Существующие циклы двигателей внутреннего сгорания

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

.                            (13)

Выводы:

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

1) с увеличением степени сжатия ε увеличивается термический КПД цикла.

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

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

Это двигатели с внешним смесеобразованием (бензиновые и газовые).

Цикл с подводом тепла при v = const начинается от состояния рабочего тела в pv и Ts-координатах (рисунок 3), характеризующего точкой 1, сжатием рабочего тела, которое происходит при движении поршня справа налево (сверху вниз) до точки 2 этот процесс происходит без теплообмена с внешней средой, то есть по адиабате. Затем осуществляется подвод теплоты при постоянном объеме – по изохоре 2-3, что приближенно соответствует условию подвода тепла при сгорании горючей смеси в реальных двигателях, использующих легкоиспаряющеесятопливо.

Рисунок 3 – изображение цикла в pν и Ts диаграммах при v = const

От состояния, характеризуемое точкой 3, начинется процесс расширения рабочего тела при отсутствии теплообмена с окружающей средой, то есть по адиабате 3-4. Поршень при этом придет в первоначальное положение. Для того, чтобы рабочее тело пришло в первоначальное состояние, от него отводится теплота (процесс 4-1).

Процессы всасывания и выхлопа в термодинамическое не рассматриваются по тем же соображениям, что и в цикле Дизеля

В рассматриваемом цикле степень предварительного расширенияпри сгорании топлива .

Основные величины этого цикла:

· степень сжатия               ;

· степень повышения давления при сгорании топлива

 ( ).                                                   (14)

Тогда подставив в уравнение (176) r = 1 получим:

.

.                                    (15)

Выводы:

· термический КПД двигателя Отто не зависит от нагрузки, так как в формулу (15) не входит степень повышения давления «λ» при сгорании топлива;

· с увеличением степени сжатия «ε» теплота в цикле используется более совершененно, но в двигателях быстрого сгорания этому увеличению есть предел – температура самовоспламенения горючего, так как может случиться преждевременная вспышка.

При одинаковых степенях сжатия цикл Отто – экономичнее цикла Дизеля, так как ; , причем при обычных значениях ρ и k: > 1 и, следовательно, η_{t Отто} > η_{t Дизель}, так как в цикле Дизеля принимаются более высокие степени сжатия.

Таблица 3 – Значения термического КПД цикла Отто при различных значениях ε и k

Сравнивая все три вида циклов при одинаковой степени сжатия                  (ε_v = ε_vp = ε_p) их термодинамические КПД находятся в следующем соотношении: η_tv > η_tvp > η_tp. Однако, учитывая то обстоятельство, что все виды циклов в реальных двигателях работают при разных степенях сжатия                                           (ε_v = 6…10; ε_vp = 14…16), то сравнивать термодинамические КПД следует не при одинаковых степенях сжатия ε, а при одинаковых условиях их осуществления, то есть при одинаковых максимальных давлениях и температурах. В этих условиях η_{t р} > η_{t vp} > η_{t v}.

Реальные процессы ДВС

Рабочий процесс реального двигателя внутреннего сгорания принципиально отличается от теоретического цикла идеального двигателя.

Идеальный цикл – замкнутый круговой процесс, составленный из отдельных термодинамических процессов.

Рабочий цикл не замкнут – после совершения работы, в результате расширения, рабочее тело удаляется из двигателя, а на его место поступает свежая порция горючей смеси. Процессы всасывания и выхлопа рабочего тела не являются термодинамическими процессами.

в реальном двигателе рабочий процесс теплового двигателя – совокупность отдельных процессов, протекающих последовательно за два или один полный оборот коленчатого вала.

Рабочий процесс графически представляется индикаторной диаграммой, то есть линией изменения давления внутри цилиндра при перемещении поршня (рисунок 4).

Четырехтактный двигатель. Первый такт (впуска) поршень в близи к ЛМТ (точка 1^| на рисунке 40а). камера сгорания заполнена продуктами сгорания. При перемещении поршня к ПМТ (точки 6-6^|-1) распределительный механизм открывает впускные клапаны. предпоршневое пространство сообщается с выпускной системой, цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). Вследствие сопротивления впускной системы давление в цилиндре в конце впуска давление меньше, чем на выпуске (точка 1).

Второй такт сжатия поступившего свежего заряда (процесс 1-2) происходит при перемещении поршня к ЛМТ. Давление и температура в цилиндре при этом повышаются, при некотором перемещении поршня от ПМТ давление в цилиндре, и становится равным с давлением в точке 1^||. До этого момента впускные клапаны остаются открытыми (запаздывание закрытия клапанов) – для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом.

После закрытия клапанов при дальнейшем перемещении поршня к ЛМТ давление и температура при сжатии повышаются (процесс 2-3) и зависят от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от значения давления и температуры в точке 1 (в начале сжатия).

Третий такт – сгорание и расширение (процессы 2-3 и 3-4), то есть при ходе поршня от ЛМТ к ПМТ. Происходит интенсивное сгорание топлива и выделение теплоты, вследствие чего давление и температура в цилиндре резко повышается с некоторым увеличением внутрицилиндрового объема. Под действием давления происходит перемещение поршня к ПМТ и расширение газов (процесс 4-5^|-5). При расширении газы совершают полезную работу, поэтому этот такт называется рабочим ходом.

