Лекци@20-Циклы_двигателей_внутреннего_сгорани@ (Сборник электронных лекций)

Лекции по термодинамике
доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.
Э6
нергомашиностроение.
Лекция №20
Циклы двигателей
внутреннего сгорания
• схема устройства и работа ДВС.
• характеристики термодинамических циклов ДВС.
• экономичность идеальных циклов.
• изображение идеальных циклов ДВС в координатах sT.
• исследование идеальных циклов ДВС.
• экономичность реальных двигателей.

Схема устройства и работа двигателей внутреннего сгорания
Двигателем внутреннего сгорания
называется поршневой двигатель,
рабочим телом в котором являются
продукты сгорания топлива (жидкого
или газообразного), сгорающего
непосредственно в объеме цилиндра.
На рис. 1 показаны схема
устройства двигателя и его
индикаторная диаграмма, т. е.
графическое изображение
зависимости давления в цилиндре
1-2 – адиабатное сжатие
р Н/м2 от хода поршня hм или от
2-3 – сгорание при V=const
объема цилиндра V м3. Различают
3-4 – сгорание при P=const
теоретическую и действительную
4-5 – адиабатное расширение
индикаторные диаграммы.
Индикаторной диаграммой весьма
5-1 – выпуск
наглядно представляется рабочий
1-6 – выталкивание
цикл двигателя, т. е. некоторое вполне
закономерное чередование различных
процессов, протекающих в рабочем
Рис. 1. Схема устройства четырехтактного
объеме его цилиндра за один или два
ДВС и его индикаторная диаграмма(дизель)
оборота вала. При этом следует иметь
в виду, что в число процессов,
составляющих рабочий цикл реального
двигателя, входят процессы, в течение которых количество рабочего тела меняется (впуск и выпуск),
а также процессы изменения химического состава вещества (горение). Поэтому рабочий цикл двигателя
не следует смешивать с термодинамическим циклом, характеризуемым постоянным количеством 2
вещества не изменяющегося химического состава.

Двигатели, схема которых показана
на рис. 1, называют двигателями с
воспламенением от сжатия, или
дизелями.
Другого типа двигателями
являются двигатели с принудительным зажиганием. В цилиндры такого
двигателя подают уже готовую смесь
топлива с воздухом, приготовленную
вне цилиндра в специальных
устройствах (карбюраторах). Подобные
двигатели не нуждаются в топливных
клапанах, но имеют особое устройство
для зажигания горючей смеси в конце
сжатия (электрозажигание). Если
рабочий цикл двигателя совершается
за четыре хода поршня (два оборота
вала), то двигатель называют
четырехтактным, если— за два хода
поршня (один оборот
вала), двигатель называют
двухтактным.
Рис. 2. Схема устройства двухтактного
ДВС и его индикаторная диаграмма(двигатель
с принудительным зажиганием(смесь готовится
в карбюраторе))
3

Рис. 3. Термодинамический поршневой двигатель
и идеальный обобщенный цикл ДВС
4

Характеристики термодинамических циклов ДВС
Важнейшими характеристиками всякого цикла двигателя являются следующие безразмерные
величины:
Степень сжатия — отношение удельного объема рабочего тела, соответствующего началу
сжатия (точка 1 на рис. 2), к удельному объёму в конце сжатия (точка 2):

  1
2
(1)
Степень дополнительного повышения давления — отношение давления в конце подвода
теплоты при = const к давлению в конце сжатия:

p3
p2
(2)
Степень предварительного расширения - отношение удельного объёма в конце процесса
подвода теплоты при p=const к удельному объёму в начале этого процесса:
4
 
3
(3)
Степень последующего расширения — отношение удельных объемов в конце и в начале
процесса адиабатного расширения. Последняя величина равна объему в конце процессов
подвода теплоты:
5

 
4
5
(4)

Рис. 4. Идеальный цикл ДВС с
подводом теплоты при p=const
Рис. 5. Идеальный цикл ДВС с
подводом теплоты при const
6

Экономичность идеальных циклов
Для всякого идеального цикла показателем экономичности является его термический к. п. д.
Определим к. п. д. смешанного цикла (см. рис. 3):
'
''
1
1
2
(5)
t
'
''
1
1
Теплота, подводимая к рабочему телу в процессе =const
(q  q )  q
 
q q
q1' c (T3  T2 )
Теплота, подводимая в процессе p=const
q1'' c p (T4  T3 )
Теплота, отводимая от рабочего тела
q2 c (T5  T1 )
Тогда
c (T3  T2 )  c p (T4  T3 )  c (T5  T1 )
t 
c (T3  T2 )  c p (T4  T3 )
T5  T1
t 1 
(T3  T2 )  k (T4  T3 )
(6)
7

Для адиабаты сжатия 1-2 имеем
T2
1 k  1
( )  k  1
T1
2
Отсюда
Для изохоры 2-3
Отсюда
Для изобары 3-4
T2 T1 k  1
(7)
T3
p
 3 
T2
p2
(8)
T3 T2 T1 k  1
T4
4


T3
3
T4 T3  T1 k  1
(9)
8

Для адиабаты расширения 4-5
T5
4 k  1
( )
T4
5
4 k  1
)
5
 k1
 k1


 k1
5 k  1
1 k  1 
( )
( )
2
3
(
k1
 k1

T5 T4 k  1 T1 k  1 k  1


 k  1
t 1  k  1
    k  1  k ( k  1   k  1 )
t 1 
1
 k1
t 1 
 k  1
(  1)  k  (   1)
1

k1
t 1 
k  1
k (   1)
1

k1
(10)
(11)
(Общая формула) (12)
При p=const
Приconst
(13)
(14)
9

Изображение идеальных циклов ДВС в координатах sT
t 
пл. 123451
пл. a 234b
Рис. 7. Смешанный цикл
в координатах sT
10

Рис. 8. Цикл с подводом теплоты
при p=const в координатах sT
t 
пл. 12(3)451
пл. a 2(3)4b
Рис. 9. Цикл с подводом теплоты
при =const в координатах sT
t 
пл. 123(4)51
пл. a 23(4)b
11

Исследование идеальных циклов ДВС
Цикл с подводом теплоты при v = const.
Рис. 10. Зависимость к.п.д. цикла с
подводом теплоты при =const от
степени сжатия  и показателя
адиабаты k
12

Цикл с подводом теплоты при р = const.
Рис. 11. Зависимость к.п.д. цикла с подводом теплоты при p=const от
степени предварительного расширения степени сжатияи
показателя адиабаты k
13

Смешанный цикл.
Рис. 12. Зависимость к.п.д. смешанного цикла от степени повышения
давления  и степени предварительного расширения 
14

Экономичность реальных двигателей
Отношение
Li
i
L0
(15)
дает так называемый индикаторный (внутренний) к. п. д. двигателя. Этим к. п. д. оценивается степень
отклонения экономичности реального двигателя от экономичности идеального цикла.
Le
e
Qm
(16)
Это отношение называют эффективным к. п. д. двигателя. Эффективная работа двигателя
отличается от индикаторной на величину так называемых механических потерь. Отношение
Отношение
Le
 м
Li
(17)
оценивает величину механических потерь и называется механическим к. п. д. двигателя.
e ti м
(18)
15