Что понимают под степенью сжатия в цикле объемы в соответствующих точках цикла

Теоретические циклы поршневых ДВС

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Классификация:

2) по виду преобразования энергии:

3) по рабочему циклу:

4) по способу приготовления рабочей смеси:

— с внешним смесеобразованием (карбюраторные);

— с внутренним смесеобразованием (дизельные);

Все современные поршневые ДВС делятся на три группы:

— с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме;

— с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении;

— со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении.

Основными характеристиками цикла ДВС являются:

Принцип действия четырехтактного поршневого двигателя:

Индикаторная диаграмма показывает работу реального двигателя. В действительности термодинамика рассматривает не реальные процессы, а идеальные обратимые циклы, поэтому в термодинамических циклах поршневых ДВС такты впуска и выпуска (I и IV) не рассматриваются (основные параметры не меняются, а изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре).

Теоретические циклы поршневых ДВС

Топливо: бензин, генераторный газ, спирты.

Состоит из двух адиабат и двух изохор.

Характеристики цикла:

Степень повышения давления:

Количество подведенной теплоты:

Количество отведенной теплоты:

Термический КПД зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. С увеличением показателя адиабаты и степени сжатия КПД увеличивается.

Достоинство цикла: массогабаритный показатель.

Топливо: нефть, мазут.

Отличие от цикла Отто: воздух и топливо подаются в цилиндр раздельно. Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а затем впрыскивается топливо (с помощью компрессора).

Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры.

Характеристики цикла:

Степень предварительного расширения:

Количество подведенной теплоты:

Количество отведенной теплоты:

Термический КПД зависит от степени сжатия, рода рабочего тела, степени предварительного расширения. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты КПД растет, с увеличением степени предварительного расширения КПД снижается.

Недостаток: усложнение конструкции из-за компрессора, увеличение веса.

Отличие от циклов Отто и Дизеля: бескомпрессорный двигатель высокого сжатия.

Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в цилиндр в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо воспламеняется и горит в течение всего времени, пока открыта форсунка: в начале при υ = const, а затем р = const.

Состоит из двух адиабат, изобары и двух изохор.

Характеристики цикла:

;

Степень повышения давления:

;

Степень предварительного расширения:

;

Количество подведенной теплоты:

Количество отведенной теплоты:

Термический КПД зависит от рабочего тела, от степеней сжатия, повышения давления и предварительного расширения. С увеличением показателя адиабаты, степени сжатия и степени повышения давления КПД растет, а с увеличением степени предварительного расширения КПД падает.

Источник

Электронная библиотека

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие циклы:

· со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

· с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

· с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const).

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью, и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух, и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100…150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих процессов (рис. 9.14): a–с – адиабатное сжатие; c–z’ – изохорный подвод теплоты; z’–z – изобарный подвод теплоты; z–e – адиабатное расширение; е–а – изохорный отвод теплоты.

Рис. 9.14. Диаграммы работы цикла со смешанным подводом теплоты

Цикл является как бы обобщающим для всех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом зависит от заданного начального состояния в точке с и от параметров цикла:

· степени сжатия (степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c; разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра V_h);

· степени изохорного повышения давления ;

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

Термический КПД смешанного цикла равен:

Подставляя выражения для соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим:

Работа теоретического цикла определяется по формуле:

Отношение работы цикла к рабочему объему v_h характеризует среднее давление цикла:

Среднее давление смешанного цикла равно:

Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления цикла является повышение начального давления – наддув двигателя.

Рассмотренный идеальный цикл лежит в основе работы всех современных дизелей.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является частным случаем рассмотренного цикла со смешанным подводом теплоты, когда степень изобарного расширения = 1.

По этому циклу работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь до давления 1,0… 1,5 МПа и поджигается в конце сжатия от электрической искры. Идеальный цикл Отто (рис. 9.15) состоит из процессов адиабатного сжатия (а–с), подвода к рабочему телу теплоты при v = const (c–z), адиабатного расширения (z–e) и отдачи рабочим телом теплоты при v =const (е–а).

