ТНиС 09

циклов ДВС
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. ©

НГТУ, 2014

жидкое или газообразное
топливо в смеси с воздухом сгорает внутри

цилиндров.

ДВС делятся на карбюраторные, работающие на легких
топливах (бензин, керосин) и дизельные.

В карбюраторном ДВС горючая смесь (топлива с воздухом)
готовится вне цилиндра (в карбюраторе) и после сжатия ее
в цилиндре смесь воспламеняется электрической искрой от
запальной свечи.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

(с изохорным подводом теплоты).

Дизели, работающие на тяжелых топливах

(соляровое
масло), называются двигателями с самовоспламенением от
сжатия.

В сжатый в цилиндре горячий воздух впрыскивается через
форсунку мелко распыленное топливо, капли которого при
контакте с раскаленным воздухом самовоспламеняются.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

цикл
Дизеля (с изобарным подводом теплоты) и цикл Тринклера
(со

смешанным подводом теплоты).

Все эти ДВС могут быть четырех- и двухтактными.

Четырехтактными называются двигатели, в которых рабочий
процесс совершается за четыре хода поршня (такта) и два
оборота коленчатого вала.

Двухтактными называются двигатели, в которых рабочий
процесс совершается за два хода поршня и один оборот
коленчатого вала.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

НМТ
6
7
8
9
pi
pокр
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. ©

НГТУ, 2014

самое нижнее положение – нижняя мертвая точка (НМТ).

В мертвых точках скорость поршня равна нулю, так как в них
направление движения поршня изменяется на обратное.

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 5 – впускной и выпускной
клапаны; 4 – электрическая, запальная свеча в карбюраторном
двигателе или топливная форсунка – в дизельном; 6 – шатун;
7 – кривошип радиусом R; 8 – картер; 9 – вал двигателя.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

во вращательное
движение вала двигателя.

Расстояние от ВМТ до НМТ

называют ходом поршня S.
Ход поршня равен удвоенному радиусу кривошипа S=2R.

Объем, описываемый поршнем в цилиндре ДВС при его
движении между ВМТ и НМТ, называют рабочим объемом
цилиндра диаметром D: .

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

объемов z цилиндров
двигателя, выраженную в литрах или см3: Vл=zVh.

На правой части предыдущего слайда изображена
индикаторная диаграмма 4-тактного ДВС (реальный цикл).

Верхняя, заштрихованная площадь диаграммы представляет
собой положительную работу цикла, полученную в следствии
преобразования тепловой энергии продуктов сгорания в
механическую энергию движения поршня.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

поршень движется от ВМТ к НМТ;
всасывающий клапан 3 открыт;

в карбюраторном ДВС в цилиндр всасывается горючая
смесь, приготовленная в карбюраторе; в дизеле – чистый
воздух.

II такт – сжатие (bc): поршень движется от НМТ к ВМТ;
клапаны 3 и 5 закрыты;

в карбюраторном ДВС в цилиндре сжимается горючая смесь,
в дизеле – воздух.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

сжатая горючая смесь
поджигается от запальной свечи 4,

в дизеле в

сжатый воздух впрыскивается через форсунку
топливо, которое при контакте с раскаленным воздухом
самовоспламеняется.

При горении топлива в камере сгорания Vс давление и
температура газов возрастает (процесс cd).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

тепловой энергией.

Они давят на поршень, заставляя его перемещаться от

ВМТ к НМТ

(cd) – рабочий ход (III такт).

При этом тепловая энергия газов преобразуется в
механическую энергию движения поршня.

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется
во вращательное движение коленчатого вала (с помощью
кривошипно-шатунного механизма).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

при движении
поршня к ВМТ происходит выпуск (efa) газов в

окружающую
среду (IV такт).

Из индикаторной диаграммы можно найти

средне-индикаторное давление pi,

как некое условное постоянное давление, которое
действовало бы на поршень в течение рабочего хода,
совершая работу, равную полезной работе цикла.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

индикаторную Ni (внутреннюю) и
эффективную Ne (на выходном валу) мощности

двигателя, Вт:

, Ne=Niηм.


Здесь Vh – рабочий объем цилиндра, м3;
z – число цилиндров;
n – число оборотов в минуту двигателя;
– коэффициент тактности ДВС ( =4 для
четырехтактного ДВС и =2 – для двухтактного);
ηм – механический КПД двигателя.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

на выходном валу
двигателя, которая в генераторе может быть преобразована

в
электрическую.

Механический КПД учитывает потери на трение и привод
вспомогательных механизмов:
ηм=Ne/Ni.

Эффективный КПД – это отношение эффективной мощности
к теплоте, выделенной при сгорании топлива:
ηe=Ne/(BQнр).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

где Qнр – низшая рабочая теплота сгорания топлива;
Qe

– полезно-использованная теплота
(преобразованная в эффективную мощность);
Qв – потери с охлаждающей водой;
Qг – потери с уходящими газами;
Qост – остальные потери.

Тепловой баланс ДВС в относительных единицах:
qe+qв+qг+qост=1.

Здесь полезно-использованная теплота: (qe=ηе).

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

цилиндров
Шатун
Кривошип
Свеча
Пружина клапана
Выпускной клапан
Головка блока
цилиндров
Охлаждающая вода
Поршень
Картер
Свеча
Теплоносители и их свойства © Шаров

Ю. И. © НГТУ, 2014

Ю. И. © НГТУ, 2014

3. Продувочные окна;
4. Продувочный коллектор;
5. Свеча (карб. ДВС)

или форсунка
(дизель); 6. Выпускные окна;
7. Выпускной коллектор;

В 2-тактных ДВС цикл совершается
за 1 оборот коленчатого вала; впуск
и выпуск занимают только часть
тактов сжатия и рабочего хода
(потерянный ход abcde).

