между открытой и закрытой термодинамическими системами столь велики и важны, что их определения даются уже во вводной части курса технической термодинамики наряду с другими основополагающими понятиями. Поэтому, если мы намерены исследовать какую-то конкретную совокупность явлений или взаимосвязь процессов (открытые системы и циклы) и желаем при этом получить правильный результат, то надо исследовать именно эту совокупность явлений или взаимосвязь процессов, а не другую (закрытые системы и циклы).

2. Термодинамике. Термодинамическая система независимо от ее вида (закрытая или открытая) должна содержать горячий источник, холодный источник, рабочее тело и потребителя работы. «Под окружающей средой следует понимать совокупность внешних объектов, с которыми термодинамическая система может взаимодействовать, обмениваясь с ними энергией или веществом». («Теплотехника», стр. 24).

Для термодинамической системы окружающая среда не может быть ни горячим, ни холодным источником. Термодинамическая система является частью окружающей среды. В плане масштабного соотношения окружающая среда является макроскопической средой, а термодинамические системы, как микроскопические среды, являются ее частями.

Закрытая термодинамическая система не взаимодействует с окружающей средой. Внутренняя «конструкция» закрытой термодинамической системы способна обеспечить ее функционирование без сообщения с окружающей средой. Открытая термодинамическая система без взаимодействия с окружающей средой не может функционировать. По завершении цикла она должна удалить в окружающую среду использованное рабочее тело с частью, не использованной теплоты. Для начала нового цикла она должна получить из окружающей среды новое рабочее тело. Как видно из приведенной цитаты, техническая термодинамика рассматривает выпуск горячих продуктов сгорания в атмосферу - как отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику.

По нашему мнению из такого подхода следуют выводы: 1. Открытая термодинамическая система, в отличие от закрытой, не содержит в себе холодный источник, так как холодным источником считается окружающая среда. 2. Окружающая среда, как холодный источник, становится частью открытой термодинамической системы. То есть, хотя любая термодинамическая система является лишь одной из множеств объектов окружающей среды, принимая приведенное допущение, техническая термодинамика делает утверждение о том, что сама окружающая среда становится частью (холодным источником) открытой термодинамической системы.

Мы считаем, что открытая термодинамическая система, как и закрытая, является лишь одним из объектов окружающей. Окружающая среда не может быть частью термодинамической системы, а потому ее нельзя считать холодным источником. Открытая термодинамическая система, как и закрытая, содержит в себе горячий источник, холодный источник, рабочее тело и потребителя работы. В отличие от закрытой системы она сообщается с окружающей средой, принимая из нее свежее рабочее тело и отдавая в нее использованное рабочее тело.

Закрытая термодинамическая система изолирована от окружающей среды. Соответственно этому она не нуждается в обновлении рабочего тела. Рабочее тело в закрытой термодинамической системе является постоянным.

В паровой машине Ньюкомена печь и котел для вырабатывания пара располагались отдельно от цилиндра. Пар подавался в цилиндр и совершал работу. После этого для охлаждения и конденсации пара в цилиндр взбрызгивалась вода. Но при таком процессе охлаждались и стенки цилиндра. В виду этого при подаче в цилиндр новой порции пара, значительное количество энергии расходовалось на нагревание стенок.

То есть, в данном паровом двигателе горячий источник был вне цилиндра, а холодный источник располагался внутри цилиндра. Такое устройство двигателя обеспечивало КПД не более 1%, так как значительная часть подводимой энергии напрямую уходила к холодному источнику.

Д.Уатт снабдил паровой двигатель конденсатором. После совершения работы пар выводился из цилиндра и охлаждался в отдельной емкости- конденсаторе. Выведение холодного источника из цилиндра позволило увеличить КПД двигателя почти в 10 раз.

В замкнутых циклах рабочее тело своим химическим составом в преобразовательных процессах не участвует. Поэтому оно является постоянным. В разомкнутых циклах рабочим телом является атмосферный воздух. В цилиндре двигателя внутреннего сгорания кислород, содержащийся в воздухе, выгорает. Поэтому для повторного использования рабочее тело в разомкнутых циклах непригодно.

Такая особенность изолированной и открытой систем обусловила и особенности подвода теплоты в циклах. В закрытой системе горячий источник, холодный источник и цилиндр с рабочим телом отделены друг от друга. С момента сгорания в печи химическая энергия топлива преобразуется в тепловую. При этом высвобожденная тепловая энергия будет стремиться к любому источнику с более низкой температурой. Коэффициент ее полезного использования будет зависеть от того, в какой степени рабочее тело способно обеспечить «доставку» тепловой энергии в цилиндр для совершения работы. Т.е. в замкнутых циклах рабочее тело получает энергию от горячего источника вне цилиндра. Совершает работу в цилиндре, после чего сжимается в цилиндре и в сжатом виде подается из цилиндра в холодный источник. Паровая машина Ньюкомена показывает, в какой степени размещение холодного источника в цилиндре, влияло на величину КПД двигателя. Если и нагреватель разместить внутри цилиндра, двигатель не будет работать, так как теплота от нагревателя будет переходить не к рабочему телу, а напрямую к холодному источнику.

В открытой системе сгорание происходит непосредственно в цилиндре. Процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую и процесс подвода теплоты к рабочему телу совпадают и образуют единый процесс. До протекания основной фазы сгорания в зоне ВМТ через стенки цилиндра в систему охлаждения отводится теплота компенсации. По завершении цикла непригодное к повторному использованию рабочее тело с частью, не использованной циклом теплоты, удаляется в окружающую среду.

Из-за перечисленных особенностей двигатели, в которых осуществляется замкнутый цикл, называются двигателями с внешним подводом теплоты. Двигатели, в которых осуществляется разомкнутый цикл, называются двигателями внутреннего сгорания.

3. Согласно «Теплотехнике» «Изохорный процесс определяется условием υ=const. Соотношение между параметрами р и Т в этом процессе, т.е. уравнение изохоры в рТ- координатах: р/Т= const. В изохорном процессе δq= du, т. е. вся подведенная к газу теплота расходуется на изменение его внутренней энергии». (Стр. 41-42).

«Изобарный процесс определяется условием p=const. Соотношение между параметрами υ и Т в этом процессе, а значит, и уравнение изобары в υТ-координатах получим: υ/Т= const. Для изобарного процесса δq= dh, т.е. вся подведенная теплота расходуется на изменение его энтальпии». (Стр. 43, подчеркнуто мной).

Примечание: Данный вывод нам представляется ошибочным. Вся подведенная теплота может расходоваться на изменение энтальпии рабочего тела только в изохорном процессе. «энтальпия идеального газа является только функцией температуры». (Стр. 41). В изобарном процессе на изменение энтальпии расходуется только одна часть теплоты, а вторая часть расходуется на совершение работы.

«Изотермный процесс определяется условием: Т = const. Соотношение между параметрами р и υ изотермного процесса, рυ= const.

Поскольку dТ= 0, внутренняя энергия и энтальпия идеального газа в изотермном процесс не изменяются, поэтому вся теплота, подведенная к газу, расходуется на совершение работы». (Стр. 44).

«Адиабатный процесс протекает без теплообмена между системой и окружающей средой: δq=0, поэтому работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии системы: δl= - du». (Стр. 45).

Энтропия системы сохраняется постоянной только в обратимом (равновесном) адиабатном процессе. На этом основании обратимый адиабатный процесс называется изоэнтропным». (Стр. 45).

Примечание: В связи с данным определением адиабатного процесса у нас возник вопрос: как классическая термодинамика понимает вопросы обратимости других термодинамических процессов идеального газа и идеальных циклов? Допустим, являются ли изотермный и изобарный процессы обратимыми. Может ли процесс (или цикл), по преобразованию теплоты в работу быть обратимым?

«Политропным называется процесс, в котором параметры состояния системы удовлетворяют уравнению вида рυⁿ =const, где n-число постоянное во всем интервале изменения параметров газа. Линия изображающая политропный процесс, называется политропой, а величина n-показателем политропы». (Стр.46).

Таким образом, в изохорном процессе подводимая теплота расходуется только на увеличение внутренней энергии рабочего тела. После насыщения энергией в горячем источнике рабочее тело перемещается в цилиндр. В цилиндре оно адиабатно расширяется и совершает работу. При этом подведенная в предыдущем изохорном процессе теплота преобразуется в работу и теплоту компенсации, и внутренняя энергия рабочего тела уменьшается на соответствующую величину. После совершения работы рабочее тело сжимается (адиабатно), перемещается из цилиндра во внешний холодный источник, где освобождается от теплоты компенсации. Из этого описания следует, что в чистом виде, то есть без смешивания с другими видами процессов газа, изохорный и адиабатный процессы возможны только при внешнем способе подвода теплоты.

Из описания изобарного, изотермного и политропного процессов следует, что теплота к рабочему телу должна подводиться и отводиться непосредственно в цилиндре в процессе совершения работы расширения и сжатия. То есть, они являются внутренними процессами и могут использоваться только в двигателе внутреннего сгорания.

