Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) подвод тепла осуществляется за счет горения топлива, вво­димого в рабочий цилиндр двигателя. Отвод-выхлоп расширившихся продуктов сгорания в атмосферу обычно протекает при постоянном объеме. Работа совершается при расширении продуктов сгорания топлива в цилиндре под поршнем, после чего она передается на вал двигателя.

По типу горения топлива ДBС делятся на 3 группы:

– быстрое сгорание топлива при постоянном объеме (цикл Отто);

– медленное (постепенное) сгорание топлива при постоянном давлении (цикл Дизеля);

– смешанное сгорание, протекающее в начальной фазе при постоянном объеме, а в конечной – при постоянном давлении (цикл Тринклера).

1. Характеристика цикла ДВС первой группы (цикл Отто)

Цикл состоит из двух адиабат и двух изохор. Вид цикла в p– υ и T– S – диаграммах показан на рисунке 1.24. Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия ;

–степень повышения давления

 

Рисунок 1.24 – Характеристика цикла ДВС с подводом тепла при постоянном объеме

ДВС первой группы работают на легких (легкоиспаряющихся) и газообразных топливах. Топливо поступает в рабочий цилиндр в смеси с воздухом. После сжатия смесь воспламеняется от электри­ческого запала и горит почти мгновенно. Смесь топлива с воздухом образуется в специальном устройстве (карбюраторе) и поэтому ДВС первой группы называют двигателями с внешним смесеобразованием или карбюраторными.

Степень сжатия в этих двигателях ограничивается возможностью самовоспламенения смеси, зависит от рода топлива и составляет .

2. Характеристика цикла ДВС второй группы (цикл Дизеля)

Цикл состоит из адиабат сжатия (1–2) и расширения (3–4), изобары подвода тепла (2–3) и изохоры отвода тепла (4–1). Вид цикла в p– υ и T– S – диаграммах показан на рисунке 1.25. Характеристиками цикла являются следующие показатели:

– степень сжатия ;

– степень предварительного расширения .

ДВС второй группы работают на тяжелых моторных топливах.

 

Рисунок 1.25 – Характеристика цикла ДВС с подводом тепла при постоянном давлении

Топливо впрыскивается в цилиндр топливным насосом высокого дав­ления, после окончания сжатия воздуха в цилиндре по адиабате. Топливо самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого по адиабате воздуха. Дальнейшее горение топлива происходит уже при расширении газового объема в цилиндре, причем подача топлива регулируется таким образом, чтобы давление оставалось постоянным.

ДВС второй группы называются двигателями с внутренним сме­сеобразованием или дизелями (по фамилии изобретателя этого типа двигателя).

Степень сжатия в этих двигателях ограничивается следующими условиями:

минимальная – температурой воздуха в конце сжатия необходимой для самовоспламенения топлива, что достигается при = I2 ¸ I4;

максимальная – предельными нагрузками на всю конструкцию ДВС, возрастающими при повышении давления до значения =19¸20.

Сравнение циклов ДВС первой и второй группы в T–s –диаг­рамме (рисунок 1.26) показывает, что при одинаковых степенях сжатия (процесс 1–2) эффек­тивность ДВС первой группы будет выше, так как выше оказывается среднеинтегральная температура подвода тепла в изохорном процессе:

T_{1p cp} < T_{1v cp}.

 

Следовательно, к.п.д. циклов находится в соотношении η_tv > η_tp. То есть, тепло, подводимое при V = const, используется более эффективно.

Такое же сравнение, но прове­денное при одинаковых конеч­ных параметрах подвода тепла (условие T_max=T₃ ΄), показывает, что выше будет эффектив­ность ДВС второй группы, так как среднеинтегральная температура подвода тепла в изобарном процессе будет выше, чем в изохорном:

T₁ ΄ _{p cp} > T_{1v cp}.

 

Следовательно η΄_tp > η _tv, но при этом тре­буются более высокие степени сжатия, что допускается условиями работы ДВС второй группы.

 

Рисунок 1.26 – Сравнительный анализ трех циклов ДВС

3. Характеристика цикла ДВС третьей группы (цикл Тринклера)

ДВС третьей группы имеют смешанный подвод тепла, при этом, вначале, для лучшего использования тепла, часть тепла подводит­ся при V=const до достижения максимально допустимых дав­лений (с точки зрения механической прочности), а остальное тепло подводится при p=const.

В настоящее время по этому циклу работают все поршневые ДВС, только с разным соотношением способов подвода тепла, у карбюра­торных двигателей большая часть тепла подводится при V=const, а у дизелей при p=const.

Цикл состоит из адиабат сжатия (1–2) и расширения (4–5), изохоры (2–3) и изо­бары (3–4) подвода тепла, а также изохоры отвода тепла (5–1). Вид цикла в p– υ и T– S – диаграммах показана на рисунке 1.27. Характеристиками цикла являются следующие показатели:

– степень сжатия ;

– степень повышения давления ;

– степень предварительного расширения .

 

Рисунок 1.27 – Характеристика цикла ДВС со смешанным подводом тепла

 

Термический K.П.Д, такого цикла (при условии постоянной теплоемкости) будет равен:

 

 

Подставляя эти значения в выражение К.П.Д., получим:

 

.

 

Выражая все температуры через Т₁, и используя характеристики цикла и уравнения взаимосвязей между параметрами в процессах рассматриваемого цикла, получим:

для адиабаты 1–2:

 

для изохоры 2–3:

 

 

для изобары 3–4:

 

 

для адиабаты 4–5:

 

откуда следует:

 

 

 

Подставляя полученные соотношения температур в выражение К.П.Д. цикла, после несложных преобразований получим:

 

 

При λ=1 получим К.П.Д. цикла с подводом тепла при р=const.

При ρ=1 К.П.Д. цикла с подводом тепла при V=const.

Анализ выражения К.П.Д. цикла показывает, что увеличение всегда ведет к повышению К.П.Д., а при постоянном рост λ и уменьшение r так же способствует повышению К.П.Д.

Однако пределом увеличения λ является максимально допустимые значения температуры и давления газа в цилиндре, а величина r определяется оставшимся количеством подводимо­го тепла.

Для современных дизелей обычно = .

Работа, полученная за один цикл на 1 кг рабочего тела равна разности работ расширения и сжатия или количества подведенного и отведенного тепла в цикле:

.

 

Эффективная мощность двигателя на валу определяется по формуле:

 

,

 

где m – расход рабочего тела, кг/с;

η_i – внутренний, индикаторный к.п.д., учитывающий отклонение цикла от идеального;

η_m – механический к.п.д. двигателя, учитывающий потери на трение в механизме ДВС.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: