Тема 8. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания и ГТ КЛАССИФИКАЦИЯ ДВС 8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДВС Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы: Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы: 1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто). 1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто). 2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля). 2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля). 3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const, так и при р=const (цикл Тринклера). 3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const, так и при р=const (цикл Тринклера). При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся; количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла. При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся; количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла.

8.2. ЦИКЛЫ ДВС С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ 8.2. ЦИКЛЫ ДВС С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора – индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора – индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис Рис Рис В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. Поэтому рассмотренные двигатели называются четырехтактными. В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. Поэтому рассмотренные двигатели называются четырехтактными. Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым, и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня и проч. Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым, и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня и проч.

Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: - рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью; - рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью; - количество рабочего тела постоянно; - количество рабочего тела постоянно; - между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; - между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; - подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты. - подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты. Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv – координатах представлен на рис Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv – координатах представлен на рис Рис Рис. 8.2.

Характеристиками цикла являются: e = v1/v2 – степень сжатия; l = р 3/p2 – степень повышения давления. Характеристиками цикла являются: e = v1/v2 – степень сжатия; l = р 3/p2 – степень повышения давления. Количество подведенной и отведенной теплот определяется по формулам Количество подведенной и отведенной теплот определяется по формулам Подставляя эти значения теплот в формулу для термического кпд, получим Подставляя эти значения теплот в формулу для термического кпд, получим. Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла. Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла. Точка 2.,,. Точка 2.,,. Точка 3. ; ;. Точка 3. ; ;. Отсюда. Отсюда. Точка 4. ; ; Точка 4. ; ;

.. С учетом найденных значений температур формула для кпд примет С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид.(8.1) Из последнего соотношения следует, что вид.(8.1) Из последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия e и показателя адиабаты k. термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия e и показателя адиабаты k. Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. Поэтому рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9. Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. Поэтому рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9. Работа цикла определяется по формуле. Работа цикла определяется по формуле. Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры. Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.

8.3. ЦИКЛЫ ДВС С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо – нефть, мазут, смолы и проч. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо – нефть, мазут, смолы и проч. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до e = 20), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до e = 20), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении в pv– диаграмме (рис. 8.3). Рассмотрим идеальный цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении в pv– диаграмме (рис. 8.3). Рис Рис Характеристиками цикла являются: - степень сжатия; Характеристиками цикла являются: - степень сжатия; - степень предварительного расширения. - степень предварительного расширения. Количество подведенной и отведенной теплот определяются по формулам Количество подведенной и отведенной теплот определяются по формулам

Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей сp и cv и их отношения k=cp/cv будет Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей сp и cv и их отношения k=cp/cv будет. Параметры рабочего тела в характерных точках цикла. Параметры рабочего тела в характерных точках цикла. Точка 2. ; ;. Точка 2. ; ;. Точка 3. ; ;. Точка 3. ; ;. Отсюда. Отсюда. Точка 4. ; ; Точка 4. ; ;. Подставляя полученные значения температур в формулу для кпд, получим Подставляя полученные значения температур в формулу для кпд, получим.(8.2).(8.2)

Отсюда следует, что с увеличением e и k кпд увеличивается, а с увеличением r – уменьшается. Отсюда следует, что с увеличением e и k кпд увеличивается, а с увеличением r – уменьшается. Работа цикла определяется по формуле Работа цикла определяется по формуле.. Сравнения кпд циклов ДВС с подводом теплоты при р = const и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных e показывают, что. Сравнения кпд циклов ДВС с подводом теплоты при р = const и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных e показывают, что. При этом степень сжатия e в цикле с подводом теплоты при р = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при v = const. При этом степень сжатия e в цикле с подводом теплоты при р = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при v = const.

8.4. ЦИКЛЫ ДВС СО СМЕШАННЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ЦИКЛЫ ДВС СО СМЕШАННЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ. Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается (6 – 10)% от обшей мощности двигателя. С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. На рис. 9.4 представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv – координатах. Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается (6 – 10)% от обшей мощности двигателя. С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. На рис. 9.4 представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv – координатах. Рис Рис. 8.4.

Характеристиками цикла являются: Характеристиками цикла являются: степень сжатия ; степень повышения давления ; степень сжатия ; степень повышения давления ; степень предварительного расширения. степень предварительного расширения. Количества подведенной и отведенной q2 теплот определяются по формулам: Количества подведенной и отведенной q2 теплот определяются по формулам: Термический кпд цикла будет. Термический кпд цикла будет. Найдем параметры рабочего тела в характерных точках цикла. Найдем параметры рабочего тела в характерных точках цикла. Точка 2. ; ;. Точка 2. ; ;. Точка 3. ; ;. Точка 3. ; ;. Отсюда. Отсюда.

Точка 4. ; ;. Точка 4. ; ;. Отсюда. Отсюда. Точка 5. ; ; Точка 5. ; ;. Подставив найденные значения температур в формулу для кпд, будем иметь Подставив найденные значения температур в формулу для кпд, будем иметь.(8.3).(8.3) Отсюда следует, что с увеличением k, e и l кпд цикла возрастает, а с увеличением r уменьшается. Отсюда следует, что с увеличением k, e и l кпд цикла возрастает, а с увеличением r уменьшается.