Во время четвертого такта – такта выпуска осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания (процесс 5-1^|-6^|-6). Поршень перемещается от ПМТ к ЛМТ и вытесняет газы через открытые выпускные клапаны, которые открываются несколько раньше, чем поршень достигнет положения ЛМТ – для улучшения выпуска продуктов сгорания.

После завершения выпуска все такты повторяются.

а – четырехтактного; б – двухтактного;

I – поршень; II – цилиндр

Рисунок 4 – Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя

Двухтактный двигатель. Цикл совершается (рисунок 4б) за один оборот коленчатого вала, то есть в два раза чаще, чем в четырехтактном двигателе при одинаковой частоте вращения вала. Это объясняется тем, что очистка цилиндра в нем от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом происходит только при движении поршня в близи ПМТ. Очистка цилиндра осуществляется предварительно сжатым воздухом до определенного давления или горючей смесью. Предварительное сжатие происходит в специальном компрессоре или в небольших двигателях используется внутренняя полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.

Первый тактсоответствует ходу поршня от ЛМТ к ПМТ. В цилиндре только что произошло сгорание топлива (процесс 2-3 и 3-4) и начался процесс 4-5 расширения газов – рабочий ход. Выпускные клапаны открываются несколько раньше момента прихода поршня прихода к выпускным окнам, и продукты сгорания вытекают из цилиндра в выпускной патрубок. Давление в цилиндре резко падает (процесс 5-6). Когда давление становится примерно равным в ресивере или немного ниже его, поршень открывает впускные окна. Воздух, предварительно сжатый, поступает через впускные окна в цилиндр, вытесняя из него продукты сгорания, и вместе с ними попадает в выпускной патрубок (процесс 6-7).

Второй тактсоответствует ходу поршня от ПМТ к ЛМТ (процесс 8-1-2). В начале хода поршня продолжается процесс газообмена. Его конец (точка 1) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. С момента окончания процесса газообмена начинается сжатие воздуха. При движении поршня в близи ЛМТ (точка 2) в цилиндр через форсунку подается топливо. Подача заканчивается во время процесса сгорания топлива. 

пример решения

Таблица 1 – Исходные данные

степень сжатия ;

степень повышения давления ;

степень предварительного расширения .

расчет цикла

1. Изобразим цикл  в pv и Ts координатах

0-1– линия всасывания; 1-2 и 4-5 – адиабаты; 2-3 и 5-1 – изохоры;

3-4 – изобара; 1- 0 – линия всасывания (выхлопа)

2.1 определение неизвестных параметров в узловых точек

точка 1

Дано: р₁ = 0,085 Мпа = 0,085·10 ⁶ па; Т₁ = 320 К.

уравнение состояния для 1 кг:            рv = RТ,                                  (1)

где р – давление, Па; v – удельный объем, м³/кг; R – газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг·К); Т – температура, К.

Отсюда                  м³/кг.

точка 2

Дано: ε = 20. процесс 1-2 – адиабатическое сжатие.

степень сжатия                 ,                                                        (2)

Отсюда .           м³/кг.

уравнение адиабаты:

рv ^к = соnst,                                                     (3)

где к – показатель адиабаты, к = с_р/с_v = 1009/721 = 1,4.

Отсюда                         р₁v ₁ ^1,4 = р₂v ₂ ^1,4 ,

тогда 5,634 МПА.

Из уравнения (1) относительно точки 2:

1 060 К.

точка 3

Дано: степень повышения давления λ = 1,3. процесс 2-3 – изохорное повышение давления, тогда v₃ = v₂ = 0,054 м³/кг.

Степень повышения давления        ,                                        (4)

тогда р₃ = λ р₂;     р₃ = 1,3 · 5,634 = 7,325 Мпа.

Из уравнения (1) относительно точки 3:

1 378 К.

точка 4

Дано: степень предварительного расширения r = 1,6.

Процесс 3-4 – изобарное расширение, отсюда р₄ = р₃ = 7,325 МПа.

степень предварительного расширения                                     (5)

тогда v₄ = ρv₃.           v₄ = 1,6·0,054 = 0,0864 м ³/кг.

Из уравнения состояния (1) относительно точки 4: , тогда

К.

точка 5

Дано: процесс 5-1 – изохорный отвод теплоты, тогда v₅ = v₁ = 1,08 м³/кг.

процесс 4-5 – адиабатное расширение, , отсюда   тогда 0,213 МПа.

Из уравнения (1) относительно точки 5:     

, К.

2.2 определение изменения удельной энтропии ∆s, кдж/(кг·K)

Процесс 1-2 – адиабатный: ∆s_1-2 = 0. 

Процесс 2-3 – изохорный:

кДж/(кг·К);

Процесс 3-4 – изобарный:

 кДж/кг.

Процесс 4-5 – адиабатный: ∆s_4-5 = 0.

Процесс 5-1 – изохорный:

 кДж/кг.

2.3 определение удельной работы, ℓ, Дж/кг

в процессе адиабатного сжатия 1-2:                       (7)