Циклы двигателей внутреннего сгорания (циклы ДВС)

Циклы двигателей внутреннего
сгорания (циклы ДВС)
1. Принцип работы ДВС.
2. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты.
3. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты.
4. Цикл ДВС со смешанным подводом
теплоты.
5. Сравнение циклов ДВС.
Двигателями внутреннего сгорания
называются тепловые поршневые машины,
в которых в качестве рабочего тела
используются продукты сгорания жидких
или
газообразных
топлив,
сжигаемых
непосредственно внутри рабочего цилиндра.
Для упрощения теоретических расчетов
считают, что не топливо сгорает внутри
цилиндра, а газу передается теплота извне.
Такая постановка вопроса не оказывает
влияния на процесс.
По способу осуществления рабочего цикла
двигатели подразделяют на двухтактные и
четырехтактные.
Рассмотрим рабочий процесс четырехтактного
карбюраторного двигателя в диаграмме p – v:
НМТ – нижняя мертвая
точка;
ВМТ – верхняя мертвая
точка;
1-2 – процесс сжатия
топливовоздушной смеси
(адиабата);
2-3 – сгорание смеси и
повышение давления
(изохора);
3-4 – расширение газа –
рабочий ход (адиабата);
4-5 – выпуск отработанных
газов;
5-1 – всасывание
топливовоздушной смеси.
Рассмотренный процесс в действительности протекает
с потерей теплоты, при наличии трения, химической реакции и
при переменной массе газа (так как имеется вывод газа), это
затрудняет выполнение термодинамических расчетов.
Поэтому рабочие (реальные циклы) заменяют идеальными
циклами. При этом вводятся следующие упрощения, считая
что:
1. Масса рабочего газа не меняется.
2. При подводе теплоты (сжигании топлива) не происходит
химических реакций.
3. Не происходит побочных потерь теплоты, кроме основной –
во время выпуска газов.
4. Процессы сжатия и расширения происходят адиабатно.
5. Все процессы считаются обратимыми и равновесными.
Для того, чтобы результаты расчетов можно было
использовать вводят поправочные коэффициенты,
полученные экспериментальным путем.
В зависимости от способа подвода теплоты различают
три цикла ДВС.
Цикл ДВС с изохорным подводом
теплоты (цикл Отто)
Циклом ДВС с изохорным подводом теплоты
называется цикл, у которого подвод теплоты
осуществляется при постоянном объеме.
1-2 – при перемещении поршня из НМТ в ВМТ происходит сжатие
топливовоздушной смеси по адиабате 1-2, в результате чего
удельный объем уменьшается от v1 до v2, а температура
повышается от T1 до T2.
1

2
Отношение
- называется степенью сжатия.
От степени сжатия зависит термодинамический КПД.
Для карбюраторных двигателей ε = 9...10. Работа сжатия в
адиабатном процессе 1-2 отрицательна.
2-3 – в изохорном процессе происходит подвод теплоты q1 за
счет сгорания топлива. При этом температура газа повышается
до T3, а давление – до p3.
q1  Cv  T3  T2 
Отношение p 3
p2

- называется степенью повышения давления.
3-4 – происходит расширение газа по адиабате 3-4 от v3 до v4.
При этом совершается положительная работа. Разность
теплоты в процессе 3-4 и 1-2 равна полезной работе  0 и
изображается площадью диаграммы цикла 1-2-3-4.
4-1 – отвод теплоты в изохорном процессе.
q 2  C v  T4  T1 
Количество теплоты q0 превращаемой в полезную работу
будет равно:
0
q 0  q1  q 2   0
На диаграмме T – s теплота изображена площадью диаграммы
1-2-3-4.
Термический КПД (эта) цикла равен:
q 0 q1  q 2
q2
 

 1q1
q1
q1
v
t
Заменив значения получим:
 T4


1


C v  T4  T1 
T1  T1
v

t  1 
 1 

C v  T3  T2 
T2  T3
 T 1
 2

После преобразования получим:
  1
v
t
1
 К 1
Из формулы следует, что КПД с увеличением степени
сжатия увеличивается и зависит от коэффициента .
К
Ср
Сv
Цикл ДВС с изобарным подводом
теплоты (цикл Дизеля)
Циклом ДВС с изобарным подводом теплоты
называется цикл, у которого подвод теплоты
осуществляется при постоянном давлении.
1-2 – при перемещении поршня из НМТ в
ВМТ происходит сжатие, но не топлива, а
воздуха по адиабате. Температура воздуха
повышается до 900oC, а степень сжатия
1

2
увеличивается до 14…20 (воздух не
самовоспламеняется от высокой
температуры).
2-3 подводится теплота (путем впрыска
топлива, его самовоспламенения и сгорания).
При этом происходит движение поршня к НМТ
и увеличение объема. Поэтому давление не
повышается, а остается постоянным, пока все
топливо не сгорит.
Одновременно совершается работа.
Подводимая теплота равна:
q1  C p  T3  T2 
Отношение
 3 T3


 2 T2
называется степенью предварительного
расширения.
3-4 – расширение по адиабате (pvк = const).
4-1 – отвод теплоты q2 в изохорном процессе
Отводимая теплота равна:
q2  Cv  T4  T1 
Термический КПД цикла равен:
 T4

 1
C v  T4  T1 
q2
1 T1  T1
p

t  1   1 
 1  

q1
C p  T3  T2 
K T2  T3
 T 1
 2

1
1 K 1
 1

K 
K 1

 1
 1
  1  K 1
  K    1
K
v
t
Из формулы следует, что КПД будет тем больше, чем
выше степень сжатия ε, и чем меньше степень сжатия
предварительного расширения ρ.
Цикл ДВС со смешанным подводом
тепла (цикл Тринклера)
Этот цикл характеризуется тем, что часть теплоты
подводится при постоянном объеме (v = const), а
другая часть при постоянном давлении (p = const).
Цикл ДВС со смешанным подводом тепла предложен
русским ученым Тринклером Г.В. и носит его имя.
Как и в цикле ДВС с изобарным подводом теплоты
(p = const) в цикле со смешанным подводом теплоты в
цилиндре сжимается воздух. Это позволяет повысить
степень сжатия до 14…20. Цикл ДВС со смешанным
подводом теплоты представлен
на диаграммах p - v и T - s.
1-2 – сжатие воздуха (топливовоздушной смеси в
карбюраторных двигателях)
1

- степень сжатия.
2
Точка 2 – начало впрыска топлива (у дизельных
двигателей) или воспламенение смеси (у
карбюраторных двигателей).
2-3 – подвод теплоты (сгорание топлива) при
постоянном объеме v2. Подведенная часть теплоты
равна:
q1  Cv  T3  T2
В точке 2 топливо самовоспламеняется (у дизельных
двигателей), или поджигается искрой (у карбюраторных
двигателей), и сгорает с повышением давления в
цилиндре от p2 до p3.
p3
  - степень повышения давления.

p2

3-4 – топливо продолжает поступать и сгорать (у
дизельных двигателей) или догорать (у карбюраторных
двигателей) с выделением теплоты q1:
4

3
q1  С p  T3  T2 
- степень предварительного расширения.
В точке 4 поступление топлива прекращается, оно
сгорает полностью и прекращается подвод теплоты.
4-5 – поршень продолжает движение к НМТ, но теперь
с увеличением объема давление резко падает.
5-4 – охлаждение газа в цилиндре (отвод отработанных
газов и всасывание новой порции воздуха или
топливовоздушной смеси) и понижение давления до p1
и температуры до T1.
Площадь 1-2-3-4-5 на p - v диаграмме представляет
собой полезную работу  0 , а на T - s диаграмме –
теплоту q0, затраченную на выполнение полезной
работы  0 .
Термический КПД в цикле ДВС со смешанным
подводом теплоты будет равен:
q2
q2
  1  1
q1
q1  q1
vp
t
После соответствующих преобразований получим:
K



1
vp
 t  1  K 1 

  K    1    1
1
Из этого выражения следует, что КПД цикла
повышается с повышением степени сжатия ε и степени
повышения давления λ. Увеличение степени
предварительного расширения ρ уменьшает КПД
цикла.
Сравнение циклов ДВС
Сравнение циклов необходимо проводить при
одинаковых максимальных и минимальных давлениях
и температурах.
Изобразим циклы на диаграммах p - v и T - s.
Из диаграмм следует, что наибольшая полезная
работа будет иметь место в цикле с изобарным
подводом теплоты и наименьшая при изохорном
подводе теплоты.
При смешанном подводе теплоты полезная работа
будет иметь место при смешанном подводе теплоты.
В теоретических расчетах не учитывается то, что
топливо сгорает не сразу. Для этого необходимо
время.
Учитывая это, в карбюраторных двигателях
топливовоздушная смесь поджигается электрической
искрой несколько раньше, чем поршень достигнет
верхней мертвой точки. Это позволяет при достижении
поршнем ВМТ сгореть части топлива, в результате чего
над поршнем повышается давление, а следовательно
сила давления на поршень при движении его к НМТ
будет максимальной, а КПД – наибольшим.
С этой же целью в дизельных двигателях топливо
впрыскивается несколько раньше, чем поршень
достигнет ВМТ. Поэтому в карбюраторных ДВС
тщательно регулируется момент зажигания, а в
дизельных – момент впрыска топлива.