Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

Общие теоретические сведения

Термин «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС) говорит о том, что процесс сгорания топлива происходит внутри цилиндра двигателя. Этот процесс подвода тепла посредством сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя позволяет поднять верхнюю температуру цикла. Тем самым, при большем температурном перепаде, как следует из анализа прямого цикла Карно, увеличивается термический КПД цикла.

Рабочим телом в ДВС являются – смесь воздуха с топливом и продукты сгорания топлива. может быть использовано твердое, жидкое и газообразное топливо.

Классификация

Преобразование тепловой энергии в механическую энергию в ДВС осуществляется посредством передачи работы расширения продуктов сгорания через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя.

Они классифицируются по следующим признакам:

1) по способу осуществления рабочего цикла:

·  4-хтактные (последовательность явлений происходит в 4 хода поршня или 2 оборота вала);

·  2-хтактные (двигатели, у которых отсутствуют такты всасывания и выхлопа и рабочий процесс совершается за два хода поршня или одного оборота вала);

2) по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси:

·  с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия рабочего тела (дизели без компрессорные и компрессорные);

·  с внешним смесеобразованием и воспламенением топлива от искры (карбюраторные, газовые);

3) по роду топлива:

·  ДВС, работающие на газообразном топливе;

·  ДВС, работающие на жидком топливе;

4) по назначению:

·  стационарные;

·  передвижные;

·  автотракторные;

·  авиационные;

·  судовые;

·  для ж/д транспорта и т. д.;

5)  по конструктивному исполнению:

·  с вертикальным расположением цилиндров;

·  с горизонтальным расположением цилиндров;

·  с расположением цилиндров под углом (V-образные, W — образные, звездообразные, с аппозитивным расположением цилиндров).

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 сv, 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 – 1λ. (8)

3-4 – процесс нагрева при р= const:

;

T4 = T3ρ;

T4 = T1ε k – 1λρ; (9)

4-5 – процесс адиабатического расширения: ,

v5 = v1, а v4 = rv2, тогда .