Циклы двигателей внутреннего сгорания

Термодинамические циклы тепловых двигателей имеют следующие особенности:

• все процессы являются обратимыми и протекают с одним и тем же количеством рабочего тела;

• химический состав рабочего тела постоянен;

• процессы сжатия и расширения рабочего тела являются адиабатными;

• подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от горячего источника;

• теплота от рабочего тела передается к холодному источнику;

• теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры;

• рабочее тело - идеальный газ.

Характеристиками термодинамических циклов тепловых двигателей являются:

• степень сжатия; ε =

• степень повышения давления λ = р₃/p₂;

• степень предварительного расширения ρ = ;

• соотношение давлений сжатия π = р₂/р₁.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых подвод теплоты осуществляется сжигания топлива в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень.

Термодинамический цикл Отто

Термодинамического цикла Отто (рис. 1.4) осуществляется следующим образом: топливно-воздушная смесь сжимается адиабатически (линия 1-2); в изохорическом процессе осуществляется подвод тепла q₁ при сгорании топлива (линия 2-3); осуществляется адиабатическое расши­рение (линия 3-4), и отвод тепла q₂ в изохорическом про­цессе (линия 4-1).

Рис. 1.4 . Цикл Отто в координатах p-v и T-s

Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты l_ц = и численно равна площади (1-2-3-4-1). Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чем выше степень сжатия, тем выше КПД цикла. Действительно, если в цикле Отто сжатие вести до точки (2'), а подвод теплоты - по изохоре (2'–3'), то цикл 1-2'-3'-4 будет иметь большую степень сжатия. При этом увеличивается количество теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле q₁, при неизменном значении количества теплоты, отводимой от рабочего тела в цикле q₂, что приведет к росту работы цикла, а, следовательно, и термического КПД цикла.

В соответствии с теорией кругового процесса термичес­кий коэффициент полезного действия цикла Отто определяет­ся по формуле:

(1.20)

Термический КПД цикла Отто возрастает с увеличе­нием степени сжатия и показателя адиабаты.

Итак, с точки зрения увеличения термического КПД выгодно всячески увеличи­вать степень сжатия. Однако практически осуществить сжатие до слишком высоких значений степени сжатия ( >12), сопровождающееся значи­тельным повышением температуры и давления, не удается по той причине, что по достижении определенного значения, часто еще до прихода поршня в крайнее положение (в. м. т.), происходит само­воспламенение горючей смеси.

Как правило, этот процесс носит детонационный характер и разрушает элементы двигателя.

Термодинамический цикл Дизеля

Степень сжатия можно значительно увеличить, если в цилиндре двигателя сжимать не топливоздушную смесь, а чистый воздух, а необходимое количество топлива вводить в цилиндр в конце процесса сжатия, когда температура воздуха становится уже достаточно высокой ( 500 – 600 ºС), обеспечивая самовоспламенение впрыскиваемого топлива, исключая необходимость иметь запальное устройство. Такой идеализированный цикл называется циклом Дизеля или циклом медленного сгорания (рис.1.5).

Цикл Дизеля состоит из процесса адиабатного сжатия (1–2), изобарного подвода теплоты (2–3), адиабатного расширения (3–4) и изохорного отвода теплоты (4–1) (рис.1.5). Степень сжатия в двигателях, работающих по циклу Дизеля, составляет ε = 12-24.

Рис. 1.5. Цикл Дизеля в координатах p-v и T-s

Термичес­кий коэффициент полезного действия цикла Дизеля определяет­ся по формуле:

. (1.21)

Сравнение циклов Отто и Дизеля при одинаковых параметрах точек (1) и (4) при одинаковой степени сжатия (ε) то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля. Действительно, так как изохора в координатах Т–s идет круче изобары, то количество теплоты q₁, подводимой по изохоре (2–3'), будет больше количества теплоты, подводимой по изобаре (2–3).

Однако сравнение по одинаковой степени сжатие не корректно.

Сравнение при одинаковых максимально возможных давлениях количество отведенной теплоты q₂ в сопоставляемых циклах одинаково, а количество теплоты q₁, подводимой в цикле Дизеля будет больше и, следовательно, КПД цикла Дизеля, в условиях одинакового максимально возможного давления, больше, чем КПД цикла Отто.