Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

Поршневые двигатели – самые распространенные в технике, они отличаются принципом получения механической работы, которой состоит в периодическом расширении и сжатии рабочего тела, находящегося в цилиндре под поршнем, усилие от которого передается потребителям механической энергии.

ДВС применяются в авиации, в автотранспорте, водном и железнодорожном транспорте, а также используются как небольшие стационарные энергетические установки.

Конструктивное использование ДВС разнообразно, однако по термодинамическим признакам (исходя из вида используемого цикла) их можно разделить на три класса:

а) двигатели, использующие цикл с подводом теплоты при постоянном объеме ( );

б) двигатели, использующие цикл с подводом теплоты при постоянном давлении ( );

в) двигатели со смешанным подводом тепловой энергии.

8.1. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме

(цикл Отто)
ДВС потребляют обычно жидкое или газообразное топливо.

На рис. 8.1 представлена схема ДВС с подводом тепла при и реальная P-V диаграмма.

Рис. 8.1. Схема ДВС и реальная P–V диаграмма
Реальная диаграмма ДВС, работающего по циклу Отто, включает в себя следующее процессы:

• 
  FА – процесс всасывания через впускной клапан рабочей смеси топлива и воздуха, полученной в карбюраторе;
  
• 
  АВ – сжатие рабочей смеси под поршнем, в точке В происходит воспаление смеси зажигательным устройством;
  
• 
  ВС – сгорание смеси (практически мгновенное) с повышением давления при незначительном изменение объема;
  
• 
  СD – рабочий ход поршня, вызванный расширением продуктов сгорания, при этом совершается полезная работа;
  
• 
  DЕ – открытие выхлопного клапана;
  
• 
  ЕF – выталкивание продуктов сгорания поршнем.
  

ДВС этого типа получили название карбюраторных и четырехтактных, так как смесь паров топлива и воздуха получается в специальном устройстве – карбюраторе, а поршень за цикл совершает четыре полных хода в цилиндре.

Для упрощения термодинамического анализа цикла Отто реальную диаграмму можно свести к теоретической P–V диаграмме (рис. 8.2). На рис. 8.3. представлена теоретическая T-S диаграмма цикла Отто.

Рис. 8.2. Теоретическая P-V диаграмма цикла Отто

Рис. 8.3. Теоретическая T-S диаграмма цикла Отто

---

Теоретическая диаграмма цикла Отто состоит из следующих процессов:

• 
  1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела;
  
• 
  2–3 – изохорный подвод теплоты ( );
  
• 
  3–4 – адиабатное расширение рабочего тела;
  
• 
  4–1– условный изохорный процесс отвода теплоты, эквиватентный выхлопу отработавших газов.
  

Для анализа циклов ДВС используются следующее характеристики:

а) степень повышения давления ;

б) степень сжатия ;

в) степень предварительного расширения .

Цикл с подводом теплоты при однозначно может быть задан при известном состоянии рабочего тела в точке 1 параметрами - m, πи .

Используя уравнения термодинамических процессов для идеального газа (смеси газов) найдем параметры рабочего тела во всех точках цикла ДВС:

1. 
   , , – заданы; известны mи, =1.
   
2. 
   ; ; .
   
3. 
   ; ; .
   
4. 
   ; ; .
   

Термический КПД любого цикла, в том числе и ДВС, определяется по зависимости:

.

Если теплоемкость газов не зависит от температуры, то для изохорных процессов подвода и отвода теплоты:

; .

Тогда

и, подставив значение температур , , , получим

.

Таким образом, термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты при возрастает с увеличением степени сжатия . Практически повышение степени сжатия  ограничивается в ДВС температурой самовоспламенение сжимаемой в цилиндре рабочей смеси, что связано с детонационной стойкостью топлива.
8.2. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении

(цикл Дизеля)
На рис. 8.4, 8.5 соответственно представлены теоретическая P-V и T-S диаграмма цикла Дизеля.

Рис. 8.4. Теоретическая P-V диаграмма цикла Дизеля

Рис. 8.5. Теоретическая T-S диаграмма цикла Дизеля

В ДВС с подводом теплоты при ввод в цилиндр топлива и воздуха осуществляется раздельно, причем в цилиндре предварительно сжимается не рабочая смесь топлива и воздуха, а только воздух, что позволяет резко увеличить степень сжатия рабочего тела.

После окончания процесса сжатия воздуха в объем цилиндра впрыскивается топливо через специальные форсунки, где оно воспламеняется, так как в воздух имеет высокую температуру после сжатия. Сгорание топлива продолжается определенное время при постоянном высоком давлении.

---

Двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении называются дизельными.

Определим параметры в характерных точках цикла:

1. 
   , , – заданы; известны m,  и .
   
2. 
   ; ; .
   
3. 
   ; ; .
   
4. 
   ; ; .
   

Термический КПД цикла Дизеля: ,

где , .

Подставив значения температур и зная, что получим

.

