Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

При рассмотрении теоретических циклов принимаются следующие допущения:

1. Циклы являются замкнутыми и протекают с постоянным количеством одного и того же идеального рабочего тела (газа). Следовательно, не учитываются процессы впуска и выпуска и обусловленные ими потери.

2. Процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. адиабатно. Теплоемкость газа на протяжении всего цикла считается постоянной.

3. В цилиндре двигателя не происходит сгорания топлива, а имеет место сообщения тепла извне и отдача его холодному источнику.

В настоящее время для поршневых двигателей внутреннего сгорания практическое значение имеют следующие теоретические циклы, различающиеся между собой характером процесса сообщения тепла рабочему телу:

1. Цикл с сообщением тепла при постоянном объеме. Этот способ сообщения тепла рабочему телу близок к характеру протекания процесса сгорания в двигателях с посторонним источником воспламенения.

2. Цикл с сообщением тепла как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении. Такой цикл обычно называют смешанным. Этот способ сообщения тепла рабочему телу близок к характеру протекания процессов сгорания в двигателях с бескомпрессорным распыливанием топлива и его воспламенением за счет тепла сжатого воздуха.

3. Цикл с сообщением тепла при постоянном давлении. Этот цикл соответствует протеканию процесса сгорания в двигателях с распыливанием топлива сжатым воздухом. Двигатели с таким циклом в настоящее время не строят.

На рис.7 представлен обобщенный теоретический цикл. Цикл состоит из адиабатного сжатия а – с, смешанного сообщения тепла рабочему телу при V= const (cz') и p=const (z'z), адиабатного расширения zb и смешанного отвода тепла при V=const (bf) и р=const (fa).

Рис.7 Обобщенный теоретический цикл

Введем следующие обозначения:

V_a/V_c=ε— степень сжатия;

V_Z/V_C=Р — степень предварительного расширения;

V_b/V_z =δ — степень последующего расширения;

p/p_c = λ — степень повышения давления;

c_p/c_v = κ — показатель адиабаты.

Термический к.п.д., характеризующий степень совершенства превращения сообщенного тепла в механическую работу,

Количество сообщенного тепла в цикле [дж/кг]

а количество отведенного тепла [дж/кг]

Подставляя значения для Q₁ и Q₂ в формулу для получим

Выразим температуры в характерных точках цикла через начальную температуру Т_а и параметры цикла:

;

;

;

.

P

V

Рис. 8 Цикл с сообщением тепла при постоянном объёме.

Выражение термического к.п.д. цикла со мешанным сообщением тепла (при V= const и p=const ) и отводом тепла (при V= const)

Можно показать, что термический к.п.д. смешанного цикла повышается при увеличении λ, ε и k, а при увеличении Р понижается.

В цикле с сообщением тепла при V = const (рис.8 ) отсутствуют процессы при р = const, а поэтому р =1 и ε =8. Подставив в формулу эти значения, получим выражение термического к.п д. цикла с сообщением тепла при V=const

В цикле с сообщением тепла при р = const (рис. 9)

отсутствует сообщение тепла при постоянном объеме и отвод тепла при постоянном давлении, поэтому λ = 1 и ε = δр. Подставив в формулу эти значения, получим выражение термического к.п.д. цикла с подводом тепла при р = const:

P

V

Рис.9 Циклы с сообщением тепла

при р = const.

Экономичность этого цикла зависит от ε, k и σ, повышаясь с увеличением ε и k, а также с уменьшением σ.