Циклы ДВС 20.04.17


МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Смоленская государственная сельскохозяйственная академия»
А.Г. Никифоров, Д.Ю. Попова
ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Учебно-методическое пособие по теплотехнике
Смоленск 2017
УДК 621.432
ББК 22.317
Н62
Рецензент: кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Промышленной теплоэнергетики ФГБОУ ВО НИУ МЭИ, филиал в г.Смоленске, Михайлов В.А.
Никифоров А.Г., Попова Д.Ю.
Н62 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Учебно-методическое пособие по теплотехнике / А.Г. Никифоров, Д.Ю. Попова. – Смоленск: Изд-во ФГБОУ ВО Смоленской ГСХА 2017. – 73 с.
Рассмотрены основные теоретические положения, определяющие работу двигателей внутреннего сгорания, изложены требования по выполнению и защите расчетной работы. Рекомендована последовательность выполнения расчета. Приведен алгоритм решения индивидуальных заданий, справочные материалы и тестовые вопросы для самоподготовки.
Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов очной и заочной формы обучения, обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия.
Печатается по решению методического совета ФГБОУ ВО Смоленская ГСХА (протокол №___ от _______2016).
УДК 621.432
ББК 22.317
© Никифоров А.Г., Попова Д.Ю.
© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Смоленская государственная сельскохозяйственная академия», 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ
Основной задачей дисциплины Теплотехника для студентов направления подготовки 35.03.06 Агроинженерия является комплекс знаний об основных законах термодинамики и применения этих знаний для расчета циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Студент должен уметь решать типовые задачи, выполнять основные расчеты и анализировать работу тепловых машин при работе по разным термодинамическим циклам, самостоятельно выбирать оптимальные режимы работы для двигателей внутреннего сгорания.
Учебное пособие состоит из трех основных разделов: теоретического «Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания», практического «Пример задания для расчета» и раздела для самостоятельного контроля усвоенного материала «Вопросы и задания для проверки знаний».
Выполнение индивидуального задания позволит студенту получить практические навыки расчёта теоретического цикла ДВС. Тестовые вопросы помогут студенту провести проверку собственных теоретических знаний. Подготовка к тестированию выполняется студентом самостоятельно. Вопросы, предлагаемые в тестах, освещены в литературе, список которой приведен в данном пособии. В пособии приведены алгоритмы и необходимые справочные данные для выполнения индивидуальной расчетной работы.
1 ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ
Двигатели внутреннего сгорания являются основным мобильным энергетическим средством большинства сельскохозяйственных машин.
В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри цилиндра) двигателя, в результате химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию и затем в механическую работу рабочего органа двигателя (поршень).
По сравнению с двигателями внешнего сгорания (паровыми машинами) ДВС:
•не имеет дополнительных элементов теплопередачи — топливо, сгорая, само образует рабочее тело;
•компактнее, так как не имеет целого ряда дополнительных агрегатов;
•легче;
•экономичнее;
•потребляет газообразное или жидкое топливо, обладающее определенными заданными параметрами (испаряемостью, температурой вспышки паров, плотностью, теплотой сгорания, октановым или цетановым числом), так как от этих свойств зависит сама работоспособность ДВС.
Наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания. В поршневых двигателях камера сгорания находится в цилиндре, а тепловая энергия превращается в механическую с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Все современные поршневые двигатели внутреннего сгорания разделяются по организации процесса сгорания топлива на три основные группы:
1) со сгоранием топлива при постоянном объеме ν=const (цикл Отто);
2) со сгоранием топлива при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля);
3) со смешанным сгоранием топлива: частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении (цикл Сабатэ-Тринклера).
Для проведения термодинамического анализа эффективности работы циклов можно считать, что в этих процессах к рабочему телу подводится теплота q1, поэтому зачастую эти термодинамические циклы называют соответственно: с изохорным подводом теплоты, с изобарным подводом теплоты, со смешанным подводом теплоты. Во всех указанных циклах отвод теплоты q2 осуществляется по изохоре ba, рисунок 1.
а) б)
в)
Рисунок 1 – Циклы поршневых ДВС в p,υ-диаграмме:
а) с подводом теплоты при постоянном объеме,
б) с подводом теплоты при постоянном давлении, в) со смешанным подводом теплоты
Идеальные циклы применяют для исследования действительных циклов, происходящих в реальных двигателях, и сравнения по степени использования тепла различных типов двигателей, независимо от их конструктивных особенностей. Рассмотрим подробнее.
Идеальным термодинамическим циклом двигателя называется круговой замкнутый обратимый цикл, представляющий собой совокупность последовательных процессов, совершаемых идеальным газом в цилиндре идеальной машины.
Обратимый цикл – последовательность процессов перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом цикле, но проходимых в обратном порядке.
Очевидно, что идеальные циклы ДВС лишь приближенно отражают известные из опыта особенности реальных процессов, происходящих в работающем двигателе.
Но для упрощения расчетов принимаются следующие допущения:
1) с идеальным газом, находящимся в цилиндре, совершаются только физические, по не химические изменения, т. е. состав и масса газа остаются постоянными;
2) теплоемкость газа не изменяется в термодинамических процессах цикла;
3) тепло подводится к газу извне, а не в процессе сгорания топлива в цилиндре;
4) процессы сжатия и расширения совершаются по адиабатам, т. е. без теплообмена с внешней средой (стенки цилиндра теплонепроницаемые и трение между поршнем и стенками цилиндра отсутствует);
5) выпуск отработавших газов заменяется передачей некоторого количества тепла холодному источнику при постоянном объеме.
Термодинамическое исследование идеальных циклов поршневых ДВС состоит в получении аналитических выражений термического коэффициента полезного действия (КПД) и среднего теоретического давления цикла, а также выявлении характера зависимости этих показателей от параметров цикла.
Основными характеристиками или параметрами любого цикла ДВС являются следующие безразмерные величины:
степень сжатия:
ε = υa /υc , (1)
представляющая собой отношение удельного объема рабочего тела в точке а (это положение поршня в цилиндре принято называть нижней мёртвой точкой - НМТ) к его удельному объему в конце процесса сжатия (точка с – верхняя мёртвая точка – ВМТ, объем камеры сгорания);
степень повышения давления:
λ = pz /pc , (2)
представляющая отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты;
степень предварительного расширения, или степень изобарного расширения:
ρ = υz’ /υc , (3)
представляющая собой отношение объемов в конце и в начале изобарного процесса подвода теплоты (рисунок 1). [4]
Степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу в термодинамическом цикле двигателя оценивается безразмерной величиной – термическим коэффициентом полезного действия ηt (его также называют тепловым или термодинамическим). В общем случае, термический КПД – это отношение работы, совершенной в прямом обратимом термодинамическом цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников.
ηt=lцq1=q1-q2q1 , (4)
где lЦ – это тепло, преобразованное в цикле в работу, lЦ = q1-q2.
Термический КПД термодинамического цикла показывает, какое количество получаемой теплоты машина превращает в работу в конкретных условиях протекания идеального цикла. Чем больше величина ηt, тем совершеннее цикл и тепловая машина.
В инженерных расчётах для вычисления мощности ДВС часто используется понятие среднего теоретического давления цикла рt, это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла. [3] Среднее теоретическое давление цикла является отношением работы цикла lЦ к рабочему объёму двигателя υh= υНМТ – υВМТ = υa–υc:
pt=lЦυa-υc=lЦυc*ε-υc, (5)
Таким образом, среднее давление цикла pt, представляет собой работу, полученную с единицы объема, т.е. является удельной работой. В теории тепловых двигателей υc= υВМТ= υmin называют объемом камеры сгорания. Отношение q1/υc, имеющее размерность Дж/м3, характеризует тепловую нагрузку единицы объема камеры сгорания.
Учитывая, что υc=υвмт=υmin, преобразуем выражение (5) к виду:
pt=lЦυc(ε-1)=q1υmin*ηt(ε-1) , (6)
При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых ДВС обычно определяют количество подведенной и отведенной теплоты, работу расширения и работу сжатия, основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла, изменение внутренней энергии и энтропии рабочего тела, вычисляют и производят анализ термического КПД цикла.
