Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

С точки зрения термодинамики тепловые двигатели представляют собой совокупность систем (рабочего тела, источника теплоты и охладителя), взаимодействующих между собой.

Исходные положения

Циклы тепловых двигателей и установок

Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки(ГТУ) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате — паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу — в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом.

Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения — жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа.

Особенности этих взаимодействий определяют в каждом конкретном случае отличительные термодинамические характеристики тепловых машин.

В реальных тепловых двигателях источником теплоты служат продукты сгорания топлива, либо теплота, выделяемая в атомном реакторе, а охладителем — окружающая среда.

Рабочее тело находится в термодинамическом равновесии соответственно с источником теплоты и охладителем. Переход рабочего тела от температуры источника теплоты к температуре охладителя (и наоборот) осуществляется по адиабате.

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.

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.

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

цикл с подводом теплоты при ;

цикл со смешанным подводом теплоты при и .

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

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) характерен для дизелей, т. е. двигателей с внутренним смесеобразованием. Цикл с подводом теплоты при (цикл Дизеля) 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 применения, и поэтому мы будем рассматривать только первую и третью группы циклов.

Цикл со смешанным подводом теплоты Изображен в - и -координатах на рисунке 7.5.

Рис. 7.5. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты в - и -координатах

Кривая 1—2соответствует процессу адиабатного сжатия рабочего тела. Подвод теплоты (в реальном двигателе сжигание топлива) сначала происходит по линии 2—3 при , а затем по линии 3—4 при .

При этом подводится теплота .

Кривая 4—5 соответствует процессу адиабатного расширения рабочего тела, а участок 5—1 характеризует изохорный процесс отвода теплоты в охладитель.

Введем безразмерные параметры, характеризующие цикл:

¾ степень сжатия;

¾ степень предварительного расширения;

¾ степень изохорного повышения давления.

Определим термический КПД цикла. Очевидно, что

(7.7)

отсюда

(7.8)

Для адиабатного процесса 1¾2 в соответствии с уравнением

можно записать

, откуда .

Для изохорного процесса 2¾3 с учетом выражения , получим

Для изобарного процесса 3¾4

при

Для адиабатного процесса 4¾5

Учитывая, что , можно записать

откуда

Подставляя полученные значения в выражение (7.7) и учитывая, что , будем иметь

Таким образом, термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты запишется так

(7.9)

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и с уменьшением степени предварительного расширения .

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 7.6).

По кривой 1—2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела (в данном случае горючей смеси). Изохора 2—3 соответствует процессу подвода теплоты от источника теплоты (в реальном двигателе зажигание смеси и сгорание топлива). Затем следует процесс адиабатного расширения 3—4. В изохорном процессе 4—1 от рабочего тела в окружающую среду отводится теплота .

Рис. 7.6. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при в - и -координатах

Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания можно получить, если в формуле (7.7) принять

(7.10)

Термический КПД различных циклов двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах 0,45…0,60.

Степень сжатия двигателей с внутренним смесеобразованием выше , чем у двигателей с внешним смесеобразованием , и поэтому первые двигатели имеют более высокие значения термического КПД и их экономичность выше, чем у двигателей с внешним смесеобразованием.

Сравним циклы при одинаковых конечных температурах, которые определяют допустимые термические напряжения в деталях двигателя. Как видно из рисунка 7.7, цикл со смешанным подводом теплоты имеет при тех же значениях более высокий термический КПД, чем цикл с подводом теплоты при постоянном объеме.

Рисунок 7.7. Сравнение циклов двигателя внутреннего сгорания