Параметры в узловых точках цикла определяются так же, как и для цикла со смешанным подводом теплоты.

Формулы для определения и р_ц в этом цикле получаются из соответствующих формул для смешанного цикла при = 1:

Рис. 9.15. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Из выражения (9.11) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. Несмотря на то, что с увеличением степени сжатия растут термический КПД и полезная работа цикла, при больших степенях сжатия ( > 10) в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси.

Еще более существенным является то обстоятельство, что с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры в конце сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. По этой причине двигатели, работающие по циклу v = const, имеют вполне определенные предельные значения степени сжатия ( = 5,5…9,0).

Явление детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому сорт применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия для двигателей легкого топлива.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) является также частным случаем обобщающего цикла при = 1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0…5,0 МПа, и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля (рис. 9.16) состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты Термический КПД и среднее давление цикла из формул (9.9) и (9.10) при = 1 соответственно равны:

Влияние на такое же, как и в циклах Тринклера и Отто, т.е. с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла. При увеличении степени предварительного расширения ( ), как видно из формулы (9.12), термический КПД цикла должен падать.

Рис. 9.16. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

При постоянной степени сжатия увеличение вызовет увеличение объема v_z , который зависит от подводимого количества теплоты q₁. При увеличении q₁ увеличивается объем v_z, а вместе с ним увеличивается и работа цикла. Таким образом, возрастание приводит к увеличению работы и уменьшению термического КПД.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при v = const и p = const, видим, что они различаются множителем:

Из TS-диаграммы (рис. 9.17) следует, что наибольший термический КПД будет у цикла с подводом теплоты при р = const:

КПД смешанного цикла имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при p = const и v = const.

Рис. 9.17. Сравнение циклов при различных степенях сжатия

При оптимальных степенях сжатия (для цикла Отто Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник

7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания подразделяют на три группы:

Основными характеристиками или параметрами любого цикла теплового двигателя являются следующие безрамерные величины:

степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия)

степень повышения давления (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

степень предварительного расширения или степень изобарного расширения (отношение удельных объемов в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

1). Рассмотрим цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме на примере четырехтактного двигателя.

Диаграмма реального двигателя представлена на рис.7.3.

а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь воздуха и паров горючего (нетермодинамичемкий процесс);

1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается температура);

2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q₁);

3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа);

4-а – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр давление цилиндра падает (отводится тепло q₂).

1-а (4 такт) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов.

Затем процесс повторяется.

Описанный процесс является необратимым (наличие трения, химической реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.).

Для анализа теории тепловых машин термодинамика рассматривает идеальные циклы обратимые циклы. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего сгорания показана на рис.7.4.

Из этой диаграммы выводится формула для термического к.п.д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, который имеет следующий вид:

где: e –степень сжатия (основной показатель работы двигателя, чем выше е, тем выше экономичность ДВС);

g – показатель адиабаты.

2). Идеальный цикл ДВС со смещанным подводом теплоты при постоянном объеме (безкомпрессорные дизели). Диаграмма цикла показана на рис.7.5.

4-5 – поршень продолжает перемещаться в нижнюю мертвую точку, давление падает (адиабатное расширение);

5-1 – процесс отвода теплоты q₂ при постоянном объеме (через выпускной клапан покидают отработанные газы).

Термический к.п.д. цикла определяется по формуле:

Цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении широкое применение не нашли, так как у этих циклов очень большой коэффициент сжатия.

Источник

Идеальные циклы поршневых ДВС

Исследование циклов тепловых двигателей проводится с целью оценки совершенства действительных процессов, протекающих в двигателе, а также с целью учета влияния различных факторов на экономичность двигателя.

