Тема7. Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания – наиболее распространенный тепловой двигатель в мире. Он занимает лидирующее положение в автомобильном, железнодорожном и водном транспорте, в дорож­ных машинах и т.п. Исключительна роль двигателей внутреннего сгорания в энергетике сельского хозяйства – неотъемлемый элемент тракторов, комбайнов, автотранспорта, резервных дизельных электростанций и многих других агрегатов, используемых в сель­скохозяйственном производстве.

При анализе термодинамических циклов тепловых машин до­пускают, что:

– химический состав и количество рабочего тела не меняются;

– процесс сгорания топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты;

– выпуск продуктов сгорания или отработавшего пара заменя­ется обратимым процессом отвода теплоты в охладитель;

– процессы расширения и сжатия рабочего тела являются адиа­батными;

– теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры.

В зависимости от способа подвода теплоты различают три тер­модинамических цикла двигателей внутреннего сгорания:

– цикл с подводом теплоты при v = const;

– цикл с подводом теплоты при р = const;.

– цикл со смешенным подводом теплоты при

v = const и р = const.

Первый цикл характерен для двигателей с внешним смесеобра­зованием (бензиновые, газовые).

Цикл со смешанным подводом теплоты характерен для дизе­лей, т.е. двигателей с внутренним смесеобразованием.

Цикл с подводом теплоты при p = const представляет собой термодинамический круговой процесс, протекающий в компрессор­ном дизеле, в котором распыл топлива в цилиндре осуществляется сжатым воздухом. Эти двигатели в настоящее время не находят применение.

7.1 Цикл Отто

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме состоит из двух адиабат и двух изохор (рисунок 7.1). Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия;

– степень повышения давления.

Количество подведенной теплоты . Количество отведенной теплоты (абсолютное значение)

.

Работа цикла:

.

Термический КПД цикла:

. (7.1)

Рис. 7.1 – Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом тепло­ты при v = const в pv – и Ts координатах

7.2 Цикл Дизеля

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении состоит из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры (рисунок 7.2).

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия;

степень предварительного расширения.

Количество подведенной теплоты:

.

Количество отведенной теплоты (абсолютное значение):

.

Работа цикла: .

Рис. 7.2 – Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при р = const в pv– и Ts координатах

Термический КПД цикла:

. (7.2)

7.3 Цикл Тринклера (или Сабатэ)

Цикл со смешанным подводом теплоты состоит из двух адиа­бат, двух изохор и одной изобары (рисунок 7.3).

Характеристиками цикла являются:

; ; .

Количество подведенной теплоты:

.

Количество отведенной теплоты (абсолютное значение):

.

Термический к.п.д. цикла:

. (7.3)

Рис. 7.3 – Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания со смешанным подво­дом теплоты в pv – и Ts координатах

Во всех приведенных выше теоретических циклах поршневых дви­гателей внутреннего сгорания уравнения для определения количе­ства подведенной и отведенной теплоты, а также для термического КПД даны для случая с = const.

Сравнивая рассмотренные циклы двигателей внутреннего сго­рания, можно сказать, что степень сжатия двигателей с внутрен­ним смесеобразованием выше (ε = 12...18), чем у двигателей с внешним смесеобразованием (ε = 6...8), и поэтому первые двигате­ли имеют более высокие значения термического КПД и их эконо­мичность выше, чем у двигателей с внешним смесеобразованием. КПД в реальных двигателях η_t = 0,45...0,60.