Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Методические указания и методика расчета

Двигатель внутреннего сгорания осуществляет преобразование теплоты, полученной при сгорании топлива, в механическую работу. В основу анализа действительных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания положены следующие три теоретических цикла: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) – близок по характеру протекания процессов к рабочему циклу карбюраторного двигателя; цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p =const) – близок к циклам в компрессорных дизелях; цикл с подводом теплоты при постоянных объеме и давлении (v = const и p = const) – обобщенный цикл по подводу теплоты, близок к циклам бескомпрессорных дизелей.Во всех трех циклах отвод теплоты осуществляется при постоянном объеме.

При рассмотрении теоретических циклов принимаются следующие допущения:

- циклы являются замкнутыми (обратимыми) и протекают при постоянном количестве одного и того же рабочего тела (идеального газа);

- теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла считается постоянной, не зависящей от температуры;

- процесс сгорания топлива в цилиндре заменяется мгновенным условным подводом теплоты, а выброс отработанных газов – мгновенным условным отводом теплоты;

- сжатие и расширение рабочего тела осуществляется в адиабатном процессе, т.е. без теплообмена с окружающей (внешней) средой.

 

 

Методика расчета обобщенного цикла с последовательным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении. Введем следующие обозначения безразмерных параметров циклов - степень предварительного расширения; - степень повышения давления; - показатель адиабаты.

Как было отмечено, совершенство термодинамического цикла оценивается его термическим КПД. Для рассматриваемого цикла:

.

Подставляя q₁ и q₂ в формулу , получим

 

Воспользовавшись основными термодинамическими закономерностя-ми, выразим температуру в характерных точках через начальную температуру Т_a и безразмерные параметры цикла.

Запишем уравнения состояния для рабочего тела в точках а и с:

, .

Разделив первое уравнение на второе, получим

, ,

откуда .

Из уравнения адиабаты имеем и .

Тогда температура в точке с .

Записав уравнения состояния газа для точек и с и разделив почленно первое на второе, получим:

 

^{; ;}

.

Так как и , то ;

;

тогда ;

.

Из уравнений состояния газа для точек и получим:

; ; .

Рисунок 3.1- Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме и давлении на диаграммах p, v и T, s.

Так как ; , то

Наконец, из уравнений состояния газа в точках z и b из уравнения адиабаты имеем

^{; ;}

 

.

Значит, , откуда

 

.

 

Подставляя значения температур в характерных точках в выражение для КПД цикла, получим

 

.

 

Приведем эту формулу к виду

 

 

с учетом того, что

и .

Термический КПД обобщенного цикла увеличивается при увеличении степени сжатия , степени повышения давления , показателя адиабаты к и уменьшается при увеличении степени предварительного расширения . Однако чем больше , тем больше q₁ и тем меньше удельная работа сжатия .

 

Работа теоретического цикла определяется по формуле . Отношение работы цикла к рабочему объему цилиндра (удельная работа) характеризует среднее давление цикла .

Поскольку

 

и

,

то

.

 

Так как , выражение для среднего давления газа в обобщенном цикле будет иметь вид

 

Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления является повышение начального давления р_а.

Циклы с подводом теплоты при р= const или υ = const являются частными случаями рассмотренного обобщенного цикла. При обобщенный цикл представляет собой цикл с изобарным подводом теплоты, а при ρ =1 – цикл с изохорным подводом теплоты.

Следует обратить особое внимание, что в данных циклах отвод теплоты осуществляется в изохорном процессе. При этом параметры газа в конце процесса расширения значительно превышают параметры окружающей среды. Термодинамический цикл с продолженным расширением может быть осуществлен в комплексной установке двигателя и турбонагнетателя, состоящего из газовой турбины и компрессора (рисунок 3.2, рисунок 3.3). В газовой турбине происходит дальнейшее расширение газов, а полученная при этом энергия расходуется на привод нагнетателя для наддува двигателя. Циклы установки с продолженным расширением, переменным и постоянным давлением газов перед турбиной представлены соответственно на рисунке 3.2 и на рисунке 3.3. Термический КПД циклов соответственно

;

,

 

где bf - продолженное расширение газа на лопатках турбины; f0 – отвод теплоты при р = const; 0а – адиабатное сжатие воздуха в нагнетателе; - общая степень сжатия.

 

 

Из сравнения выражений для КПД обобщенного цикла и цикла с продолженным расширением газов видно, что КПД последнего выше. Это относится также к циклу с продолженным расширением, когда давление перед турбиной поддерживается постоянным, и кинетическая энергия отработавших газов не используется на лопатках турбины (рисунок 3.3.)