1.1 Цикл Отто
В двигателях легкого топлива с искровым зажиганием время сгорания очень мало, поэтому в термодинамической постановке подвод теплоты принято считать происходящим при постоянном объеме. Идеальный термодинамический цикл с подводом теплоты при υ=const (цикл Отто) который часто называют циклом бензинового двигателя, показан на рисунке 2. [4]
а) б)
Рисунок 2 – Цикл Отто на pυ (а) и Ts-диаграммах (б)
Идеальный газ с параметрами pa,υa,Ta сжимается по изоэнтропе (адиабате) ас, в результате чего давление и температура растут. В т. с происходит зажигание смеси от электрической искры. Между точками с и z к рабочему телу подводится теплота в количестве q1. Так как сгорание происходит практически мгновенно, процесс cz можно считать изохорным. В результате давление и температура рабочего тела повышаются при постоянном объеме и в точке z достигают наибольших значений. Затем под действием продуктов сгорания с высоким давлением поршень смещается в сторону нижней мертвой точки (НМТ) при этом совершая работу расширения. Процесс zb – это адиабатное (изоэнтропное) расширение продуктов сгорания до объема НМТ (υb = υa = υНМТ). Рабочее тело в процессе zb совершает положительную работу lzb , часть которой в дальнейшем (при повторении цикла) затрачивается на осуществление процесса ас.
В точке b открывается выпускной клапан и давление в цилиндре снижается до первоначального давления pa. В изохорном процессе ba рабочее тело при постоянном объеме возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты в количестве q2. Площадь под кривой zb – пропорциональна количеству работы, совершенной рабочим телом при расширении. Площадь под кривой ac пропорциональна работе, затраченной на сжатие рабочего тела. Полезная работа цикла пропорциональна площади, ограниченной на диаграмме aczb.
Ts-диаграмма используется для наглядного анализа количества подведенного q1 ( площадь saaczbsb) и отведённого q2 ( площадь saabsb) тепла и полезно использованного количества теплоты в цикле lЦ = q1 - q2 (площадь aczb).
Параметрами рассматриваемого термодинамического цикла являются:
степень сжатия:
υaυc=ε , (7)
и степень повышения давления при изохорном подводе теплоты:
pzpc=λ , (8)
Количество подведенной теплоты q1 в изохорном процессе сz и ее можно определить следующим образом:
q1=сυ(Тz — Тс) , (9)
Это количество теплоты в Тs-диаграмме соответствует площади под кривой процесса cz.
Так же можно рассчитать отведенную теплоту в изохорном процессе (пропорциональна площади под кривой процесса ba):
q2=сυ(Тb—Тa) , (10)
Термический КПД цикла ηt равен отношению работы lЦ, совершаемой за цикл рабочим телом к теплоте q1, полученной при этом рабочим телом. Работа равняется разности количества подведенного и отведенного тепла к рабочему телу (lЦ = q1 – q2).
Тогда термический КПД цикла Отто с учетом выражений (9) и (10) можно представить в следующем виде:
ηt=lЦq1=q1-q2q1=1-q2q1=1-сυ(Tb-Ta)сυ(Tz-Tc)=1-Tb-TaTz-Tc, (11)
Выразим объем, давление и температуру в характерных точках цикла (точки c, z и b) через характеристики цикла и его начальные параметры Та, υa, pa.
Точка с.
Удельный объём в точке с можно определить, используя определение степени сжатия:
υc=υaε , (12)
Процесс ac – адиабатный, тогда для него, используя уравнение адиабатного процесса, можно записать соотношение между параметрами:
pc*vck=pa*vakотсюда определяем давление в точке с:
pc =paυaυck= paεk, (13)
Аналогично, из уравнения адиабатного процесса ac:
Tc*vck-1=Ta*υak-1
выразим температуру в точке с:
Tc=Taεk-1, (14)
Точка z.
Процесс cz – изохорный.
υ z=υc= υaε , (15)
Из уравнения изохорного процесса, используя понятие степени повышения давления
pzpc=λполучим выражение для вычисления давления газа в точке z:
pz=pcλ=paεkλ. (16)
Для изохорного процесса отношение температур равно отношению давлений:
TzTc=pzpc=λтогда выражение для температуры в точке z, с учётом выражения (14), будет иметь вид:
Tz=λTc=λTaεk-1, (17)
Точка b.