Метод термодинамического анализа циклов тепловых двигателей, предложенный Б. Клапейроном, усовершенствован отечественными учеными В.И. Гриневецким, Б.С. Стечкиным, Е.К. Мазингом и другими, является общим для всех те­пловых двигателей. Этот метод прост и последователен. Сущность его заключается в следующем:

1. Действительный цикл теплового двигателя заменяется идеальным, при этом принимается ряд допущений:

– рабочее тело рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоемкостью и массой один килограмм;

– процесс сгорания топлива, связанный с изменением химического состава рабочего тела, заменяется обратимым процессом подвода теплоты;

– цикл считается замкнутым, т.е. процесс выброса продуктов сгорания заменяется обратимым процессом отвода тепла;

– механические и тепловые потери отсутствуют.

2. Получают формулу термического КПД идеального цикла и проводят анализ влияния различных факторов на величину .

3. Получают, а затем анализируют выражение полезной работы цикла.

Используя данный метод, проведем исследование некоторых циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Внутри цилиндра поршневого ДВС в результате сгорания топлива

выделяется большое количество теплоты и образуется газообразное рабочее тело. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, приемлемые массогабаритные и эксплуатационные характеристики. Они широко используются, особенно в качестве транспортных двигателей.

По характеру процессов, при которых осуществляется сгорание топлива, циклы поршневых ДВС делятся на три вида:

1) с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто);

2) с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля);

5.2.1. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты

С целью анализа действительный цикл заменим идеальным, рис.5.3, включающим следующие процессы:

1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;

2-3 – изохора подвода теплоты q₁;

3-4 – адиабата расширения рабочего тела;

4-1 – изохора отвода теплоты q₂.

При анализе цикла исходными данными являются: параметры состояния в точке 1: p_1, T₁, v_1; с т е п е н ь с ж а т и я и с т е- п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я . Рис. 5.3

Под степенью сжатия понимают отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Для цикла, изображенного на рис. 5.3

.

Величина зависит от количества подведенной теплоты q₁ в изохорном процессе и определяется по выражению:

.

Определим параметры рабочего тела в состояниях 2, 3 и 4.

Точка 3: v₃ = v₂ = v₁ / ; p₃ = p₂ = к p₁; T₃ = T₂ = к-1 T_1.

Точка 4: v₄ = v₁; p₄ = p₁; T₄ = T₁.

Значения температур в точках цикла позволяют определить количество подведенной и отведенной теплоты по формулам:

q₂ = c_v(T₄ – T₁) = c_v( T₁ – T₁) = c_v( -1)T₁.

Найдем термический КПД изохорного цикла:

Таким образом, термический КПД ДВС с изохорным подводом тепла зависит только от степени сжатия и показателя адиабаты к.

На рис. 5.4 приведены расчетные кривые, показывающие зависи­ мость от и к. Из гра­фика видно, что с увеличением величина непрерывно растет. Однако в двигателях, работающих по изохорному циклу, величина степени сжатия ограничивается по двум причинам: во-первых, при больших может наступить детонационное горение топлива; во-вторых, возникает опасность преждевременного самовоспламенения топлива в конце сжатия из-за высокой температуры. Поэтому для современных изохорных двигателей = 7…10.

Рис. 5.4Вычислим полезную работу цикла:

Выражая c_v через к и R и используя уравнение состояния, получим:

Анализ выражения (5.3) показывает, что работа цикла растет с увеличением и .

По циклу с изохорным подводом тепла работают ДВС на легких фракциях горючего.

5.2.2. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты

Сгораемое в ДВС топливо представляет собой смесь какого-либо горючего с воздухом. Если в цилиндре сжимать вначале воздух, а затем подавать туда распыленное горючее под высоким давлением, то можно избежать и детонации преждевременного воспламенения. Эта раздельная подача позволяет существенно повысить степень сжатия, а, следовательно, и КПД и использовать в качестве горючего более тяжелые фракции переработки нефти. Создание двигателя, использующего этот принцип, связано с именем немецкого инженера Р. Дизеля (1858-1913), поэтому двигатели с раздельным сжатием называют д и з е л ь н ы м и.

