1.4 Сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Степень совершенства любого термодинамического цикла определяется значением его термического КПД. При этом применяют два метода: первый заключается в сравнении площадей на Тs-диаграмме, а второй — в сравнении среднеинтегральных температур в процессах подвода и отвода теплоты в циклах.

Сравнение циклов с изохорным и изобарным подводом теп­лоты при разных степенях сжатия и при равенстве коли­честв отведенной теплоты и одинаковых максимальных тем­пературах Т_z. На рисунке 9 цикл с изохорным подводом теплоты изображен пл. ac^Ozb, цикл с изобарным подводом теплоты — пл. ac^Дzb. Максимальные температуры в точке z у них одинаковы.

Количество отведенной теплоты в обоих циклах, изображается пл. mabn. Так как подведенная теплота в цикле с изобарным подводом теплоты изображается большей площадью, чем подведенная теплота в цикле с изохорным подводом теплоты, т. е. пл. mc^Дzn > пл. mc^Ozn, то КПД цикла с изобарным подводом теплоты больше КПД цикла с изохорным подводом теплоты. [3] При этих условиях цикл Дизеля более экономичен. Также двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе.

Основным недостатком двигателей, работающих по циклу Дизеля, по сравнению с двигателями, работающими по циклу Отто, является необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность из-за более медленного сгорания топлива.

Рисунок 9 – Сравнение циклов ДВС

Среднеинтегральная температура для любого термодинамического процесса равна отно­шению количества теплоты, участвующей в процессе, к изменению эн­тропии рабочего тела. Для любого термодинамического процесса она зависит только от его начальной и конечной температур:

, .

(61) (62)

Выражая q₁ и q₂ из (61) и (62) термический КПД любого цикла ДВС можно определить следующим образом :

ηt = = 1 — ,

(63)

где Т_1СИ — среднеинтегральная температура процесса подвода тепло­ты,

Т_2СИ — среднеинтегральная температура процесса отвода теплоты.

Используя понятие среднеинтегральной температуры процесса можно произвести сравнение термодинамической эффективности циклов с изохорным и изобарным подводом теплоты.

При сравнении термодинамических циклов с разными степенями сжатия, но при одинаковой максимальной температуре циклов (рисунок 9) получаем, что температура Т_1СИ изобарного подвода теплоты больше, чем температура Т_1СИ изохорного подвода теплоты, а температура Т_2СИ изохорного процесса отвода теплоты в обоих циклах будет одина­ковой. [3] Отсюда следует, что

,

(64)

Аналогичным образом можно произвести сравнение значения η_t для цикла со смешанным сгоранием со значе­ниями η_t цикла Отто и цикла Дизеля, которое показывает, что при одинаковых степенях сжатия ε :

,

(65)

Рисунок 10 – Сравнение циклов ДВС при одинаковых степенях сжатия ε

Если сравнить эффективность двигателей при одинаковых наивысших температурах цикла (Т_z), то соотношение термических КПД:

.

(66)

Соотношение (66) наглядно иллюстрируется T,s-диаграммой (рисунок 11). Из рисунка видно, что все циклы имеют одинаковое количество отведённой теплоты q_2, равной площади mabnm, при наи­большем значении подведенного количества теплоты в цикле Дизеля (площадь mac^Дzbam), среднем значении подведенного количества теплоты в смешанном цикле (Тринклера, площадью mac^Тz’zbam) и наименьшем значении подведенного количества теплоты в цикле Отто (площадь mac^Ozbam). [1]

Рисунок 11 – Сравнение циклов ДВС при одинаковых наивысших температурах цикла (Т_z)

Учитывая, что разность (q₁-q₂) это полезная работа цикла l_Ц, делаем вывод что наибольшая работа цикла в цикле Дизеля, средняя по значению в цикле Тринклера и наименьшая в цикле Отто. Результаты приведенного анализа эффективности термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания справедливы лишь для идеа­льных циклов без учета необратимости и других факторов. В реальных циклах рабочее тело (в первых двух тактах — это воздух в цикле Дизеля и в цикле со смешанным сгоранием или горючая смесь в цикле Отто, в последующих тактах — это смесь воздуха и продуктов сгорания) по своим свойствам отличается от идеального газа с постоянной теплоемкостью; вследствие неизбежного трения процессы адиабатного сжатия и расширения происходят не по изоэнтропе, а с ростом энтропии; при­нудительное охлаждение стенок цилиндра еще больше увеличивает от­клонение этих процессов от изоэнтропных; сгорание происходит за ма­лые, но все же конечные промежутки времени, в течение которых пор­шень успевает несколько переместиться, так что условие изохорности процесса сгорания выполняется не совсем строго; имеют место механи­ческие потери в механизме и т. д. Это же относится к процессу выхлопа при открывании выхлопного клапана.

Поэтому для перехода от идеальных термодинамических циклов, исследованных выше, к реальным циклам необходимо вводить внутренний относительный КПД двигателя, который определяется эксперименталь­но при испытании последнего. [1]