Лекція 11

Термодинамічний аналіз циклів ДВЗ з ізохорним, ізобарним і із змішаним підводом теплоти. Методи підвищення термодинамічного ККД циклів ДВЗ.

Термодинамічний аналіз поршневого ДВЗ з підводом теплоти при сталому об’ємі (цикл Отто, цикл бензинового двигуна).

Принципова схема та індикаторна діаграма.

1- впускний клапан; 2- випускний клапан; 3- електрична свічка; 4- поршень;

5- циліндр.

а-1—ізобарний впуск паливно-повітряної суміші через відкритий впускний клапан 1 в циліндр, в тому числі за рахунок тиску Р_атм.. При цьому поршень рухається із ВМТ до НМТ;

1-2—політропний стиск паливно-повітряної суміші до досягнення температури нижчої від температури самозаймання палива. Ця умова накладає межу верхнього тиску;

2-3—ізохорне (миттєве) згоряння паливно-повітряної суміші від електричної свічки;

3-4—політропне розширення продуктів згоряння (поршень рухається із ВМТ у НМТ)—робочий хід;

4-5—ізохорний майже миттєвий відвід теплоти з продуктами згоряння через відкритий випускний клапан 2;

5-в—повне ізобарне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня з НМТ у ВМТ і відкритому клапані 2;

в-а—ізохорне закриття клапана 2 і відкриття клапана 1.

.

Аналіз циклу в PV і TS координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла, що відповідає стиску паливно-повітряної суміші по політропі в циліндрі;

2-3—ізохорний підвід теплоти , що відповідає миттєвому згорянню паливно-повітряної суміші від електричної іскри в реальному двигуні;

3-4—адіабатне розширення робочого тіла, що відповідає робочому ходу;

4-1—ізохорний відвід теплоти з продуктами згоряння в оточуюче середовище.

Цей цикл характеризує наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску

.

Параметр відповідає конкретному конструкційному параметру двигуна ступені стиску, який для реального бензинового двигуна складає 7-14. Це число для двигуна обмежене температурою самозаймання паливно-повітряної суміші і залежить від антидетонаційних властивостей палива.

2. Ступінь підвищення тиску

.

змінюється в межах від 1,2 до 1,8. При термодинамічному аналізі циклів визначають вплив величин на його ріст для подальшого аналізу з метою підвищення цих величин і відповідною зміною в конструкцію двигуна.

визначається з наступних рівнянь

,

де .

З урахуванням рівнянь параметрів циклів і рівнянь адіабатних процесів 1-2 і 3-4 можна отримати вираз для в наступному вигляді

,

де показник адіабати робочого тіла.

З останнього виразу можна зробити наступні висновки.

1. залежить від ступеня стиску (конструкцій двигуна) і показника адіабати (властивостей робочого тіла).

2. Із зростанням зростає , але при досягненні зростання зменшується.

При досягнення можлива детонація двигуна. Детонація—некерований процес згоряння паливно-повітряної суміші, який є вибухоподібним, тобто згоряння починається ще до приходу поршня у ВМТ не від електричної свічки, а від температури паливно-повітряної суміші, що перевищує температуру самозаймання палива. При цьому падає потужність, швидко виходять з ладу конструкційні елементи і зростають витрати палива.

За допомогою РV- і TS- діаграм ( площ фігур на них ) можна обчислити роботу, затрачену на стиск ( ), роботу отриману при розширенні ( ), а приблизно рівна зовнішній корисній роботі , виконаній двигуном за циклом .

Термічний ККД можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах .

еквівалентна корисно використаній теплоті в даному циклі.

Існують методи підвищення – зменшення кількості відведеної теплоти без зміни підвищення теплоти , збільшення кількості теплоти без зміни відведеної теплоти , одночасне збільшення і зменшення .

Розглянемо методи підвищення термічного ККД на TS-діаграмі.

Для зменшення необхідно понизити температуру робочого тіла в кінці адіабатного процесу розширення, тобто більше охолодити робоче тіло після робочого ходу. Кількість відведеної теплоти .

В реальних двигунах зниження досягається наступними конструкційними змінами—використанням теплоти продуктів згорання для підігріву паливно-повітряної суміші перед впуском.

Для підвищення необхідно підвищити температуру Т₂ робочого тіла в кінці стиску, тоді . Підвищення в основному обумовлене підвищенням температури в кінці стиску , а отже і підвищенням ступеня стиску .

Одночасне збільшення і зменшення може досягтись наступним перерозподілом площ фігур в TS-координатах. Наприклад, найвища температура робочого тіла 3’ дещо зменшується до 3”, тоді кількість підведеної теплоти . Кількість відведеної теплоти стає дещо меншою .

Середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу підраховують за такими загальними формулами