В дизелях горючее подается в цилиндр в конце такта сжатия. Так как температура находящегося в цилиндре сжатого воздуха высокая, топливная смесь воспламеняется. В процессе горения, несмотря на то, что поршень перемещается, давление остается постоянным.

Идеальный цикл с изобарным подводом тепла, рис.5.5, состоит из следующих процессов:

1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;

2-3 – изобара подвода теплоты;

3-4– адиабата расширения рабочего тела;

4-1 – изохоры отвода теплоты.

Здесь заданными являются:

параметры p₁, v₁, T₁, а также степень сжатия и степень предварительного расширения.

. Последнюю обозначают через

и вычисляют как

. Рис. 5.5

Получим выражение термического КПД этого цикла, для чего определим параметры в точках 2,3,4.

Точка 3: v₃ = v₂ = v₁; p₃ = p₂ = p₁ ; T₃ = T₁.

Точка 4: v₄ = v₁; p₄ = p₃(v₃/v₄) к = p_{1 ;} T₄=T₁ p₄/p₁ = T₁.

Вычислим значения теплоты в процессах 2-3 и 4-1:

q₁ = c_p (T₃ –T₂) = c_p ( -1) T₁

После подстановки q₁ и q₂ в формулу термического КПД и сокращения, получим:

. (5.4)

Отсюда следует, что термический КПД цикла с изобарным подводом тепла зависит от степени сжатия , величины показателя адиабатык и степени предварительного расширения

Он возрастает с увеличением и ки уменьшением .

Полезная работа цикла будет равна

L_ц = q₁-q₂ = c_pT₁( -1) – c_vT₁( -1) = .

Работа цикла возрастает с увеличением и уменьшением .

При одинаковых степенях сжатия термический КПД цикла с изобарным подводом тепла ниже, чем у цикла с изохорным подводом тепла, так как

сомножитель в уравнении (5.4) всегда больше единицы. Но в изобарных ДВС используются более высокие значения , чем в изохорных двигателях, что повышает их экономичность.

В табл.5.1 приведены величины дизельного двигателя для ряда и при к = 1,35.

		p2, МПа	T2, K
60,1	37,3	3,82
62,1	40,4	4,59
63,8	43,0	5,40
65,2	45,2	6,24
66,4	41,2	7,12
67,5	48,9	8,03

Для увеличения экономичности дизеля необходимо увеличивать степень сжатия и уменьшать степень предварительного расширения. Это значит, что действительный процесс сгорания топлива желательно проводить при наименьшем изменении объема цилиндра. Осуществление такого процесса сгорания возможно в двигателях со смешанным подводом теплоты, в которых топливо начинает гореть при постоянном объеме, а сгорание заканчивается при постоянном давлении. Анализ цикла со смешанным подводом теплоты включает элементы изохорного и изобарного циклов.

Выражение термического КПД смешанного цикла имеет вид:

(5.5)

Сравнение циклов поршневых ДВС

Сравнение циклов поршневых двигателей проводят при одинаковых максимальных давлениях и равных перепадах температур, так как именно эти условия в действительности определяют конструктивные особенности двигателей, их прочность, надежность в эксплуатации.

Для сравнения циклов их изображают совмещено в Ts координатах, рис.5.6,

где цикл 12341 – изохорный;

цикл 12′′341 – изобарный;

цикл 12 ′ 3′ 341 – смешанный.

Для анализа запишем в виде: .

Здесь числитель – полезно используемая теплота цикла, она эквивалентна площади изображенных циклов. Знаменатель – отведенная теплота, она оди-

накова для всех циклов. Из рис.5.6 наглядно видно, что термический КПД изобарного цикла самый максимальный из рассматриваемых.

Источник