Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

При анализе термодинамических циклов делаются следующие допущения:

1. химический состав и количество рабочего тела – постоянны;

2. процесс горения топлива заменен обратимым процессом подведения теплоты;

3. выпуск продуктов сгорания заменен обратимым процессом отведения теплоты в окружающую среду;

4. температура рабочего тела не зависит от температуры окружающей среды;

5. рабочее тело находится в равновесии с источником теплоты и охладителем (окружающей средой).

Основные циклы ДВС:

• со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении (цикл Сабатэ) – отражает процесс дизеля без компрессора, который наиболее близок к реальным условиям сгорания топлива;

• с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) – отражает процесс тихоходного дизеля;

• с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл отто) – отражает процесс двигателя быстрого сгорания (карбюраторного и газового).

Теоретические циклы, давая максимально возможное превращение теплоты в работу при приведенных выше условиях, схематизируют действительные явления и позволяют изучать эти явления, отмечая главные факторы, которые влияют на экономику этих явлений.

Цикл со смешанным (комбинированным) подводом теплоты (рисунок 1)

смешанный цикл, в котором подвод теплоты осуществляется частично при v = const, а частично при р = const был предложен советским инженером Г.В. Тринклером. Работающие по этому циклу двигатели называются без компрессорными дизелями. в настоящее время дизели строятся только с комбинированным подводом тепла.

По этой схеме цикла ДВС работают с внутренним смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси.

Рисунок 1– Смешанный цикл ДВС в pv и Ts координатах

В этом виде цикла (рисунок 1) в процессе 1-2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела, после чего подводится теплота сначала при v =const (линия 2-3), а затем при р = const (линия 3-4). Далее происходит адиабатное расширение (линия 4-5) и, наконец, отвод теплоты при v =const (линия 5-1).

Процессы всасывания (линия 0-1) и выхлопа (линия 1-0) в термодинамике не рассматриваются, так как это механические процессы.

Характеристики цикла:

• степень сжатия ; (1)

• степень повышения давления при сгорании топлива

; (2)

• степень предварительного расширения при р = const

. (3)

Термический кпд цикла (см. прямой цикл Карно – )

; (4)

и ; (5)

термический КПД: , если поделить числитель и знаменатель на на с_v, то получим:

. (6)

Выразим T₂, T₃, T₄, T₅ через T₁.

Рассмотрим процессы.

1-2 – процесс адиабатического сжатия:

T₂ = T₁ε ^{k – 1}. (7)

2-3 – процесс нагрева при ν = const:

;

T₃ = T₂λ;

T₃ =T₁ε ^{k – 1}λ. (8)

3-4 – процесс нагрева при р= const:

;

T₄ = T₃ρ;

T₄ = T₁ε ^{k – 1}λρ; (9)

4-5 – процесс адиабатического расширения: ,

v₅ = v₁, а v₄ = v₂, тогда .

. (10)

Подставив в формулу (6) t₂,t₃,t₄, T₅ через t₁ из формул (7), (8), (9), (10) получим:

. (11)

из уравнения (11) видно, что η_t растет с увеличением ε и k.

Таблица 1 – Значения р₂ и T₂ при различных значениях ε

k	ε	8	9	12	13	14	15	16	17
1,30	p2	13,42	15,70	22,70	25,20	27,80	30,30	33,00	35,80
	T2	708	734	801	822	840	856	873	889
1,35	p2	14,90	17,50	25,70	28,80	31,80	34,90	38,20	41,40
	T2	795	850	901	932	956	980	1 004	1 020

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

в таких двигателях топливо распыляется сжатым воздухом.

если сжимать один воздух, а топливо вводить в цилиндр после сжатия, то степень сжатия может быть значительно большей. Такая схема применяется в дизель-моторах, и была предложена инженером Дизелем в 1897 г.

в цикле с подводом тепла при р = const первоначальное состояние рабочего тела в pv-координатах характеризуется точкой 1 (рисунок 2).

В течение первого хода справа налево совершается сжатие воздуха, которое происходит без теплообмена с внешней средой (линия 1-2). На участке 2-3 к рабочему телу подводится тепло q₁ таким образом, что давление при этом остается постоянным (так как увеличивается объем), что приближенно соответствует реальным условиям сгорания трудно сгораемого топлива.

Дальнейшее расширение рабочего тела (линия 3-4) происходит без теплообмена с внешней средой (по адиабате). Для приведения рабочего тела в первоначальное состояние 1, от него отводится тепло q₂ при v =const (линия 4-1).

Рисунок 2 – Цикл ДВС в pv и Ts- координатах с подводом тепла при р = const

Теоретический цикл – (1-2-3-4). процессами 0-1 (процесс всасывания) и 1- 0 (процесс выхлопа) – пренебрегают, считая, что в цилиндре находится

постоянное количество газа (механические процессы).

В рассматриваемом цикле степень повышения давления при сгорании топлива .

Основные величины этого цикла:

• степень сжатия ;

• степень изобарного (предварительного) расширения

(12)

Тогда подставив в уравнение (173) λ = 1 в η_t цикла с комбинированным подводом теплоты получим:

. (13)

Выводы:

1. термический КПД двигателя Дизеля зависит от степени предварительного расширения ρ и с увеличением  уменьшается экономичность цикла;

2. с увеличением степени сжатия ε увеличивается термический КПД цикла.

Таблица 2– Значения термического КПД цикла Дизеля при различных значениях и k = 1,35

	ε	10	12	14	16	18
ρ = 1,5	ηt	0,52	0,54	0,57	0,59	0,61
ρ = 2,1	ηt	0,49	0,52	0,55	0,57	0,58
ρ = 2,5	ηt	0,46	0,49	0,52	0,54	0,56

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме