Термодинамические циклы двигателя внутреннего сгорания

В тепловом двигателе энергия теплоты, преобразуется в механическую энергию.

Работа цикла поршневого двигателя равна сумме совершённых рабочим телом или над рабочим телом во всех процессах цикла.

Работающих по 4-х тактному циклу, за один цикл совершают 4 процесса. В данный процесс изображается в PV координатах, и представляет собой индикаторную диаграмму.

Индикаторная диаграмма – это линия изменения давления внутри цилиндра двигателя в зависимости, от перемещения поршня, объема рабочего тела, или угла поворота коленчатого вала.

0

4

1

2

3

q

P

 

 

НМТ

ВМТ

V

                                               

 

                                                                   

 

V_ВМТ- объем рабочего тела в верхней мёртвой точке

V_НМТ - объем рабочего тела в нижней мёртвой точке

P₀ - атмосферное давление

0-1процесс выпуска рабочего тела (смеси)

1-2 адиабатное сжатие

T₂=300⁰C

T₃=2000⁰C

3-4 рабочий ход поршня – адиабатное расширение рабочего тела

T₂=300⁰C

Рабочие процессы реального двигателя нельзя исследовать термодинамическим методом. Для исследования цикла термодинамическим методом вводится понятие идеального двигателя и представляет его в упрощённой форме.

4-1 – процесс отвода теплоты

В теоретической ТДЦ, а так же для возможности исследования термодинамическим методом используют следующее допущение:

1)Рабочим телом является идеальный газ.

2)Отсутствует потеря теплоты через степени цилиндра.

3)Отсутствует потеря на трение в узлах и механизмах ДВС.

4)Отсутствует потеря рабочего тела.

5)Отсутствует потеря энергии на впуске и выпуске рабочего тела: принимается, что теплота отводится мгновенно через стенки цилиндра в процессе 4-1

Результат термодинамического исследования циклов ДВС берутся за основу при конструировании двигателя и при оптимизации рабочих процессов.

Существует 3 основных термодинамических цикла, которые используются в современных ДВС.

Циклы различаются по процессу подвода теплоты:

1)Цикл Отто (1877г.) это цикл бензинового двигателя с принудительным воспламенением горючей смеси от электрической искры.

V₂=const

2)Циклы Дизеля (1897г) был предложен немецким инженером Дизеля. Цикл двигателя с высокой степенью сжатия на дизельном топливе. Отвод теплоты осуществляется при постоянном давлении.

P₂=const

Подача топлива происходит непосредственно в камеру сгорания в конце процесса сжатия происходит распыление топлива воздухом высокого давления от компрессора.

3)Цикл Тринклера (1904г) процесс подвода теплоты смешанный сначала при пост.

V_q=const                             P_q=const

Без компрессорный двигатель. По дальнейшему циклу, работают все современные двигатели.          

Цикл состоит из 4 процессов:

2 адиабатных

2 изохорных

Характерными параметрами цикла являются:

1)  - степень сжатия

2) - степень повышения давления

3) q₁ - кол-во подводимой теплоты

 q₂- кол-во отводимой теплоты

 

 

P

B

V

                                                                                                                     

А

Z

C

 

 

CZ – процесс подвода теплоты

Подвод теплоты осуществляется при постоянном V,т.е. практически мгновенно:

Поэтому данный цикл называется циклом быстрого сгорания.

ZB – адиабатное расширение, рабочий ход поршня

BA – изохорный отвод теплоты

Одним из путей увеличения коэффициента полезного действия бензинового двигателя и мощности двигателя

Однако существуют ограничения по увеличению степени сжатия ɛ: АС температура горючей смеси превысит температуру её самовоспламенения (при значительном увеличении ɛ, процесс АС то произойдёт преждевременное самовоспламенение в точке С_Z что приведёт к значительному увеличению давления и приведёт её в ВМТ. В следствии чего, значительно повысится жесткость работы двигателя, значительно повысится нагрузки, деталей КШМ и т.д.

 

Лекция№13:

Цикл Дизеля

Цикл дизеля имеет преимущество перед циклом Отто при использовании в ДВС.В цикле дизеля, можно увеличить степень сжатия (т.к. воздух не самовоспламеняется) В цикле Дизеля ɛ=16-22

Подача топлива в цикле Дизеля методом распыления сжатым воздухом(от компрессора в момент прихода поршня в ВМТ) и продолжается в процессе расширения(движение поршня в НМТ)

 

q

P

Z

С

НМТ

ВМТ

V

  

B

A

AC – Адиабатное сжатие

Т_С=300⁰ С

ZB – адиабатное сжатие

η_отто = 30-40%

η_дизеля =35-45%

Если степень сжатия более 20 единиц, то возрастает расход работы на преодоление сил трения. Оптимальной является степень сжатия при которой сумма КПД будет максимальной. Цикл дизеля состоит из 2-х адиабат: сжатия и расширения, изохоры и изобары.

Характеристика цикла

1)  - степень сжатия

2) – степень предварительного расширения

3)

Цикл дизеля используется на стационарных двигателях.

 

Лекция №14:

Цикл Тринклера

1)Цикл с комбинированным отводом теплоты

2)Цикл современного дизельного двигателя

Стремление упростить конструкцию, снизить нагрузки действующие на детали двигателя, привело к разработке со смешанным подводом теплоты. Теплота подводится после процесса сжатия, сначала при V=const, затем при P=const.

Цикл состоит из:

1)2 адиабат 

2)2 изохор

3)1 изобара

 

Z

cZ

q1

Z1

q2

 

cA

cC

А

B

ТНВД

                 

 

 

АС – адиабатное сжатие

в точке С происходит впрыск топлива протекает быстрая фаза сгорания

в точке Z продолжается впрыск топлива,в результате чего продолженая по изобаре Z-Z₁

CZ₁ - изохорный подвод теплоты

ZZ₁- изобарный подвод теплоты

Z₁B- адиабатное расширение

BA – изобарный отвод теплоты

 

 

Характеристиками данного цикла являются

1)  - степень сжатия

2) – степень предварительного расширения

3)

Отсюда видно,что на увеличение КПД влияетповышение степени сжатия и степени повышения давления λ и увеличения k (показатель адиабаты для воздуха).А с увеличением ϴ расширения КПД уменьшается.