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 — 2 соответствует 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.