Глава 2

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, у которого топливо сжигается внутри машины. (Турбины и паровые машины относятся к двигателям внешнего сгорания, так как у них топливо сжигается вне машины).

Индикаторная диаграмма – это результаты регистрации абсолютного давления внутри цилиндра ДВС и соответствующего изменения объема, полученные с помощью особых приборов – индикаторов.

Таким образом, индикаторная диаграмма отображает реальное необратимое изменение этих термодинамических параметров. Необратимость обусловлена действием сил трения, теплообменном при конечной разности температур, конечной скоростью движения поршня и т. д. По индикаторной диаграмме определяют индикаторные параметры двигателя: КПД, мощность, работу, удельный расход топлива. Индикаторная диаграмма не является термодинамическим циклом , поэтому не позволяет достаточно просто определять термодинамические параметры состояния рабочего тела. Для расчета ДВС применяются идеальные обратимые циклы, поэтому принимаются следующие допущения:

1. Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью (= Const, );

2. Масса рабочего тела в цикле не изменяется;

3. Отсутствуют механические потери (потери на трение) и потери теплоты от стенок и с охлаждающей водой;

4. Процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне;

5. Процесс уноса теплоты при удалении продуктов сгорания из цилиндра двигателя заменяется обратимым отводом теплоты .

Эти допущения позволяют заменить реальный процесс работы ДВС обратимым термодинамическим циклом и выполнить необходимые термодинамические расчеты.

2.1 Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Горючая смесь – смесь топлива с воздухом.

Этот цикл впервые был использован немецким инженером Отто в бензиновом двигателе, созданном им в 1877г.

Рис 2.1. Индикаторная диаграмма и цикл ДВС с подводом теплоты при .

Рабочий процесс ДВС складывается из четырех ходов (тактов ) поршня, совершаемых за два оборота кривошипа (коленвала).

Первый оборот коленвала:

Такт 1 (процесс 0-1) – всасывание горючей смеси().

Такт 2 – адиабатное сжатие горючей смеси (процесс 1-2), воспламенение и мгновенное сгорание горючей смеси при (процесс 2-3).

Второй оборот коленвала:

Такт 3 (процесс 3-4) – адиабатное расширение продуктов сгорания топлива и открытие выхлопного клапана в точке 4.

Такт 4 (процесс 4-0) – удаление из цилиндра продуктов сгорания (выхлоп) при ().

Как следует из рис.2.1.,реальные процессы 4-0 (выхлоп) и 0-1 (всасывание) в обратимом термодинамическом цикле () заменяются процессом изохорного ) отвода теплоты .

Введем обозначения:

Степень сжатия

(2.1.)

- это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания

Степень повышения давления

(2.2.)

Термический КПД определяется по общей формуле

Удельная подведенная теплота в изохорном процессе 2-3

Удельная отведенная теплота в изохорном процессе 4-1

Тогда

Выразим термодинамические параметры рабочего тела в точках 2,3,4 через параметры точки 1 (начальные параметры)

Точка 2

Для адиабатного процесса 1-2 из уравнения Пуассона

откуда

, или (2.3.)

Из уравнения

(2.4.)

Точка 3

Из уравнений (2.2.) и (2.3.)

(2.5.)

B изохорном процессе 2-3

, откуда из уравнения (2.4.)

(2.6.)

Точка 4

Для адиабатного процесса 3-4,

, откуда из уравнения(2.5.)

или (2.7.)

Из уравнения и уравнения(2.6.)

или (2.8.)

Подставляя (2.8.) и (2.6.) в формулу для , получим

или

(2.9.)

Из формулы (2.9.) следует, что увеличение и k приводит к увеличению термического КПД ДВС.

Анализ формулы (2.9.) показал, что увеличение ε свыше значений 10….12 больше не дает эффективного повышения . Кроме того, при больших степенях сжатия топливная смесь может самовоспламениться из-за значительного повышения температуры или даже сдетонировать. Детонация – это не нормальное, а взрывное горение топлива.

Антидетонационные свойства зависят от сорта топлива, поэтому предельное значение степени сжатия ε зависят от сорта применяемого топлива. ( Детонационная стойкость топлива характеризуется его октановым числом.)

Обычно степень сжатия находится в пределах от 4 до 9. Такие циклы используются в карбюраторных ДВС.

Работа цикла ДВС с подводом теплоты при

;

или

(2.10.)

где

(2.11.)

На рис 2.2. представлен термодинамический цикл 1кг рабочего тела ДВС с подводом теплоты при

Отводимая теплота на T-S диаграмме представляет собой площадь 1-4-с-a-1

или

(2.12.)

Рис 2.2 Обратимый термодинамический

Цикл ДВС с подводом теплоты при

(цикл Отто)