В реальном поршневом двигателе внутреннего сгорания преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу происходит через ряд последовательных физико-химических и термодинамических преобразований, составляющих в совокупности круговой необратимый и незамкнутый цикл. Такой цикл принято называть рабочим, или действительным циклом. Однако непосредственное изучение рабочего цикла затруднено сложностью всей совокупности факторов, влияющих на протекание процесса в целом. К таким факторам относятся следующие: режим работы двигателя; состав смеси; способ смесеобразования и воспламенения; степень сжатия и многие конструктивные факторы. Кроме того, в поршневых двигателях имеет место одновременное протекание термодинамических, газодинамических и теплообменных процессов, кратких по времени и накладывающихся друг на друга, что еще больше усложняет картину явлений в действительном рабочем цикле поршневого двигателя [1].
Ввиду сложности явлений, происходящих в цилиндре двигателя, оценку влияния отдельных факторов на рабочий процесс целесообразно осуществлять последовательно, рассматривая в цикле главные процессы в простейшей форме. При этом не должны приниматься во внимание явления и потери энергии, которые сопутствуют основным процессам и вызываются не термодинамическими требованиями, а влиянием на главные процессы действительных реальных условий. При такой схематизации протекающих в цилиндре двигателя сложных явлений преобразования теплоты в механическую работу рабочие циклы превращаются в идеальные, в которых методом абстракции возможно уложить все процессы в рамки чисто термодинамической задачи [2].
Следовательно, идеальным циклом двигателя внутреннего сгорания называется такой замкнутый и обратимый цикл, в котором отсутствуют какие-либо потери энергии, не обусловленные согласно второму закону термодинамики необходимостью отдачи теплоты холодному источнику [1].
Основные условия идеального цикла заключаются в следующем:
1. Рабочим телом в цикле служит идеальный газ, неизменный по весу, химическому составу, теплоемкости, а процесс горения заменяется мгновенным подводом тождественного количества теплоты Q от горячего источника и отдачей теплоты Q2 холодному источнику [3];
2. Мгновенный подвод теплоты может осуществляться при постоянном объеме (V = const) либо при постоянном давлении (р = const), либо но смешанному циклу (V = const и р — const)[3];
3. При совершении обратимых процессов превращение теплоты в механическую работу является максимальным, т.е. величина термодинамического к. п. д. цикла по сравнению с индикаторным к. п.д. двигателя — максимальная [3];
Физические основы устройства двигателя внутреннего сгорания (Двигатель Отто)
... ме (цикл Отто) Является прототипом рабочего процесса в двигателях с принудительным зажиганием. Цикл Отто -- термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при ... осуществляться воздухом, сжатым в специальном компрессоре (компрессорные дизеля), или механическое распыление при помощи топливного насоса (бескомпрессорные дизеля). После завершения ...
4. Все типы циклов в одинаковых условиях сравнимы между собой и есть возможность получить максимально достижимый предел использования теплоты в том или другом цикле, наглядно выявить основные параметры, влияющие на их экономичность, и наметить пути дальнейшего совершенствования двигателей [3].
Следовательно, исходя из абстрактно поставленной задачи, с помощью сравнительного анализа можно получить практически ценные выводы. В этом надо видеть смысл исследования идеальных циклов [2].
В теории рабочих процессов поршневых и турбопоршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от принятых исходных условий и целевого назначения исследования кроме идеального цикла рассматриваются также теоретический и рабочий (действительный) циклы [2].
Теоретический цикл отличается от идеального тем, что в нем рабочим телом являются реальные газы переменного состава по мере сгорания топлива и с переменной теплоемкостью. Принимается допущение, что сгорание топлива мгновенное и полное — без потерь (теплоотдача отсутствует) [1].
Как отмечалось выше, рабочий (действительный) цикл совершается в цилиндрах современных реальных двигателей, где сгорание топлива происходит по сложным физико-химическим законам. В течение всего времени протекания цикла имеет место теплообмен с внешней средой. Рабочим телом являются реальные газы переменного состава с переменной теплоемкостью, учитывающие также изменение количества и диссоциацию продуктов сгорания.
Из сравнения этих циклов следует, что теоретический цикл представляет собой следующую после идеального цикла ступень приближения к рабочему (действительному) циклу [2].
Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с точки зрения осуществляемого в рабочем цилиндре термодинамического цикла они могут быть подразделены на три основные группы:
1) двигатели, работающие по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме;
2) двигатели, работающие по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении;
3) двигатели, работающие по смешанному циклу с подводом теплоты при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении [2].
- параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (p, T, v),
- энергетических характеристик цикла: подводимой удельной теплоты q1, отводимой удельной теплоты q2, цикловой работы Lц и термического КПД цикла зt [2].
2.1 Расчет параметров в характерных точках цикла
Для определения параметров состояния в точке 2 рассмотрим процесс 1-2 — адиабатное сжатие. Запишем уравнение адиабатного процесса в следующем виде:
Поршневые двигатели внутреннего сгорания развитие науки
... изучить систему научных трудов, сделавших вклад в развитие ДВС; 3. раскрыть сущность циклов для поршневых двигателей внутреннего сгорания и провести анализ. Структура работы. Работа состоит из введения, основной части, ...
или (2.1.)
Выразим из уравнения давление в т.2:
(2.2.)
Для определения температуры в т.2 запишем уравнение адиабатного процесса в виде:
или (2.3.)
Отсюда:
(2.4.)
Для определения параметров состояния в точке 3 рассмотрен процесс 2-3 — изохорный процесс с подводом теплоты, при этом давление возрастает пропорционально температуре:
(2.5.)
Давление в т.3 можно рассчитать по формуле:
Температура в т.3:
(2.7.)
Определим параметры состояния в точке 4. Рассмотрен процесс 3-4 — адиабатное расширение. Используя уравнение адиабатного процесса, получено выражение для абсолютного давления в т.4:
Объем в т. 4
(2.8)
Давление в т.4:
Температура в т.4:
2.2 Расчет энергетических характеристик цикла
Подводимая теплота:
(2.11.)
Отводимая теплота:
(2.12.)
Работа цикла:
(2.13.)
Термический КПД цикла:
(2.14)
Чем больше степень сжатия е, тем выше эффективность цикла. Увеличение е в карбюраторных двигателях ограничено наступлением детонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси иконструктивных особенностей камеры сгорания, поэтому е = 6~12 [6].
(1 — впускной клапан, 2 — выпускной клапан)
1. Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания / Н.Х. Дьяченко. — Н.: Машиностроение, 1974. — 551 с.
2. Кириллов И.И. Теория турбомашин / И.И. Дьяченко. — Л.: Машиостроение,1964. — 511 с.
3. Петриченко, Р.М. Рабочие процессы поршневых машин / Р.М. Петриченко. — М.: Машиностроение, 1972. — 164 с.
4. Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания / C.C. Баландин. — М.: Машиностроение, 1972. — 168 с.
5. Алексеев В.П. Двигатели внутреннего сгорания / В.П. Алексеев. — М.: Машиностроение, 1990. — 254 с.
6. Архангельский В.М. Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский. — М.: Машиностроение, 1977. — 591 с.
