Анализ теоретических циклов поршневых двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

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 (с - подвод тепла (изохорный процесс);

3 - 4 ^-Ь) - расширение (адиабатный процесс);

4 - 1 (Ь-а) - отвод тепла (изохорный процесс).

Рис. 2. - Цикл Дизеля (Р=сопб1 при подводе тепла, У=сопб1 при отводе

тепла)

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

2 - 3 (с - подвод тепла (изобарный процесс);

3 - 4 ^-Ь) - расширение (адиабатный процесс);

4 - 1 (Ь-а) - отвод тепла (изохорный процесс).

:

Рис. 3. - Цикл Сабатэ-Тринклера

41 = 11 + 41

- подведенная теплота

п 41 -Ы . П =- - термический КПД

41

4 -\ч2\ - использованная теплота Определим термический КПД смешанного цикла

41 = 41'+ 41" = с (Тг,- Т) + с , (Т, - Г,.).

?

Ы = сV (Т - Та ),

(1)

Г = Г

с а

Г \к-1

' К

V V У

= Га-в

К-1

Т,= Г ^ = Г -Л = Г -£К-1 -л

, с р с а

г с

V'

Г = Г. ^=Г,.-р = Га вК 1 Лр

(2)

(3)

(4)

1

Т = Т ■

±Ь 1 2

V /

к-1

= Т

Г Л

к5;

к-1

= Т ■ек-1 ■Хр

Г л\ к-1 с N к-1

- = Т £ 3

Ар

(5)

V/ /

где е - степень сжатия, X - коэффициент остаточных газов, р -плотность воздуха.

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

Т

п,. =1 -

А-р-\ 3 | -1

к-1

[Та ■ек -1 -А-Та ■А-ек -1 ] + К [Та ■А-р-ек-1 - Та ■А-ек-1 ]

Т

= 1 -

= 1-

А-Р-\3\ -1

= 1 —

А ■ Р ■ | 3 | -1

Та ■ ек-1 [А-1 + кА(р-1)] гк-1 [А-1 + кА(р-1)]

А ■ рк-1 -р-1

А-рк -1

= 1

8к~1[А-1 + кА(р-1)] гк-1 А-1 + кА(р-1)

П =1

к-1

цикл

Отто (р =1);

п =1 -~г-1 ■

1 рк-1

- цикл Дизеля

(А = 1)

г*"1 к ■ (р-1)

Разделим числитель и знаменатель на Су и введем обозначение К

:

п =1 -

Т - Т

1Ь а

Тг, - Тс + к(Тг - Тг.)

р=сопб1

=

У2 Т2

у=сопб1

РУ=ЯТ

Р Т 11 =

Р Т 1 2 2

Р ■ V Р ■ V 1 _ 1 2

Т Т 11 2

Выразим Т через е:

к -1

1

1

в= V Ка -V, _

в =— £ = ——- = 8-о

V V-V н

8= — = ^ V V

степень последующего расширения;

о = V, = Г в

V = V о = V ~ ~ Р = 8 ~ степень предварительного расширения;

Р, Г,

л = р - — - степень повышения давления.

с с

Выразим все Тх через Т^

Г • VK-1 = Г • VK-1

а а с с

Сравним термодинамические циклы

П=1 --[—Л— (6)

в 1+КЛ(о-1)] - цикл Сабатэ-Тринклера

п= 1 ^

" „К-1 ~ V = V ; 0 = К

в - цикл Отто( у* У,;Р 1)

П = 1 1 РК -1

' -К-1 К • (о-1)- цикл Дизеля( рс = Р ;Л =1)

Как видно из формул 6,7,8 термический КПД % идеальных циклов с подводом теплоты при у=сопб1 зависит только от е и показателя адиабаты К, а для смешанного цикла от величин е, X, р и К.

Вывод: при одном и том же значении е более высокий КПД получается при у=сопб1 (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 % бензиновых двигателей практически ниже чем у дизелей.

Для смешанного цикла при е=сош1 % увеличивается с возрастанием X и уменьшением р, но при этом увеличивается Т и Р^ т.е увеличивается тепловая напряженность и нагрузка на основные детали двигателя, поэтому в современных быстроходных дизелях Х=1.4-2.

Практическая экономичность двигателя зависит от тех же основных факторов, что и теоретическая, т.е %, s, X, р.

Литература

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 Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2009. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2009/145.

8. Morozov V.A., Morozova O.N. Inzenernyj 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.