Классификация ДВС. 
Техническая термодинамика и теплопередача

Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы.

• 1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме (v = const, цикл Отто).
• 2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении (/; = const, цикл Дизеля).
• 3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v = const, так и при р = const (цикл Тринклера).

При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся: количества подведенной и отведенной теплот; основные параметры состояния в характерных точках цикла; термический КПД цикла.

Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить, но так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора — индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (процессу соответствует линия 0—1). Этот процесс не является термодинамическим, так как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Линией 1—2 изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается линией 2—3. В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают. Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается линией 3—4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении, несколько большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается линией 4—0, и она называется линией выхлопа.

В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с этим рассмотренные двигатели называются четырехтактными.

Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня и нр.

Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: рабочее тело — идеальный газ с постоянной теплоемкостью; количество рабочего тела постоянно; между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты.

Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их КПД. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а /^-диаграммой его цикла.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в /я>-координатах представлен на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты в pv-координатах Идеальный газ с начальными параметрами p_h V, Т_{ сжимается по адиабате (линия 1—2). В изохорном процессе (линия 2—3) рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q_{. В адиабатном процессе (линия 3—4) рабочее тело расширяется до первоначального объема v₄ = V. В изохорном процессе (линия 4—1) рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются: в = V/v₂ — степень сжатия; X = ⁼ Рз/Р‘2 — степень повышения давления.

Количества подведенной и отведенной теплот определяются по формулам

Подставляя эти значения теплот в формулу для термического КПД, получим формулу

Отсюда Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.

Точка 2.

Точ ка 3.

Отсюда.

Точка 4.

Отсюда.

С учетом найденных значений температур формула для КПД примет вид.

Из последнего соотношения следует, что термический КПД увеличивается с возрастанием степени сжатия и показателя адиабаты k.

Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие КПД. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.

Работа цикла определяется, но формуле.

Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в двигателях карбюраторного типа с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.