Циклы двигателей внутреннего сгорания

Циклом или круговым процессом называют совокупность термодинамических процессов, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Работа кругового процесса изображается в диаграмме площадью, заключенной внутри замкнутого контура цикла. В результате осуществления прямого цикла (направление по часовой стрелке) совершается положительная работа. При обратном цикле (против часовой стрелки) работа считается отрицательной. Прямой цикл характерен для тепловых двигателей , обратный - для холодильных установок .

Если обозначить через и соответственно количество подведенной и отведенной от рабочего тела теплоты, то полезно использованная в цикле теплота находится по формуле:

Это количество теплоты в диаграмме изображается площадью, заключенной внутри замкнутого цикла. Эта же площадь представляет собой и величину работы за один цикл. Степень совершенства процесса превращения теплоты в работу в круговых процессах характеризуется термическим к.п.д.

Рис. 2 Рис. 3

В поршневых ДВС рабочим телом являются смесь воздуха и горючих газов или паров жидкости топлива (на начальном участке цикла) и газообразные продукты сгорания (на остальных участках цикла). Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания), с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто). Идеализированный рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей (двигателей быстрого сгорания) при (при условии, что он осуществляет 1 кг рабочего тела) изображается на и диаграммах.

Рис. 4 Рис. 5

Действительный разомкнутый цикл состоит из процессов: о-а - всасывание; a-b - сжатие рабочей смеси; b-c - горение топлива, воспламененного от электрической искры, и подвод теплоты; c-d - рабочий ход, осуществляемый при расширении продуктов сгорания; d-e-o - отвод теплоты, соответствующий в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных - выхлопу и продувке цилиндра.

На диаграммах: 1-2 - адиабатное сжатие рабочего тела; 2-3 - изохорный подвод теплоты; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 - условный изохорный процесс отвода теплоты, эквивалентный выпуску отработанных газов.

Задаваемые параметры цикла Отто:

- степень сжатия (отношение всего объема цилиндра к объему камеры сжатия);

- степень повышения давления (температуры) при подводе теплоты;

- начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа, теплоемкость которого считается постоянной, будут следующими:

в точке 1: , , ;

в точке 2: , , ;

в точке 3: , , ;

в точке 4: , ,

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

; ;

Термический к.п.д. цикла находят по формуле

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия и с ее увеличением возрастает. Практически повышение степени сжатия ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси и детонационной стойкостью топлива. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля). В отличие от цикла Отто, в ДВС с подводом теплоты при сжимается не горючая смесь, а воздух, и затем, с получением высоких давления и температуры, обеспечивается самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении.

Рис. 6 Рис. 7

Идеализированный цикл такого ДВС осуществляется следующим образом: рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2; изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.е. подводу теплоты; рабочий ход выражен адиабатным расширением продуктов сгорания 3-4; изохора 4-1 характеризует отвод теплоты, заменяя для четырехтактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и всасывание новой порции воздуха, а для двухтактных - выхлоп и продувку цилиндра.

Задаваемый параметры цикла Дизеля:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения при подводе теплоты;

- начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

в точке 1: , , ;

в точке 2: , , ;

в точке 3: , , ;

в точке 4: , , .

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

; ;

Термический к.п.д. цикла дизеля находится по формуле

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Дизеля, зависит: от степени сжатия , с увеличением которой к.п.д. возрастает; степени предварительного расширения , с увеличением которой к.п.д. уменьшается. нижний предел определен необходимостью получения в конце сжатия температуры, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива . Верхний предел ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увеличению потерь на трение. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 20.

Цикл ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера). В ДВС со смешанным подводом теплоты сочетаются преимущества как цикла Отто, так и цикла Дизеля. В таком дизеле распыл топлива производится топливным насосом высокого давления, а компрессор, применяемый при пневматическом распыле топлива, отсутствует. Идеализированный цикл такого ДВС осуществляется по следующей схеме: адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива; изохора 2-3 соответствует процессу горения топлива, вспрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки; расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5; изохора 5-1 соответствует выхлопу отработанных газов в атмосферу.

Рис. 8 Рис. 9

Задаваемые параметры цикла Тринклера:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения;

- степень повышения давления;

- начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяется следующими зависимостями:

в точке 1: , , ;

в точке 2: , , ;

в точке 3: , , ;

в точке 4: , , ;

в точке 5: , , .

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

;

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Тринклера, как и термический к.п.д. двигателей, работающих по циклам Отто и Дизеля, возрастает с увеличением степени сжатия и, кроме того, зависит от и . Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 18.

Функции состояния рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

;

где - температура и давление при нормальных физических условиях (н.у.); - универсальная газовая постоянная воздуха.

Задание. Рассчитать идеальный цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты. Рабочее тело-воздух.

Исходные данные:

Начальное давление = 0,100 МПа.

Начальная температура = 293 К.

Степень сжатия =15,5

Степень повышения давления = 2,5

Степень предварительного расширения = 1,7

Определить:

Значения параметров и функций состояния воздуха () для характерных точек цикла;

Для каждого из процессов значения изменение внутренней энергии , изменение энтальпии , изменение энтропии , теплоту процесса и работу процесса ;

Суммарные количества теплоты подведенной и отведенной , работу цикла , термический к.п.д. цикла ;

Построить цикл в координатах и , нанеся основные точки цикла и координаты трех промежуточных точек, составляющих его процессов.

Решение:

При расчетах считаем воздух идеальным газом, а его свойства - не зависящими от температуры. Принимаем: = 287 ; = 1,4; = 1,005 ; = 0,718 . Расчет ведется для одного килограмма воздуха.

. Расчет параметров и функций состояния в точках цикла:

Точка 1

= 0,100 МПа, = 293 К,

Точка 2

МПа,

К,

Точка 3

МПа,

К,

Точка 4

МПа,

К,

Точка 5

МПа,

К,

. Удельное количество подведенной теплоты:

. Удельное количество отведенной теплоты:

Удельная работа цикла

. Термический к.п.д. цикла:

или

Результаты расчета занесем в таблицу.

Процессы
1-2	418,644	585,98			-418,644
2-3-4	2044,309	2861,468	1,191	2484,315	440,006
4-5	-1568,746	-2195,807			1568,746
5-1	-894,207	-1251,641	1,191	-894,207
Сумма				1590,108	1590,108

Для построения диаграммы цикла в координатах определяем координаты трех промежуточных точек для каждого из процессов 1-2 и 4-5, используя зависимости между параметрами состояния:

; .

Результаты расчета координат промежуточных точек процессов 1-2 и 4-5

Точка	, , МПа
0,6000,160
0,4000,283
0,2000,747
0,1505,876
0,3002,227
0,5001,089

Для построения диаграммы цикла в координатах определяем координаты трех промежуточных точек для каждого из процессов 2-3, 2-4 и 5-1, используя зависимости между параметрами и функциями состояния: