Термодинамічний аналіз поршневого ДВЗ з підводом теплоти при сталому об’ємі (цикл Отто, цикл бензинового двигуна)

Принципова схема та індикаторна діаграма.

1—впускний клапан;

2—випускний клапан;

3—електрична свічка;

4—поршень;

5—циліндр.

а-1—ізобарний впуск паливно-повітряної суміші через відкритий впускний клапан 1 в циліндр, в тому числі за рахунок тиску Р_атм.. При цьому поршень рухається із ВМТ до НМТ;

1-2—політропний стиск паливно-повітряної суміші до досягнення температури нижчої від температури самозаймання палива. Ця умова накладає межу верхнього тиску;

2-3—ізохорне (миттєве) згоряння паливно-повітряної суміші від електричної свічки;

3-4—політропне розширення продуктів згоряння (поршень рухається із ВМТ у НМТ)—робочий хід;

4-5—ізохорний майже миттєвий відвід теплоти з продуктами згоряння через відкритий випускний клапан 2;

5-в—повне ізобарне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня з НМТ у ВМТ і відкритому клапані 2;

в-а—ізохорне закриття клапана 2 і відкриття клапана 1.

.

Аналіз циклу в PV і TS координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла, що відповідає стиску паливно-повітряної суміші по політропі в циліндрі;

2-3—ізохорний підвід теплоти , що відповідає миттєвому згорянню паливно-повітряної суміші від електричної іскри в реальному двигуні;

3-4—адіабатне розширення робочого тіла, що відповідає робочому ходу;

4-1—ізохорний відвід теплоти з продуктами згоряння в оточуюче середовище.

Цей цикл характеризує наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску

.

Параметр відповідає конкретному конструкційному параметру двигуна ступені стиску, який для реального бензинового двигуна складає 7-14. Це число для двигуна обмежене температурою самозаймання паливно-повітряної суміші і залежить від антидетонаційних властивостей палива.

2. Ступінь підвищення тиску

.

змінюється в межах від 1,2 до 1,8. При термодинамічному аналізі циклів визначають вплив величин на його ріст для подальшого аналізу з метою підвищення цих величин і відповідною зміною в конструкцію двигуна.

визначається з наступних рівнянь

,

де .

З урахуванням рівнянь параметрів циклів і рівнянь адіабатних процесів 1-2 і 3-4 можна отримати вираз для в наступному вигляді

,

де показник адіабати робочого тіла.

З останнього виразу можна зробити наступні висновки.

1. залежить від ступеня стиску (конструкцій двигуна) і показника адіабати (властивостей робочого тіла).

2. Із зростанням зростає , але при досягненні зростання зменшується.

При досягнення можлива детонація двигуна. Детонація—некерований процес згоряння паливно-повітряної суміші, який є вибухоподібним, тобто згоряння починається ще до приходу поршня у ВМТ не від електричної свічки, а від температури паливно-повітряної суміші, що перевищує температуру самозаймання палива. При цьому падає потужність, швидко виходять з ладу конструкційні елементи і зростають витрати палива.

За допомогою РV- і TS- діаграм (площ фігур на них) можна обчислити роботу, затрачену на стиск (), роботу отриману при розширенні (), а приблизно рівна зовнішній корисній роботі, виконаній двигуном за циклом .

Термічний ККД можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах.

еквівалентна корисно використаній теплоті в даному циклі.

Існують методи підвищення – зменшення кількості відведеної теплоти без зміни підвищення теплоти , збільшення кількості теплоти без зміни відведеної теплоти , одночасне збільшення і зменшення .

Розглянемо методи підвищення термічного ККД на TS-діаграмі.

Для зменшення необхідно понизити температуру робочого тіла в кінці адіабатного процесу розширення, тобто більше охолодити робоче тіло після робочого ходу. Кількість відведеної теплоти .

В реальних двигунах зниження досягається наступними конструкційними змінами—використанням теплоти продуктів згорання для підігріву паливно-повітряної суміші перед впуском.

Для підвищення необхідно підвищити температуру Т₂ робочого тіла в кінці стиску, тоді . Підвищення в основному обумовлене підвищенням температури в кінці стиску, а отже і підвищенням ступеня стиску .

Одночасне збільшення і зменшення може досягтись наступним перерозподілом площ фігур в TS-координатах. Наприклад, найвища температура робочого тіла 3’ дещо зменшується до 3”, тоді кількість підведеної теплоти . Кількість відведеної теплоти стає дещо меншою .

Середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу підраховують за такими загальними формулами

Цикл поршневого ДВЗ з підводом теплоти при . Цикл Дизеля компресорного дизельного двигуна

Принципова схема та індикаторна діаграма

Ідея циклу двигуна Дизеля полягає в роздільному стиску повітря і палива, що сприяє зростанню ступені стиску , а отже збільшенню термічного ККД і підвищенню ефективності двигуна.

в-1—ізобарний впуск повітря через впускний клапан 1 при русі поршня із ВМТ до НМТ;

1-2—політропний стиск повітря до температури більшої за температуру самозаймання палива;

2-3—ізобарне повільне утворення паливно-повітряної суміші та її згоряння при подачі попередньо стиснутого і розпиленого компресором палива. В точці 2–робоче тіло повітря, в точці 3–продукти згоряння (змінились фізико-хімічні властивості робочого тіла);

3-4—продовження робочого ходу, політропне розширення робочого тіла;

4-5—ізохорний відвід теплоти з продуктами згоряння через випускний клапан 2;

5-а—повне очищення циліндра від продуктів згоряння через клапан 2 при русі поршня із НМТ до ВМТ;

а-в—ізохорне закриття клапана 2 і відкриття клапана 1.

Аналіз циклу в РV-і TS-діаграмах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла; 2-3—ізобарний підвід теплоти ; 3-4—адіабатне розширення робочого тіла; 4-1—ізохорний відвід теплоти .

Цикл характеризують наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску

.

2. Ступінь попереднього розширення

.

3. Ступінь адіабатного розширення

.

Термічний ККД підраховують із наступних рівнянь

де .

З урахуванням параметрів циклу , а також рівнянь адіабатних процесів 1-2 і 3-4 отримаємо вираз для термічного ККД в остаточному вигляді

,

де показник адіабати робочого тіла, який характеризує параметри робочого тіла.

Аналогічно, як і при аналізі циклу поршневого ДВЗ з підводом теплоти при сталому об’ємі, можна обчислити за допомогою площ фігур в TS-координатах, а також підрахувати зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за цикл з допомогою площ фігур в РV-координатах.

Існують методи підвищення , які полягають у наступному—збільшенні кількості теплоти без зміни , зменшенні без зміни , одночасному збільшенні і зменшенні .

При термодинамічному аналізі обчислюється середній індикаторний тиск робочого тіла за цикл і зовнішня корисна робота, виконана двигуном за цикл за наступними формулами

За допомогою РV- і TS-координат можна порівняти цикли поршневих ДВЗ з підводом теплоти при і при різних вхідних даних. Наприклад, коли температури в точці 2 для двох циклів однакові або, коли температури в точці 3 для двох циклів однакові.