Циклы двигателей внутреннего...

Лекция №20 Лекция №20

ЭЭнергомашиностроение.нергомашиностроение.

6

Лекции по термодинамике доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.

• 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.

Лекция №20 Лекция №20 Циклы двигателейЦиклы двигателей

внутреннеговнутреннего сгораниясгорания

Схема устройства и работа двигателей внутреннего сгоранияСхема устройства и работа двигателей внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называется поршневой двигатель, рабочим телом в котором являются продукты сгорания топлива (жидкогоили газообразного), сгорающего непосредственно в объеме цилиндра.

На рис. 1 показаны схемаустройства двигателя и его индикаторная диаграмма, т. е. графическое изображениезависимости давления в цилиндре р Н/м2 от хода поршня h

мили от

объема цилиндра V м3. Различают

1-2 – адиабатное сжатие2-3 – сгорание при V=const

2

объема цилиндра V м . Различают теоретическую и действительнуюиндикаторные диаграммы.Индикаторной диаграммой весьма наглядно представляется рабочийцикл двигателя, т. е. некоторое вполне закономерное чередование различных процессов, протекающих в рабочем объеме его цилиндра за один или два 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 вещества не изменяющегося химического состава.

Рис. 1. Схема устройства четырехтактногоДВС и его индикаторная диаграмма (дизель)

2-3 – сгорание при V=const3-4 – сгорание при P=const

4-5 – адиабатное расширение5-1 – выпуск

1-6 – выталкивание

Двигатели, схема которых показана на рис. 1, называют двигателями своспламенением от сжатия, или дизелями.

Другого типа двигателямиявляются двигатели с принудитель-ным зажиганием. В цилиндры такогодвигателя подают уже готовую смесь топлива с воздухом, приготовленную вне цилиндра в специальных устройствах (карбюраторах). Подобныедвигатели не нуждаются в топливных клапанах, но имеют особое устройство для зажигания горючей смеси в конце сжатия (электрозажигание). Если

3

сжатия (электрозажигание). Еслирабочий 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)

4Рис. 3. Термодинамический поршневой двигатель

и идеальный обобщенный цикл ДВС

Характеристики термодинамических циклов ДВСХарактеристики 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):

Степень дополнительного повышения давления — отношение давления в конце подвода теплоты при υυυυ= const к давлению в конце сжатия:

2

1

υυε = (1)

3p=λ (2)

5

Степень предварительного расширения - отношение удельного объёма в конце процессаподвода теплоты при p=const к удельному объёму в начале этого процесса:

Степень последующего расширения — отношение удельных объемов в конце и в начале процесса адиабатного расширения. Последняя величина равна объему в конце процессов подвода теплоты:

2

3

p

p=λ (2)

3

4

υυρ = (3)

4

5

υυδ = (4)

6

Рис. 4. Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при p=const

Рис. 5. Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при υ=const

Экономичность идеальных цикловЭкономичность идеальных цикловДля всякого идеального цикла показателем экономичности является его термический к. п. д.Определим к. п. д. смешанного цикла (см. рис. 3):

Теплота, подводимая к рабочему телу в процессе υυυυ=const

Теплота, подводимая в процессе p=const

''1

'1

2''

1'1 )(

qq

qqqt +

−+=η (5)

)( 23'1 TTcq −= υ

)( 34''

1 TTcq p −=

7

Теплота, отводимая от рабочего тела

Тогда

)( 341 TTcq p −=

)( 152 TTcq −= υ

)()(

)()()(

3423

153423

TTcTTc

TTcTTcTTc

p

pt −+−

−−−+−=

υ

υυη

)()(1

3423

15

TTkTT

TTt −+−

−−=η(6)

Для адиабаты сжатия 1-2 имеем

Отсюда

Для изохоры 2-3

Отсюда

11

2

1

1

2 )( −− == kk

T

T ευυ

112

−= kTT ε (7)

λ==2

3

2

3

p

p

T

T(8)

λελ 1−== kTTT

8

Отсюда

Для изобары 3-4

λελ 1123

−== kTTT

ρυυ ==

3

4

3

4

T

T

λρερ 1134

−== kTTT (9)

Для адиабаты расширения 4-514

1 115 34

1115 14 5

23

1 11

5 4 11 1

1 1 1 1

( )

( )( )( )

11

( )

kk k

kk

kk

k kk

k k

k

t k k k k

T

T

T T T

k

υυυ ρ ρυ υυ ε

υυρ ρε λ ρε ε

λ ρηε λ ε ε λ ρ ε λ

−− −

−−

−−

− −−

− −

− − − −

= = = =

= =

−= −− + −

(10)

(11)

9

1 1 1 1

1

1( )

1 11

( 1) ( 1)

t k k k k

k

t k

k

k

ηε λ ε ε λ ρ ε λ

λ ρηε λ λ ρ

− − − −

−

= −− + −

−= −− + − (12)

1

1 11

( 1)

k

t k k

ρηε ρ−

−= −−

(13)

1

11t k

ηε −= − (14)

(Общая формула)

При p=const

При υ=const

Изображение идеальных циклов ДВС в координатах Изображение идеальных циклов ДВС в координатах sTsT

. 123451

. 234t

пл

пл a bη =

10

Рис. 6. Смешанный цикл в координатах sT

. 234пл a b

11

Рис. 7. Цикл с подводом теплотыпри p=const в координатах sT

. 12(3)451

. 2(3)4t

пл

пл a bη =

Рис. 8. Цикл с подводом теплоты при υ=const в координатах sT

. 1 2 3( 4 )5 1

. 2 3 ( 4 )t

п л

п л a bη =

Исследование идеальных циклов ДВСИсследование идеальных циклов ДВС

Цикл с подводом теплоты при v = const.

12

Рис. 9. Зависимость к.п.д. цикла с подводом теплоты при υ=const отстепени сжатия ε и показателя

адиабаты k

Цикл с подводом теплоты при р = const.

13

Рис. 10. Зависимость к.п.д. цикла с подводом теплоты при p=const от степени предварительного расширения ρ, степени сжатия ε и

показателя адиабаты k

Смешанный цикл.

14Рис. 11. Зависимость к.п.д. смешанного цикла от степени повышения

давления λ и степени предварительного расширения ρ

Экономичность реальных двигателейЭкономичность реальных двигателей

Отношение

дает так называемый индикаторный (внутренний) к. п. д. двигателя. Этим к. п. д. оценивается степень отклонения экономичности реального двигателя от экономичности идеального цикла.

ii

L

L η=0

(15)

em

e

Q

L η= (16)

15

Это отношение называют эффективным к. п. д. двигателя. Эффективная работа двигателя отличается от индикаторной на величину так называемых механических потерь. Отношение

оценивает величину механических потерь и называется механическим к. п. д. двигателя.

m

м

i

e

L

L η= (17)

мite ηηηη = (18)

Контрольные вопросы

• Двигатель внутреннего сгорания (схема, индикаторная диаграмма)• Характеристики термодинамических циклов ДВС• Экономичность идеальных циклов• Изображение идеальных циклов ДВС в координатах sT• Исследование идеальных циклов ДВС• Зависимость к.п.д. смешанного цикла от степени повышения давления и

степени предварительного расширения

16

степени предварительного расширения

• Экономичность реальных двигателей