1

2

3

4

5

6

7

р

V

a

b

c

d

e

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

поршень открывает
выпускные окна 6 и начинается выпуск газов ab

в атмосферу
через выпускной коллектор 7.

В точке b поршень открывает продувочные окна 3, через
которые из продувочного коллектора 4 под избыточным
давлением в цилиндр поступает свежий воздух и вытесняет
отработавшие газы.

Продувка bcd заканчивается при обратном ходе поршня, когда
он в точке d закроет продувочные окна.

В процессе de выпускные окна еще открыты, поэтому очистка
цилиндра продолжается.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

цикл совершается за 1 оборот
коленчатого вала, а в

4-тактных – за 2 оборота, то теоретически,
при одинаковых размерах и числах оборотов, 2-тактный
двигатель должен быть в 2 раза мощнее.

Однако в действительности из-за потери части рабочего хода,
2-тактные ДВС лишь на 50…70 % мощнее 4-тактных.

При одинаковых мощностях и оборотах 2-тактные ДВС имеют
меньшие габариты, массу и стоимость изготовления; кроме того,
они надежны и просты в обслуживании.

Но при увеличении числа оборотов ухудшается очистка цилиндра
и заполнение его свежим воздухом.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

даже
компактнее; кроме того, в 2-тактных карбюраторных ДВС
неизбежны при

продувке уносы части топлива в атмосферу.

Поэтому мощные поршневые авиационные двигатели,
рассчитанные на большие числа оборотов, обычно 4-тактные
из-за меньших масс и расходов топлива.

Однако, маломощные мотоциклетные и подвесные лодочные
моторы строят 2-тактными, так как для них важнее является
простота конструкции и обслуживания.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

ДВС со смешанным подводом
теплоты (цикл Тринклера)

состоит
из процессов:

1-2 – адиабатное сжатие рабочего
тела;
2-3 – изохорный подвод теплоты от
горячего источника к рабочему телу;
3-4 – изобарный подвод теплоты от
горячего источника к рабочему телу;
4-5 – адиабатное расширение
рабочего тела;

v

s

q”1

q2

pvk=сonst

q2

q’1

q”1

1

2

q’1

3

4

5

2

1

3

4

5

p

0

T

0

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

источнику.

Допущения для теоретических циклов ДВС:

● цикл замкнутый;
● рабочее

тело – идеальный газ;
● изменение состояния рабочего тела – обратимое;
● сжигание топлива в цилиндре заменяется изохорным,
изобарным или смешанным подводом теплоты к рабочему
телу от горячего источника,

а выпуск газов – изохорным отводом теплоты от рабочего
тела к холодному источнику.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

1-2 – адиабатное сжатие:
степень сжатия
ε=v1/v2;

● 2-3 –

изохорный подвод теплоты:
степень повышения давления
λ=p3/p2;

● 3-4 – изобарный подвод теплоты:
степень предварительного расширения
ρ=v4/v3.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

является его термический КПД:

.
Сократим числитель и знаменатель

на сv; вынесем за скобки
из числителя Т1, а из знаменателя – Т2:

. (1)

В выражении (1) надо отношения температур заменить на
характеристики цикла.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

адиабатном 1-2 T1/T2=(v2/v1)k-1=1/εk-1; (2)

● изохорном 2-3 T3/T2=p3/p2=λ; (3)

● изобарном

3-4 T4/T3=v4/v3=ρ; (4)

● изохорном 5-1 T5/T1=p5/p1; (5)

● адиабатном 4-5 p5v5k=p4v4k;

● адиабатном 1-2 p1v1k=p2v2k.

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

выражения,

тогда с учетом (5) и равенства v5=v1

в изохорном

процессе 5-1 имеем:

T5/T1=p5/p1=(p4/p2)(v4/v2)k=(p3/p2)(v4/v3)k=λρk. (6)

Подставляем (2-6) в (1) и получаем термический КПД:

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

подводом
теплоты (цикле Отто) отсутствует
процесс

3-4 – изобарного подвода
теплоты от горячего источника к
рабочему телу, то есть ρ=1.

С учетом этого находим термический
КПД цикла Отто как частный случай.

Из выражения термического КПД
цикла Тринклера при ρ=1 для
цикла с изохорным подводом
теплоты:
.

v

s

q2

pvk=сonst

q2

1

2

q’1

3

5

2


1

4

5

p

0

T

0

4

q’1

3

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

подводом
теплоты (цикле Дизеля) отсутствует
процесс

2-3 – изохорного подвода
теплоты от горячего источника к
рабочему телу, то есть λ=1.

С учетом этого находим термический
КПД цикла как частный случай.

Из выражения термического КПД
цикла Тринклера при λ=1 для
цикла с изобарным подводом
теплоты:
.

v

s

q2

pvk=сonst

q2

1

5

2


1

4

5

p

0

T

0

q”1

3

2

3 4

q”1

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014

цикл Отто;
12p451 – цикл

Дизеля;
123451 – цикл Тринклера.

Условия сравнения: Tmax=idem;
q2=idem; εp>εc>εv.

Так как q1p>q1c>q1v,
то ηtp>ηtc>ηtv.

Таким образом, наиболее
экономичным при реальных условиях сравнения является
цикл Дизеля.

T

s

0

1

2v

2

2p

3

4

5

Tmax=idem

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014