Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу.

При рассмотрении идеальных циклов делаются следующие допущения:

1. Предполагается, что цикл осуществляется постоянным количеством идеального газа, неизменного химического состава и постоянной теплоёмкости.

2. Предполагается, что процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. по адиабате.

3. Сгорание топлива и удаление продуктов сгорания заменяются условными процессами подвода и отвода тепла, протекающими при v = const или р = const.

Для характеристики цикла вводятся понятия о его параметрах, представляющих собой отношение объёмов, температур и давлений в характерных точках цикла. К ним относятся: степень сжатия ε – это отношение объёма в начале сжатия к объёму в конце сжатия ( ); степень повышения давления λ – отношение наибольшего давления в цикле к давлению конца сжатия ( ); степень предварительного расширения ρ – это отношение объёма в конце подвода тепла к объёму в конце сжатия ( ).

В ДВС в качестве рабочего тела служат газообразные продукты сгорания топлива. Все современные ДВС подразделяются на три основные группы, в которых теплота к рабочему телу подводится:

- при постоянном объеме (v=const, цикл Отто);

- при постоянном давлении (p=const, цикл Дизеля);

- вначале при v=const и затем при p=const (смешанный цикл Тринклера).

Цикл Oтто

Рис. 3.9

На pv - и Ts – диаграммах (см.рис. 3.9) изображен цикл с подводом теплоты q_п при постоянном объеме.

Цикл состоит из четырех последовательных процессов:

1-2-адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3-изохорный подвод теплоты к рабочему телу q_п=с_v× (Т₃-Т₂);

3-4-адиабатное расширение рабочего тела (рабочий ход);

4-1-изохорный отвод теплоты от рабочего тела q_от=с_v× (Т₄-Т₁).

Термический КПД цикла определяется по формуле

, (3.16)

где - степень сжатия; - показатель адиабаты.

Работа цикла

. (3.17)

.

Цикл Дизеля

Рис. 3.10

На pv - и Ts – диаграммах (см.рис. 3.10) изображен цикл с подводом теплоты q_п при постоянном давлении. Цикл состоит из четырех последовательных процессов:

1-2-адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3-изобарное расширение с подводом теплоты q_п=с_р× (Т₃-Т₂);

3-4-адиабатное расширение рабочего тела;

4-1-изохорный отвод от рабочего тела теплоты q_от=с_v× (Т₄-Т₁).

Термический КПД цикла

, (3.18)

где - степень предварительного расширения.

Работа цикла определяется по формуле

. (3.19)

Цикл Тринклера

Рис. 3.11

На pv - и Ts – диаграммах (см.рис. 3.11) изображен цикл Тринклера.

Цикл состоит из 5 последовательных процессов:

1-2-адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3-изохорный подвод теплоты к рабочему телу =с_v× (Т₃-Т₂);

3-4-изобарное расширение с подводом теплоты =с_р× (Т₄-Т₃);

4-5-адиабатное расширение (рабочий ход);

5-1-изохорный отвод теплоты от рабочего тела q_от=с_v× (Т₅-Т₁).

Термический КПД для смешанного цикла определяется формулой

, (3.20)

где - степень повышения давления, остальные обозначения имеют прежний смысл.

Работа цикла

. (3.21)