Величини які характеризують цикли

Міра стиснення (ступінь стиску) - відношення початкового об'єму робочого тіла до кінцевого об'єму під час його стиснення:

ε = (1)

Міра підвищення тиску - є відношення тиску наприкінці підведення теплоти до тиску на його початку.

λ =, (λ = 3...5) (2)

Міра попереднього розширення - є відношення об'єму наприкінці підведення теплоти, до об'єму на початку цього процесу.

ρ = (ρ = 1.5...2.5) (3)

Міра подальшого розширення - є відношення об'єму наприкінці розширення до об'єму на початку розширення.

δ = = (4); ρδ = ε (5) так як V_b = V _а і V_c = V_z.

2. Цикл з підведенням теплоти при сталому об'ємі (цикл Отто).

Зображення циклу в РУ координатах.

Цикл складається з двох адіабат: a - с – стиску, z - b – розширення і двох ізохор: с - z – підводу теплоти ΔQ₁ та b - a – виводу теплоти ΔQ₂.

ККД циклу: η_t = (6)

Taк як ΔQ₂ = C_v(T_b – T _a), a ΔQ₁ = C_v(T_z – T_c),

тоді η_t = (7)

Визначимо температури в характерних точках. Припустимо що температура в точці (а) відома. Тоді температуру в точці (с) знаходимо з співвідношення параметрів в адіабатному процесі стиснення (лінія а - с)

, тоді Т_с = Т _а ε^k-1

Температуру в точці (z) знаходимо з співвідношення параметрів в ізохорному процесі (лінія с-z).

, тоді Т_z = T_c λ або Т_z = Т _а ε^k-1 λ

Температура в точці (b) знаходимо з співвідношення параметрів в адіабатному процесі розширення (лінія z - b)

тоді Т_b = = Т _а λ (так як V_z = V_с i V_b = V _a).

Визначені температури підставимо в формулу (7), зробимо математичні перетворення і отримаємо кінцеву формулу ККД: η_t = (8); де: k – показник адіабати і дорівнює:

k =

Аналіз ККД. ( η_t)

На η_t впливають дві величини ε і k, при їх збільшенні η_t- росте. Збільшення εобмежене детонацією, тому ε находиться в межах (6... 10).

Цикл Отто, це теоретичний цикл ДВЗ з примусовим запалюванням пальної суміші. Робоча суміш запалюється від електричної іскри і швидко згоряє при сталому об'ємі.

3. Цикл з компресорним розпилюванням підведенням теплоти при сталому тиску (цикл Дизеля).

Зображення циклу в РУ координатах.

Цикл складається з двох адіабат: a - с – стиску, z - b – розширення та ізобари с - z – підводу теплоти ΔQ₁ та ізохори b - a – виводу теплоти ΔQ₂.

ККД циклу: η_t = (9)

Taк як ΔQ₂ = C_v(T_b – T _a), a ΔQ₁ = кC_v(T_z – T_c),

тоді η_t = (10)

враховуючи, що Т_с = Т _а ε^k-1 ; Т_z = T_c() = Т_с ρ = Т _а ε^k-1 ρ; Т_в = T_z(V_z / V_b)^k-1 = T_z (ρ /ε)^k-1=Т_а ρ^к

підставимо ці температури у формулу (10) та отримаємо кінцеву формулу ККД

η_t =

Аналіз ККД. ( η_t)

На η_t впливають такі величини ε, ρ і k, при збільшенні ε і k та зменшенні ρ η_t- росте.

4. Змішаний цикл з підведенням теплоти при V і Р const (цикл Тринклера - безкомпресорного дизеля). Зображення процесу в Р - V координатах.

Процес складається з двох адіабат: а - с – стиску, z - в – розширення, двох ізохор: с - у – підводу теплоти ΔQ'₁ та b - а – відводу теплоти ΔQ''₁, ізобари у - z – підведення теплоти ΔQ₁

тоді ΔQ₁ = ΔQ'₁+ ΔQ''₁

Визначимо термодинамічний ККД: η_t = (11).

ΔQ'₁ = C_v(T_y – T_c); ΔQ''₁ =C_p(T_z – T_c); ΔQ₂ = C_v (Т_b – T _a).

Врахуємо, що С_р = k C_v підставимо в формулу (8) і отримаємо

η_t = (12)

Визначимо температуру в характерних точках циклу. Температуру в точці (с) знаходимо з співвідношення в адіабатному процесі стиску (лінія а - с).

тоді Т_с = Т _а ε^k-1

Температуру в точці (у), знаходимо з співвідношення параметрів в ізохорному процесі (лінія с - у).

тоді Т_у = Т_с λ = Т _а ε^k-1 λ.

Температуру в точці (z) знаходимо з співвідношення в ізобарному процесі (лінія у - z).

тоді Т_z = Т_у ρ = Т _а ε^k-1 λ ρ

Температуру в точці (b) знаходимо з співвідношення параметрів в адіабатному процесі розширення (лінія z-b)

, так як згідно формули (5).

Т_b = Т_z = Т _а λ ρ^k

Підставимо знайдені температури в формулу (12) проведемо математичні перетворення і отримаємо кінцеву формулу η_t

η_t =

Аналіз формули η_t

З формули видно, що термічний ККД (η_t) змішаного циклу зростає з збільшенням ε, k, λ і з зменшенням ρ.

