Циклы двигателей внутреннего сгорания

Работа цикла.

Работа цикла равна  разнице между подводимой и отводимой  теплотой:

=с_vT₁{e^k-1[l-1+kl(r-1)]- (lr^k-1)}.

Графически работа цикла  равна площади цикла на рабочей  диаграмме  (см. рис.2).

Термический КПД цикла.

Термический КПД цикла  равен отношению цикловой работы к подводимой теплоте:

. 

 

 

 

4.3 Анализ эффективности цикла 

Термический коэффициент  полезного действия (КПД) цикла зависит от характеристик цикла ε, λ, ρ и от свойств рабочего тела (k= ).

Показатель адиабаты k определяется составом продуктов сгорания и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37.

Проанализировать влияние  характеристик цикла ε, λ, ρ на КПД удобнее всего по тепловой диаграмме. Известно, что чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.

1) При увеличении степени  сжатия конечная точка процесса 1-2 сместится в т.2' (рис. 4). Средняя температура подвода теплоты  при этом увеличивается, следовательно, термический КПД также увеличится. 

  .

Для цикла Тринклера  степень сжатия изменяется в пределах: .

Рис. 4. К анализу эффективности  цикла Тринклера

 

2) С увеличением степени  повышения давления конечная  точка процесса 2-3 сместится в  т.3'. Средняя температура подвода  теплоты   при этом увеличивается, значит термический КПД также увеличится.

.

Обычное значение . 

 

3) Если увеличить степень  предварительного расширения, то  конечная точка процесса 3-4 сместится  в т.4'. Надо отметить, что для  замкнутости цикла т. 5 необходимо сместить в т. 5'.

Средняя температура  подвода теплоты увеличивается  . Но в этом случае увеличится и средняя температура отвода теплоты .

 - растет быстрее (по изохоре),  растет медленнее (по изобаре).

Температурный диапазон цикла сузится, значит термический КПД уменьшится.

;

Таким образом, увеличение степени предварительного расширения снижает термический КПД. На практике  ρ стараются уменьшить: . 

 

Конструкция двигателя, работающего по циклу Тринклера, включает «предкамеру» (рис.5). После  сжатия воздуха в «предкамеру» подается под высоким давлением топливо  и происходит быстрое сгорание приготовленной смеси при постоянном объеме, а потом происходит сгорание горючего при постоянном давлении по мере его поступления в камеру сгорания.   

 

Рис.5. Схема ДВС, работающего  по циклу Тринклера

(1 – впускной клапан, 2 – выпускной клапан)

 

5 ЦИКЛ ОТТО

Это цикл бензиновых ДВС  с внешним смесеобразованием  и принудительным искровым зажигание  горючей смеси. Такие ДВС применяют  на легковом автотранспорте.

Рабочая и тепловая диаграммы  цикла Отто представлены на рис. 6.

Характеристики цикла:

- степень сжатия 

 - степень повышения давления.

 

 

Рис.6. Цикл Отто. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

(1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 –  изохорный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты)  

 

Параметры состояния  рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера.

Подводимая теплота:   

Отводимая теплота: .

Работа цикла  . 

 

Термический КПД цикла:  .

Чем больше степень сжатия ε, тем выше эффективность цикла. Увеличение ε в карбюраторных  двигателях ограничено наступлением детонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры сгорания, поэтому ε = 6~12.

6 ЦИКЛ ДИЗЕЛЯ  

Это цикл компрессорных дизелей - ДВС  тяжелого топлива (дизельного, солярного и др.) с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением горючего от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

Рабочая и тепловая диаграммы  цикла Дизеля представлены на рис. 7.  

 

Рис.7. Цикл Дизеля. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

(1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 –  изобарный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты)  

 

Характеристики цикла:

- степень сжатия 

 - степень предварительного расширения

Параметры состояния  рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера.

Подводимая теплота:  

Отводимая теплота: .

Работа цикла   

 

Термический КПД цикла:  .

Верхний предел ε  ограничивается в дизелях быстрым увеличением давления. Применяют значения ε = 14~25. Увеличение ρ отрицательно влияет на повышение эффективности цикла. По мере совершенствования процессов смесеобразования и горения ρ уменьшается.

7 СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИДЕАЛЬНЫХ ЦИКЛОВ 

Термодинамическая эффективность  циклов зависит от условий их осуществления. В одних условиях эффективен один цикл, в других – другой.

1. Сравним  циклы Отто и Дизеля по значению термического КПД  при одинаковых степенях сжатия.

Для наглядности будем  использовать графическую интерпретацию  подводимой и отводимой теплоты  на тепловой диаграмме (рис. 8): площадь нелинейной трапеции ниже линии процесса численно равна удельной теплоте.

Рис. 8. Сравнение циклов Отто (123'4) и Дизеля (123''4)

при одинаковой степени  сжатия 

 

                                     

При одинаковых степенях сжатия цикл с изохорным подводом теплоты имеет больший КПД, чем цикл с изобарным подводом. Цикл Тринклера будет занимать промежуточное значение.

2. Целесообразнее сравнивать циклы при одинаковых конечных давлениях и температурах (рис.9), т. е. в условиях одинаковых допустимых термических и механических напряжений.

Рис. 9. Сравнение циклов Отто (12'34) и Дизеля (12''34)

в одинаковом температурном диапазоне 

 

                           

 

 

В этих условиях эффективность  цикла с изобарным подводом теплоты  выше, чем с изохорным подводом теплоты; эффективность цикла Тринклера окажется средней между ними. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1) http://ttech.pstu.ac.ru/teplot/tt/study/2006-07/lection/td/t8/dvs_gtu.htm