В некоторых двигателях внутреннего сгорания принимается допущение о подводе теплоты по изохорному процессу. Такое допущение не противоречит характеру процесса т.к. объем рабочего тела в период подвода теплоты изменяется незначительно. Адиабатный процесс в двигателях внутреннего сгорания используется на этапе последующего расширения, то есть на этапе расширения следующего за завершением процесса подвода теплоты.

Классификация циклов нами составлена с учетом перечисленных выше особенностей термодинамических систем, термодинамических процессов газа и способов подвода и отвода теплоты.

1. Термодинамический замкнутый,илиидеальныйцикл. Основан на термодинамических процессах идеального газа. Цикл с подводом теплоты по процессу V=Const является замкнутым циклом. Процесс преобразования теплоты в работу данным циклом основан на допущениях о том, что замкнутая термодинамическая система содержит в себе горячий источник, холодный источник, несменяемое рабочее тело- идеальный газ и потребителя работы. Горячий и холодный источники теплоты располагаются вне цилиндра, способ подвода и отвода теплоты внешний. Задача цикла- определить в каких соотношениях теплота, передаваемая от горячего источника рабочему телу, будет преобразована в работу и отведена холодному источнику. Цикл Стирлинга является замкнутым циклом с подводом теплоты по процессу V=Const. «Цикл» Карно не способен преобразовывать теплоту в работу, поэтому является не циклом, а ошибочной моделью цикла.

2. Термодинамические разомкнутые циклы. Также основываются на термодинамических процессах идеального газа. Процесс преобразования теплоты в работу данными циклами основан на допущениях о том, что разомкнутая термодинамическая система также содержит в себе горячий источник, холодный источник, рабочее тело и потребителя работы. Для обновления рабочего тела система сообщается с окружающей средой. В отличие от термодинамической замкнутой, разомкнутая система менее экономична, т.к. часть располагаемой теплоты вместе с рабочим телом удаляется в окружающую среду. Но разомкнутая система более эффективна, т.к. обновленное рабочее тело имеет значительно больший термодинамический потенциал, что позволяет получить большее количество работы.

Задача данных циклов- определить в каких соотношениях будет распределена теплота, передаваемая от горячего источника рабочему телу, при ее преобразовании в работу данной системой. Т.е. сколько теплоты будет преобразовано в работу, отведено холодному источнику и унесено удаляемым рабочим телом во внешнюю среду.

Разомкнутые циклы имеют свой КПД, свою эффективность и свои отличительные от замкнутого цикла признаки – способ подвода теплоты внутренний, по завершении цикла рабочее тело удаляется из системы и перед началом каждого цикла производится обновление рабочего тела. На этом основании мы считаем, что разомкнутые циклы- это самостоятельная группа циклов, требующая отдельного анализа.

При работе над вторым изданием сборника мы полагали, что по признаку использования идеального газа обе группы циклов можно назвать идеальными. Но дальнейшая работа и анализ показали, что идеальным можно назвать только замкнутый цикл, который соответствует установленным равновесной термодинамикой признакам цикла: круговой, обратимый, равновесный и замкнутый и имеет наивысший термический КПД. Разомкнутые термодинамические циклы указанным признакам не соответствуют и имеют более низкий термический КПД. Поэтому считаем, что данная группа циклов должна быть отнесена к простым термодинамическим циклам.

В теории принято считать, что холодный источник термодинамической системы и окружающая среда- это одно и то же. В то же время, никто не будет спорить с утверждением о том, что конкретная термодинамическая система индивидуальна и обособлена от окружающей среды. То есть, горячий источник, холодный источник и рабочее тело относятся только к рассматриваемой системе. При анализе циклов мы не задаемся вопросом о том, из какого источника горячий источник термодинамической системы черпает энергию. Точно таким же образом не должен ставиться вопрос о том, куда девается теплота, переданная холодному источнику, т.к. это не входит в задачу анализа. В разомкнутых системах в качестве потребителя части теплоты появляется еще один субъект - окружающая среда. Теплота, содержащаяся в удаляемом рабочем теле, не передается холодному источнику, а напрямую с рабочим телом выбрасывается в окружающую среду.

Замкнутый цикл в дальнейшем в наших работах для краткости будет называться термодинамическим идеальным или сокращенно идеальным циклом.

Термодинамические разомкнутые циклы – термодинамическими циклами.

Идеальный и разомкнутые циклы характеризуются только показателем термического КПД. Внутривидовая классификация термодинамических циклов производится по признаку того, какой вид термодинамического процесса газа используется при протекании процесса подвода теплоты. Так, разомкнутый цикл Бо Де Роша называется циклом с подводом теплоты по изохоре, поскольку подвод теплоты осуществляется по процессу V=Const. Разомкнутые циклы, в которых при подводе теплоты используется несколько видов термодинамических процессов газа, называются смешанными.

3. Термодинамические теоретические циклы. Основываются на термодинамических разомкнутых циклах. Эта группа циклов характеризуется большим, чем идеальный и базовые термодинамические циклы, количеством принимаемых допущений, относящихся как к классической, так и к технической термодинамике. В них рабочим телом является атмосферный воздух.

В теоретических циклах появляется понятие отвода теплоты в стенки цилиндра. Принимается допущение о том, что в процессе подачи топлива или подвода теплоты происходит процесс сгорания или тепловыделения. В процессе тепловыделения или подвода теплоты происходит изменение интенсивных- внутренних (давления и температуры) и экстенсивного- внешнего параметра (объема) рабочего тела, в результате чего увеличивается количество теплоты, отводимой холодному источнику (в стенки цилиндра). То есть, перед теоретическими циклами стоит задача анализа процесса тепловыделения и расчета количества теплоты, которое дополнительно будет отведено холодному источнику в результате изменения состояния рабочего тела. Расчет производится с применением показателей: l - показатель подвода теплоты в изохорном процесс, ρ- показатель подвода теплоты в изобарном процесс, ρ_t- показатель подвода теплоты в изотермном процессе, а также дополнительный показатель степени повышения температуры γ (подробнее- ниже), характеризующий изменение теплоотвода в стенки при увеличении температуры и давления при неизменном объеме.

Термодинамические теоретические циклы характеризуются показателями экономичности (термическим КПД) и количества работы (средним давлением).

4. Теоретические расчетные циклы. Теоретические расчетные циклы анализируют протекание рабочих процессов с позиций теории и их возможной практической реализации в ДВС. Задачей данных циклов является анализ непосредственных процессов сжатия и расширения, расчет дополнительных потерь теплоты в результате утечек через неплотности, неполноты сгорания, с выпускными газами из-за изменения молекулярной массы и теплоемкости газов. Рассчитывают на основе положений технической термодинамики и теории рабочих процессов предполагаемые характеристики проектируемого двигателя (термический и расчетные индикаторный и эффективный КПД, расчетные индикаторное и эффективное среднее давление). При их рассмотрении используется терминология как термодинамики (подвод теплоты, отвод теплоты, обновление рабочего тела и пр.), так и теории рабочих процессов (тепловыделение, сгорание, выпуск продуктов сгорания, механические потери и пр.).

5. Действительный цикл- это реализованный в конкретном двигателе цикл. Действительный цикл отражает работу реального двигателя. Составляется путем стендовых испытаний двигателя. При этом исследуются непосредственно рабочие процессы: характер протекания давлений и температур и пр. Характеризуется индикаторными и эффективными показателями.

6. Рабочий цикл- состоит из 2-х или 4-х тактов. Действительный цикл состоит из множества рабочих циклов. Рабочий цикл характеризуется данными о количестве смеси и воздуха, угле опережения зажигания или впрыска, периода задержки воспламенения, скорости и времени распространения фронта пламени и пр. Рабочий цикл можно воспроизвести только на специальных экспериментальных установках, имеющих целью исследование процессов подготовки смеси к горению, сгорания и протекания давлений и температур.

Взаимосвязь между циклами следующая: Идеальный цикл → термодинамические разомкнутые циклы → теоретические циклы → теоретические расчетные циклы→ действительные циклы → рабочие циклы.

Комментарий:

Видимо, не будет большой ошибкой, если объединить в одну группу теоретические и теоретические расчетные циклы. Приведенное выше разделение нами сделано, чтобы отделить чисто теоретические аспекты вопроса (k, n, λ, ρ, ρ_t и γ) от практических- индикаторных и эффективных расчетных величин.

Замкнутый и разомкнутые термодинамические циклы.

Термодинамические циклы это термодинамические круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу. Наиболее полный и подробный анализ термодинамических циклов дается Д.Н.Вырубовым.

(«Теплотехника», стр. 347).

«Рассмотрение любого термодинамического цикла двигателей внутреннего сгорания основывается на следующих допущениях:

1. Цикл протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела (газа), в результате чего исключаются из рассмотрения как потери рабочего тела вследствие утечек его через неплотности, так и потери энергии, возникающие при поступлении свежего заряда в двигатель и удалении из него выпускных газов. При этом процесс удаления выпускных газов заменяется фиктивным процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику (выделено мной).

2. Химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла. Этим условием исключается из рассмотрения процесс сгорания, который заменяется фиктивным процессом подвода теплоты к рабочему телу от внешнего горячего источника, и, следовательно, не учитываются тепловые потери, возникающие в действительном цикле при сгорании топлива в двигателе.