Таким образом, термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении возрастает с увеличением степени сжатия воздуха и уменьшается с повышением степени предварительного расширения газов в цилиндре.

8.3. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)
Недостатком карбюраторного двигателя является невозможность получить высокую степень сжатия рабочей смеси, для дизельного двигателя обязат5ельно устанавливать насос высокого давления для обеспечения вспрыска топлива в цилиндр.

Можно избежать указанных трудностей при конструирование ДВС. Рассмотрим цикл со смешанным подводом теплоты, он получил названия цикла Тринклера (рис. 8.6, 8.7).

Рис. 8.6. Теоретическая P-V диаграмма цикла Тринклера

Рис. 8.7. Теоретическая T-S диаграмма цикла Тринклера

В двигателе Тринклера, схема которого представлена на рис. 8.8, рабочая смесь подается в камеру предварительного сгорания, где часть топлива сгорает при постоянном объеме. Так как рабочая смесь сильно обогащена топливом, значительная его доля выбрасывается в цилиндр, где происходит процесс сгорания при постоянном давлении.

Рис. 8.8. Схема двигателя Тринклера
Основные характеристики цикла Тринклера: степень повышения давления (m) и степень сжатия (π) определяются так же, как и для цикла Отто.

Степень предварительного расширения: .

Количество подведенной и отведённой теплоты в цикле Тринклера определяется следующим образом:

, .

Выразив, как и ранее, температуры в характерных точках цикла через его параметры и, подставив их значения, получим

.

Таким образом, термический КПД цикла ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера) тем выше, чем больше значения  и m и меньше .

---

8.4. Сравнение циклов ДВС
В таблице 8.1. представлено сравнение циклов ДВС.
Таблица 8.1.

Сравнение циклов ДВС

Наименование	Достоинства двигателя	Недостатки двигателя
Карбюраторный: ,  =47, = 0,18÷0,3.	1.Простота конструкции, небольшие габариты. 2. Почти полное сгорание топлива – мало вредных выбросов. 3. Небольшой расход топлива. 4. Простота запуска двигателя.	1. Использование дорогого топлива (бензин, спирт, газ). 2. Возможные детонации топлива при больших добавках в топливо ядовитых присадок. 3. Сложная система зажигания. 4. Усложнение конструкции при необходимости получить большую мощность.
Дизельный: ,  = 13 ÷ 18, = 0,33 ÷ 0,4.	1. Дешевое топливо. 2. Более высокий, чем у карбюраторных двигателей термический КПД. 3. Нет системы зажигания. 4. Возможность получить большую мощность при сравнительно малых габаритах.	1. Большой расход топлива. 2. Сложная система топливоподачи. 3. Затруднительный пуск в зимний период. 4. Неполное сгорание топлива – большая токсичность выбросов.
Тринклера: , .	1. Совмещает преимущества дизельных и карбюраторных двигателей.	1. Сложная конструкция.

Сравним рассмотренные циклы ДВС в T–S диаграмме.


Рис. 8.9. Циклы ДВС при постоянной величине степени сжатия (π)


Рис. 8.10. Циклы ДВС при одинаковой максимальной температуре цикла
Из сравнения циклов (рис. 8.9, 8.10) следует, что при одном и том же значении степени сжатия наибольшим термическим КПД обладают карбюраторные двигатели. При одинаковой максимальной температуре цикла наибольшим КПД обладают дизельные двигатели.

Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Дайте классификацию ДВС по термодинамическим признакам.
   
2. 
   Приведите примеры использования различных видов ДВС в технике.
   
3. 
   Изобразите действительную (индикаторную) диаграмму карбюраторного ДВС.
   
4. 
   Изобразите схему ДВС, назовите ее основные элементы.
   
5. 
   Объясните последовательность основных процессов цикла ДВС в P-V и T-S диаграммах.
   
6. 
   Назовите основные термодинамические характеристики ДВС.
   
7. 
   Как определить степень сжатия в ДВС?
   
8. 
   Как определить степень повышения давления (компрессию) в ДВС?
   
9. 
   Как определить степень предварительного расширения в ДВС?
   
10. 
    Запишите уравнение для расчета КПД карбюраторного ДВС.
    
11. 
    Запишите уравнение для расчета КПД дизельного ДВС.
    
12. 
    Как влияет степень сжатия на КПД ДВС?
    
13. 
    Чем отличаются дизельные и карбюраторные ДВС?
    
14. 
    В каком типе ДВС можно получить большее значение термического КПД?
    
15. 
    Какое топливо используется в карбюраторных и дизельных ДВС?
    
16. 
    Как зависит КПД дизельного ДВС от степени предварительного расширения?
    
17. 
    Как работают ДВС со смешанным подводом тепла?
    
18. 
    В чем заключаются преимущества и недостатки карбюраторных ДВС?
    
19. 
    В чем заключаются преимущества и недостатки дизельных ДВС?
    
20. 
    Какими способами можно повысить термический КПД цикла ДВС?
    

---

---