Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
ДВС - тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую энергию.
Классификация:
1) по роду топлива:
- жидкостные;
- газовые;
2) по виду преобразования энергии:
- поршневые;
- турбинные;
- реактивные;
- комбинированные;
3) по рабочему циклу:
- непрерывного действия;
- двухтактные;
- четырехтактные;
4) по способу приготовления рабочей смеси:
- с внешним смесеобразованием (карбюраторные);
- с внутренним смесеобразованием (дизельные);
Все современные поршневые ДВС делятся на три группы:
- с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме;
- с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении;
- со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении.
Основными характеристиками цикла ДВС являются:
1) степень сжатия - отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия:
2) степень повышения давления - отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты:
3) степень предварительного (изобарного) расширения - отношение объемов в конце и начале изобарного процесса подвода теплоты:
4) термический КПД - отношение количества теплоты, превращенного в работу за один цикл, ко всей теплоте, подведенной к рабочему телу:
Принцип действия четырехтактного поршневого двигателя:
Наглядно можно проследить на индикаторной диаграмме, снятой с помощью специального прибора - индикатора.
При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) вниз при открытом впускном клапане совершается такт всасывания I. В нижней мертвой точке (НМТ) впускной клапан закрывается, и поршень перемещается вверх, совершая такт сжатия II. Вблизи ВМТ топливо воспламеняется, и давление резко увеличивается. После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт) III. Вблизи НМТ открывается выпускной клапан, давление падает, и при движении поршня от НМТ к ВМТ отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа - IV).
Индикаторная диаграмма показывает работу реального двигателя. В действительности термодинамика рассматривает не реальные процессы, а идеальные обратимые циклы, поэтому в термодинамических циклах поршневых ДВС такты впуска и выпуска (I и IV) не рассматриваются (основные параметры не меняются, а изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре).
Теоретические циклы поршневых ДВС
1) Цикл с изохорным подводом теплоты (υ = const) - цикл Отто
Топливо: бензин, генераторный газ, спирты.
Состоит из двух адиабат и двух изохор.
1 - 2 - адиабатное сжатие;
2 - 3 - изохорный подвод теплоты;
3 - 4 - адиабатное расширение;
4 - 1 - изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень сжатия:
Степень повышения давления:
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Работа цикла:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. С увеличением показателя адиабаты и степени сжатия КПД увеличивается.
Однако максимальная степень сжатия для двигателей с циклом Отто составляет 9 - 10 и ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси.
Достоинство цикла: массогабаритный показатель.
2) Цикл с изобарным подводом теплоты (р = const) - цикл Дизеля
Топливо: нефть, мазут.
Отличие от цикла Отто: воздух и топливо подаются в цилиндр раздельно. Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а затем впрыскивается топливо (с помощью компрессора).
Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры.
1 - 2 - адиабатное сжатие;
2 - 3 - изобарный подвод теплоты;
3 - 4 - адиабатное расширение;
4 - 1 - изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень сжатия:
Степень предварительного расширения:
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Работа цикла:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от степени сжатия, рода рабочего тела, степени предварительного расширения. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты КПД растет, с увеличением степени предварительного расширения КПД снижается.
Максимальная степень сжатия (воздуха, а не топливовоздушной смеси, как в цикле Отто) составляет 18 - 20. Поэтому КПД цикла Дизеля больше. Однако, при одинаковых степенях сжатия в цикле Отто КПД больше, чем в цикле Дизеля.
При одинаковой отведенной теплоте подведенная теплота в цикле Отто (2 - 3) при υ = const больше, чем при р = const (2 – 3’) в цикле Дизеля (максимальная температура горения Т3 > Т’3)
Недостаток: усложнение конструкции из-за компрессора, увеличение веса.
3) Цикл со смешанным подводом теплоты (р, υ = const) - цикл Тринклера
Отличие от циклов Отто и Дизеля: бескомпрессорный двигатель высокого сжатия.
Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в цилиндр в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо воспламеняется и горит в течение всего времени, пока открыта форсунка: в начале при υ = const, а затем р = const.
Состоит из двух адиабат, изобары и двух изохор.
1 - 2 - адиабатное сжатие;
2 - 3’ - изохорный подвод теплоты;
3’ - 3 - изобарный подвод теплоты;
3 - 4 - адиабатное расширение;
4 - 1 - изохорный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень сжатия:
; 
Степень повышения давления:
; 
Степень предварительного расширения:
; 
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от рабочего тела, от степеней сжатия, повышения давления и предварительного расширения. С увеличением показателя адиабаты, степени сжатия и степени повышения давления КПД растет, а с увеличением степени предварительного расширения КПД падает.