Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых топливо сжигается в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень.

Несмотря на то, что цикл Карно имеет наивысший КПД, в реальных машинах он не реализуется. Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно растянутым в координатах р – v, связан с весьма большими значениями удельного объема и давления.

Рис. 43. Цикл Карно в координатах p - v

Отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания = v_c/v_a (эта величина в поршневых ДВС называется степенью сжатия), работающего по циклу Карно, достигает 400, а давление в
точке (а) – = 280 – 300 МПа.

Термодинамических циклы ДВС: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто),состоящий из двух изохор и двух адиабат (a₁-b-c₁-d-a₁) и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля), состоящий из изобары a₂–b, изохоры с₁ – d и двух адиабат b – c₁ и d – a₂ (a₂-b-c₁-d- a₂). Полученные циклы имеют КПД меньше, чем КПД цикла Карно

Рис. 45. Цикл Отто в координатах p - v (а) и T - s (б)

Процесс (1–2) в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс (2–3) - изохорный подвод теплоты q₁, процесс (3–4) - адиабатное расширение и процесс (4–1) - изохорный отвод теплоты q₂.

Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты и численно равна площади (1-2-3-4-1). Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чемвыше степень сжатия, тем выше КПД цикла. Термический КПД цикла

Это значит, что КПД цикла Отто растет с увеличением степени сжатия.

Цикл Дизеля состоит из процесса адиабатного сжатия (1–2), изобарного подвода теплоты (2–3), адиабатного расширения (3–4) и изохорного отвода теплоты (4–1) (рис. 46). Степень сжатия в двигателях, работающих по циклу Дизеля, составляет = 14 – 18.

а б

Рис. 46. Циклы Отто и Дизеля в координатах p-v (а) и T-s (б)

Сравним между собой циклы Отто и Дизеля при одинаковых параметрах точек (1)и (4) с помощью диаграммы Т – s (рис. 46). Если в этих циклах будет одинаковая степень сжатия ε и одинаковое количество отводимой теплоты q₂,то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля.

КПД цикла Дизеля, в условиях одинакового максимально возможного давления, больше, чем КПД цикла Отто.

Подачу топлива можно осуществлять так, что одна его часть будет сгорать при постоянном объеме, а другая – при постоянном давлении. Такой цикл называется циклом смешанного сгорания топлива или циклом Тринклера.Цикл со смешенным подводом теплоты занимает по эффективности промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля как в условиях сравнения при одинаковой степени сжатия ε, так и при сравнении по условию одинакового максимального давления в цилиндре двигателя.

а б

Рис. 47. Цикл смешанного сгорания в координатах p - v (а) и T - s (б)

Выведем уравнение для определения термического КПД смешанного цикла. Количество подводимой теплоты на изохоре (2–3) равно , а в изобарном процессе (3–4) – . Количество отводимой теплоты q₂ на изохоре (5–1) по абсолютной величинесоставляет . Следовательно, термический КПД цикла

Из уравнения видно, что КПД цикла со смешанным подводом теплоты растет с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ. Если ρ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, термический КПД которого находится из соотношения