Основные положения

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механическую работу.

ДВС отличаются высокой экономичностью, компактностью, надежностью в эксплуатации, хорошей приспособляемостью к потребителю. К недостаткам ДВС по сравнению с паровыми и газовыми турбинами следует отнести ограниченную мощность, относительно высокий уровень шума, большую частоту вращения коленчатого вала при пуске, токсичность отработанных газов и ряд других. Однако, достаточно большой срок службы, малая масса ДВС, возможность соединения его практически с любым потребителем энергии позволяет широко использовать двигатели, как в стационарной теплоэнергетике, так и в транспортных установках, в сельскохозяйственных машинах, в авиации, на строительно-дорожных машинах.

Задачей термодинамического исследования цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПДВС) является анализ зависимости основных показателей работы цикла от степени сжатия, природы рабочего тела, количества подводимой теплоты и способа ее подвода.

О сновными идеализированными циклами ДВС являются: цикл Отто (рисунок 1), цикл Дизеля (рисунок 2) и цикл Тринклера (рисунок 3).

Параметрами цикла являются:

- степень сжатия рабочего тела (рис. 1,2,3);

- степень повышения давления (рис. 1,3);

(рис. 2) и (рис. 3) – степень предварительного расширения.

Важнейшими показателями работы ДВС, зависящими от параметров цикла и природы рабочего тела ( ) являются:

- термический коэффициент полезного действия (КПД) (1),

где q_отв=Δq₅₁ - количество тепла, отведенное от рабочего тела и переданное холодному приемнику тепла; q_подв=Δq₂₃+Δq₃₄ - количество тепла, подведенное к рабочему телу от горячего источника тепла;

- среднее цикловое давление, определяемое отношением работы цикла l_ц к рабочему объему цилиндра двигателя v_h (рис. 3) (2), где ; .

P, МПа

Δq₃₄

3

4

P₃

Δq₂₃

l_цикла

P₂

2

Δq₅₁

5

1

P₁

v₂

v₄

v, м³/кг

v₁

Рисунок 1. Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания

На рисунке приведена индикаторная диаграмма идеального поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Диаграмма построена в координатах P-V (давление, МПа – удельный объем, м³/кг).

На диаграмме обозначены следующие основные точки:

1 – точка начала сжатия;

2 – точка конца сжатия;

3 – точка максимального давления;

4 – точка начала расширения;

5 – точка конца расширения.

На диаграмме обозначены следующие характерные процессы:

1-2 процесс политропного сжатия (характеризуется степенью сжатия ε и показателем политропы n₁) ;

2-3 процеесс изохорного подвода теплоты при горении топлива (характеризуется коэффициентом повышения давления λ);

3-4 процесс изобарного подвода теплоты при горении топлива (характеризуется степенью предварительного расширения ρ);

4-5 процесс политропного расширения (характеризуется показателем политропы n₂);

5-1 процесс выпуска отработавших газов.

Если коэффициенты λ или ρ равны 0, то данные процессы отсутствуют.

Ниже приведены обозначения и порядок расчета характерных точек индикаторной диаграммы.

Обозначения параметров рабочего процесса ДВС:

Р₁ – начальное давление газового цикла, МПа,

Т₁ – начальная температура газового цикла, К,

μ – молекулярный вес вещества, кг/Кмоль,

ε – степень сжатия ДВС,

λ – степень повышения давления,

ρ – степень предварительного расширения,

n₁ – показатель политропы сжатия,

n₂ – показатель политропы расширения,

Т_max – максимальная температура газа, К,

с_р – изобарная теплоемкость, кДж/(кг.К) (в расчетах принять с_р=1,0057);

с_v – изохорная теплоемкость, кДж/(кг.К) (в расчетах принять с_v=0,7184);