На практиці двигуни виготовляють з різними мірами стиснення. Двигун з примусовим запаленням, для яких теоретичним є цикл з ізохорним підведенням теплоти мають ε > 6...11, дизелі з компресорним розпиленням, для яких теоретичним є цикл з ізобарним підведенням теплоти, мають ε = 10...15: дизелі з безкомпресорним розпиленням, для яких теоретичним є змішаний цикл, мають ε = 14...22.

Тому при одинаковых початкових точках (а) і кінцевих точках (b) параметрів робочого тіла при зазначених вище допустимих мірах стиснення більш економічним буде змішаний цикл

Тема: Дійсні цикли ДВЗ

Заняття № 3 План уроку

1. Дійсні цикли чотирьохтактних карбюраторних і дизельних двигунів, їх різниця порівняно в теоретичними.

2. Процес впуску: зображення в Р - V координатах протікання, параметри і фактори, що впливають на нього.

3. Процес стиску, зображення, протікання, аналіз.

1. Між дійсними і теоретичними циклами існує значна різниця. У теоретичних циклах передбачається, що робочим тілом є незмінна кількість ідеального газу, оклад газу і теплоємність його сталі.

У дійсних циклах робоче тіло змінює, як фізичних так і хімічні властивості і свій склад. Після того, як здійснюється цикл, відпрацьовані гази виділяються з циліндра, а в циліндр надходить свіжий заряд. Зміна кількості і складу робочого тіла, а також температури протя­гом циклу не дозволяє вважати теплоємність газів сталою. Крім цього і процеси стиснення і розширення не є адіабатичним, і у дійсних циклах спостерігаються теплові і механічні втрати, які не враховує ІІ закон термодинаміки. Усе це ускладнює дослідження дійсних циклів.

де: ΔQ₁ – вся підведена теплота за цикл (Дж),

ΔQ₂ – втрати теплоти з відпрацьованими пазами (Дж)

ΔQ₃ – втрати теплоти крізь стінки циліндрів (Дж).

W – корисна робота (Дж).

Розглянемо дійсний цикл чотирьохтактного карбюраторного (Рис.1) і дизельного(Рис.2)

двигунів.

Мал.1. Індикаторна діаграма дійсного циклу

а – чотиритактного бензинового двигуна; б – чотиритактного дизельного двигуна

Учотирьохтактному ДВЗ цикл складається з п'яти процесів, які частково перекривають один одного (впуск, стиск, згоряння, розширення, впуск)

ВПУСК. На початку впуску поршень знаходиться в ВМТ, в цей час весь об’єм камери стиску V_с заповнений залишковими газами при Т_г, що залишилися від попереднього циклу і впуск здійснюється за рахунок розрідження, яке здійснює поршень при русі э ВМТ до НМТ.

Але в сучасних двигунах процес впуску починається ще до підходу поршня до ВМТ наприкінці такту випуску точка (1) і лінія (1 – г) показує цей процес. Далі процес впуску співпадає з тактом впуску (лінія r – а) і далі процес триває на початку такту стиску (лінія а – 2). Таким чином процес впуску триває (лінія 1– r – а – 2), довше ніж такт впуску, з метою кращого наповнення циліндрів свіжим зарядом.

ПРОЦЕС СТИСКУ. Цей процес здійснюється при русі поршня від НМТ до ВМТ. Після того як закриється впускний клапан точка (2) відбу­вається процес стиску робочої суміші, внаслідок чого підвищується тиск і температура. На індикаторній діаграмі такт стиску зображено лінією (а – с). У зв’язку з тим, що впускний клапан закривається не тоді, коли поршень знаходиться в НМТ, а з деяким запізненням, процес стиску триває менше (лінія 2 – с″) ніж такт стиску.

Для найкращого використання утвореної в результаті згоряння палива теплоти треба, щоб процес згорання відбувався при положенні поршня до ВМТ. Для цього подача іскри в двигунах з примусовим займанням або впорскування палива в двигунах з самозайманням відбувається до підходу поршня в ВМТ точка (с′) в такті стиску.

ЗГОРЯННЯ. Третій процес дійсного циклу. Він починається напри­кінці такту стиску точка (с′) і проходить з деяким відхиленням поршня від ВМТ. Закінчується процес згоряння в такті розширення точка (с′′′), тоді процес триває між точками (с′ – с′′ – z_д – с′′′).

РОЗШИРЕННЯ. Це четвертий процес, який відбувається протягом такту розширення при русі поршня від ВМТ до НМТ: триває між точками (с′′ – z_д – с′′′- 3), закінчується процес розширення раніше такта розширення при відкритті випускного клапана точка (3).

ВИПУСК. П’ятий процес він здійснюється при такті випуску при русі поршня від НМТ до ВМТ. Але для кращого очищення циліндра випускний клапан відкривається раніше, наприкінці такту розширення (точка 3). При цьому гази виходять за рахунок тиску наприкінці розширення. Це зменшує тиск наприкінці такту розширення і втрати на виштовхування відпрацьованих газів.

Далі процес випуску тривав весь такт випуску (лінія b – r) і закінчується на початку такту впуску лінія (г – 4). Таким чином такт випуску триває, лінія (3 – b – r – 4), з метою кращого очищення циліндрів від відпрацьованих газів.