Анализ теоретических циклов поршневых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ теоретических циклов поршневых двигателей

Н.А. Сокол, А.Г. Исаев

Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье рассматривается анализ теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания. Представлен цикл Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера. Теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, происходящий в цилиндрах поршневого двигателя с присущими ему особенностями и допущениями. Каждый такой цикл характеризуется двумя основными показателями, такими как теплоиспользование и работоспособность. При этом теплоиспользование определяется термическим коэффициентом полезного действия. Приведена оценка влияния термодинамических факторов на изменение термического КПД для получения наилучшей экономичности и максимальной удельной работы циклов. Получен термический КПД смешанного цикла. Представлены выводы влияния значения степени сжатия на термический КПД. Проведено сравнение‚ различных теоретических циклов с точки зрения их экономичности и работоспособности при одинаковых условиях.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, идеальный цикл, термический коэффициент полезного действия, тепловые процессы.

Теория двигателей внутреннего сгорания основана на использования термодинамических зависимостей и приближения их к действительным условиям путем учета реальных факторов [1,3,4].

При рассмотрении идеальных циклов делаются следующие допущения:

1) В цилиндре двигателя находится постоянное, не меняющееся количество рабочего тела, совершающее замкнутый цикл;

2) Теплота подводится извне в определенный период цикла;

3) Теплоемкость находящегося в цилиндре рабочего тела постоянна;

4) Процесс сжатия и расширения протекает без теплообмена с внешней средой (адиабатный процесс);

5) Трение между поршнем и стенками цилиндра отсутствует.

Термический КПД теоретических циклов это отношение количества теплоты, превращенной в полезную механическую работу, к общему количеству теплоты, подведенной к рабочему телу [1,2].

Рис. 1. - Цикл Отто

1 - 2 (а-с) - процесс сжатия (адиабатный);

2 - 3 (c -z) - подвод тепла (изохорный процесс);

3 - 4 (z-b) - расширение (адиабатный процесс);

4 - 1 (b-a) - отвод тепла (изохорный процесс).

Рис. 2. - Цикл Дизеля (P=const при подводе тепла, V=const при отводе тепла)

1 - 2 (а-с) - процесс сжатия (адиабатный);

2 - 3 (c -z) - подвод тепла (изобарный процесс);

3 - 4 (z-b) - расширение (адиабатный процесс);

4 - 1 (b-a) - отвод тепла (изохорный процесс).

Рис. 3. - Цикл Сабатэ-Тринклера

- подведенная теплота

- термический КПД

- использованная теплота

Определим термический КПД смешанного цикла

;

;

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

где е - степень сжатия, л - коэффициент остаточных газов, с - плотность воздуха.

Формулы (2) - (5) подставляем в формулу (1):

- цикл Отто;

- цикл Дизеля

Разделим числитель и знаменатель на Сv и введем обозначение

:

;

p=const ;

V=const ;

PV=RT ;

Выразим T через е:

- степень последующего расширения;

- степень предварительного расширения;

- степень повышения давления.

Выразим все Tx через Ta:

Сравним термодинамические циклы

- цикл Сабатэ-Тринклера (6)

- цикл Отто() (7)

- цикл Дизеля() (8)

Как видно из формул 6,7,8 термический КПД зt идеальных циклов с подводом теплоты при V=const зависит только от е и показателя адиабаты К, а для смешанного цикла от величин е, л, с и К.

Вывод: при одном и том же значении е более высокий КПД получается при V=const (цикл Отто). С увеличением е термический КПД всех циклов возрастает. Повышение е выгодно, но невозможно е увеличивать до бесконечности, т.к появляется детонация горючей смеси. Поэтому зt бензиновых двигателей практически ниже чем у дизелей.

Для смешанного цикла при е=const зt увеличивается с возрастанием л и уменьшением с, но при этом увеличивается Tz и Pz, т.е увеличивается тепловая напряженность и нагрузка на основные детали двигателя, поэтому в современных быстроходных дизелях л=1.4-2.

Практическая экономичность двигателя зависит от тех же основных факторов, что и теоретическая, т.е зt, е, л, с.

Литература

цикл поршневой двигатель

1. Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. 3 изд. М.: Высшая школа, 2007. 479 с.

2. Сокол Н.А., Попов С.И. Основы конструкции и расчета автомобилей / Ростов-н/Д: Феникс, 2006. 303с.

3. Шатров М.Г., Морозов К.А., Алексеев И.В. и др. Автомобильные двигатели. М.: Академия, 2010. 464с.

4. Ковалевский В.И. Автомобильные двигатели. Краснодар: КубГТУ, 2003. 196с.

5. Архангельский В.М., Вихерт М.М., Воинов А.Н. и др. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967. 496с.

6. Артамонов М.Д., Иларионов В.А., Морин М.М. Основы теории и конструкции автомобиля. М.: Машиностроение, 1974. 288с.

7. Павленко И.А. Улучшение экологических и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания на основе применения индивидуальных приводов клапанов газораспределительного механизма // Инженерный вестник Дона, 2009, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/145.

8. Морозов В.А., Морозова О.Н. Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания // Инженерный вестник Дона, 2016, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3503.

9. Veitz V.L., Kochura A.E. Questions on the dynamics of an internal combustion engine assembly // Mechanism and Machine Theory, 1975. № 4 (10). pp. 279-289.

10. Dovgyallo A.I., Kudinov V.A., Shestakova D.A. Working cycle analysis of the internal combustion engine with heat regeneration // 2017 International Conference on Mechanical, System and Control Engineering. 2017. pp. 36-39.

References

1. Lukanin V.N., Morozov K.A., Hachijan A.S. Dvigateli vnutrennego sgoranija [Internal combustion engine]. Vysshaja shkola, 2007. 479 p.

2. Sokol N.A., Popov S.I. Osnovy konstrukcii i rascheta avtomobilej [Basics of design and calculation of vehicles]. Feniks, 2006. 303p.

3. Shatrov M.G., Morozov K.A., Alekseev I.V. Avtomobil'nye dvigateli [Car engine] Akademija, 2010. 464p.

4. Kovalevskij V.I. Avtomobil'nye dvigateli [Car engine]. Krasnodar: KubGTU, 2003. 196p.

5. Arhangel'skij V.M., Vihert M.M., Voinov A.N. Avtomobil'nye dvigateli [Car engine]. Mashinostroenie, 1967. 496p.

6. Artamonov M.D., Ilarionov V.A., Morin M.M. Osnovy teorii i konstrukcii avtomobilja [Basic theory and design of the car] Mashinostroenie, 1974. 288p.

7. I.A. Pavlenko Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2009. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/145.

8. Morozov V.A., Morozova O.N. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2016. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3503.

9. Veitz V.L., Kochura A.E. Mechanism and Machine Theory, 1975. № 4 (10). pp. 279-289.

10. Dovgyallo A.I., Kudinov V.A., Shestakova D.A. 2017 International Conference on Mechanical, System and Control Engineering. 2017. pp. 36-39.

Размещено на Allbest.ru