Процесс ba – изохорный, значит
υb = υa , (18)
Зная, что процесс zb – адиабатный, можно записать
Tz*vzk-1=Tb*υbk-1преобразуем его с учетом выражений (18) и (15) ,
TzTb=vbvzk-1=υaυck-1=εk-1Отсюда выразим Tb , используя (17) находим температуру в точке b:
Tb=Tzεk-1=λTaεk-1εk-1=λTa, (19)
Так как процесс ba – изохорный, то отношение давлений равно отношению температур, т.е.:
pbpa=TbTa=λТогда давление в точке b равняется:
pb=paλ, (20)
Таблица 1 – Расчет параметров рабочего тела в характерных точках цикла Отто
Параметры Характерные точки цикла
a c z b
v vavc=vaεvz=vc=vaεvb=vap pa pc= paεkpz=paεkλpb=paλT Ta Tc = Taεk-1Tz = Taεk-1λTb = TaλПодставляя выражения температур в характерных точках термодинамического цикла Отто (14), (17), (19) в выражение термического КПД цикла ηt (11) получим
ηt=1-Tb-TaTz-Tc=1-λTa-TaλTaεk-1-Taεk-1=1-Ta(λ-1)Taεk-1(λ-1) ,
ηt=1-1εk-1. (21)
Таким образом, термический КПД цикла с подводом теплоты при постоянном объеме зависит только от степени сжатия и природы рабочего тела (k). Из уравнения (21) видно, что для рассматриваемого цикла, термический КПД тем больше, чем больше степень сжатия и показатель адиабаты. Однако если при малых степенях сжатия повышение ε вызывает существенное увеличение термического КПД, то при высоких значениях ε возрастание ηt делается все менее и менее значительным при увеличении степени сжатия, рисунок 3. С уменьшением показателя адиабаты термический КПД при той же степени сжатия уменьшается. [4]
В реальном двигателе искрового зажигания выбор степени сжатия в основном определяется практическими возможностями организации процесса сгорания без произвольной детонации (самовоспламенения смеси). В зависимости от видов топлива в таких двигателях обычно используют ε ≈ (6,5-11), pс = (0,8 - 2 МПа) (см. приложение 1). В связи с чем этот тип двигателей имеет относительно низкие КПД. Так как в уравнении (21) отсутствует параметр λ (степень повышения давления), то термический КПД цикла Отто не зависит от количества подведенной теплоты.
Работу цикла можно определить из формулы (4) подставляя значения подведённого тепла q1 (9) и выражение КПД цикла Отто (21):
lЦ=q1ηt=cυTz-Tc1-1εk-1=
=cυTaλ-1εk-1-1 . (22)
Среднее теоретическое давление цикла (5), учитывая выведенные выше зависимости (22), (7), можно определить по выражению :pt=lЦva-vc=q1ηtυc(ε-1) , Выражая температуры Tc и Tz через Ta получим
q1 =cυTz-Tc=cυλTaεk-1-Taεk-1 = сυТaεk-1(λ – 1). Тогда среднее теоретическое давление цикла:
pt=сυТaεk-1λ – 1ηtυaεε-1. (23)
Используя уравнение Майера для идеального газа
cp-cv=R, и выражение для показателя адиабаты k
k=cpcv, выразим удельную теплоемкость при постоянном объеме cv:
cv=cp-R,
cvcv=cpcv-Rcv,
1=k-Rcv,
сυ = Rk-1. (24)

Подставляя выражение (24) в (23) среднее теоретическое давление в термодинамическом цикле Отто приводится к виду:
pt=Rk-1*Тaε*εk-1λ – 1ηtva(ε-1) ,
pt=R*Тava*εkλ-1k-1ε-1*ηt ,
pt=pa*εkλ-1k-1ε-1ηt. (25)
Отсюда видно, что при прочих равных условиях рt возрастает прямо пропорционально начальному давлению цикла ра. На практике повышение ра осуществляют за счет применения наддува. В бензиновых двигателях давление наддува ограничено возникновением детонации.
Среднее давление цикла повышается с увеличением количества подведенной теплоты (ростом λ = Тz/Тc ). Однако, если на максимальную температуру цикла Тz наложено ограничение, связанное, например, с требованием уменьшения выбросов двигателем оксидов азота NOх, то, как показывают расчеты, кривая среднего давления цикла в функции от степени сжатия проходит через максимум, рисунок 3. [4]

Рисунок 3 – Зависимость показателей цикла Отто от степени сжатия при ограничении на максимальную температуру цикла (pa = 0,1 МПа, Та = 300К, Tz = 2700К, k=1,4) Рисунок 4 – Совокупность циклов Отто с различными степенями сжатия при одинаковой максимальной температуре цикла
Изменение конфигурации цикла с повышением степени сжатия при ограничении на максимальную температуру схематично показано на рисунке 4. Видно, что при повышении ε (переход от цикла ас1z1b1, к циклу ас3z3b3), работа цикла вначале увеличивается, а затем уменьшается. [4]
Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных и инжекторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры. [2]
1.2 Цикл Дизеля
Двигатели, в основу работы которых положен термодинамический цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях, работающих по циклу Дизеля, осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия.
Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо – нефть, мазут, смолы и проч.
В двигателях, работающих по циклу Дизеля, воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Такая организация процесса сгорания позволяет применять существенно более высокие степени сжатия по сравнению с циклом Отто и исключить преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем. [2]
Термодинамический цикл Дизеля показан на рисунке 5 и осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело (воздух) с начальными параметрами pa, υa, Ta сжимается по адиабате ас, при этом происходит увеличение температуры и давления рабочего тела. В конце сжатия (точка с, ВМТ) через форсунку в цилиндр впрыскивается порция топлива в мелкораспыленном состоянии. Мелкие частицы топлива, соприкасаясь с нагретым сжатым воздухом, самовоспламеняются и процесс сгорания происходит при постоянном давлении. В изобарном процессе сz к рабочему телу подводится количество теплоты q1. Под большим давлением расширяющихся газов поршень перемещается к НМТ и передает воспринимаемое им усилие через шатун на коленчатый вал, заставляя его вращаться. Процесс zb – это изоэнтропное (адиабатное) расширение рабочего тела до первоначального объема. В точке b открывается выпускной клапан, под действием избыточного давления отработанные газы выходят из цилиндра. В изохорном процессе ba рабочее тело при постоянном объеме возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты в количестве q2. Полезная работа термодинамического цикла пропорциональна площади, ограниченной на диаграмме aczb. Рабочее тело совершает положительную работу lzb часть которой в дальнейшем (при повторении цикла) затрачивается на осуществление процесса ас.
Ts-диаграмма используется для наглядного анализа количества подведенного q1 (площадь saaczbsb) и отведённого q2 (площадь saabsb) тепла и полезно использованного количества теплоты в цикле lЦ = q1 - q2 (площадь aczb).

Рисунок 5 – Цикл Дизеля на pυ и Ts-диаграммах.
Цикл с подводом теплоты при р=const (термодинамический цикл Дизеля, с постепенным сгоранием) используется в двигателях высокого сжатия, например, на керосине. В этом цикле λ = pzpc = 1. Кроме ε = υaυc, параметрами этого цикла являются: ρ = υzυc – степень предварительного расширения; δ = υaυz – степень последующего расширения.
Параметры цикла связаны соотношением ε = ρδ.
Выразим объем, давление и температуру в характерных точках цикла (точки c, z и b) через характеристики цикла и его начальные параметры Та, υa, pa.
Точка с.
Удельный объём в точке с можно определить, используя определение степени сжатия:
υc=υaε , (26)
Процесс ac – адиабатный, тогда для него, используя уравнение адиабатного процесса, можно записать соотношение между параметрами:
pc*vck=pa*vak, отсюда определяем давление в точке с:
pc =paυaυck= paεk, (27)
Аналогично, из уравнения адиабатного процесса ac:
Tc*vck-1=Ta*υak-1, выразим температуру в точке с:
Tc=Taεk-1, (28)
Точка z.
Зная степень предварительного расширения, можем определить удельный объем в точке z:
υz = υcρ=ρυaε, (29)
Процесс cz – изобарный, значит
pz=pc =paεk, (30)
а отношение объемов равно отношению температур:
vzvc=TzTc=ρ,
тогда, зная выражение температуры в предыдущей точке (28), получим температуру в точке z:

Tz=Tcρ=Taεk-1ρ, (31)
Точка b.
Процесс ba – изохорный, значит
υb = υa ., (32)
Зная, что процесс zb – адиабатный и выражение (29), можно записать
TzTb=vbvzk-1=υaυc*ρk-1=εk-1ρk-1=δk-1, отсюда, используя (31) находим температуру в точке b:
Tb=Tzδk-1=Tz*ρk-1εk-1=Taεk-1ρ*ρk-1εk-1=Ta*ρk . (33)
Так как процесс ba – изохорный, то отношение давлений равно отношению температур, т.е. получаем что:
pbpa=TbTa=ρk,
тогда давление в точке b равняется:
pb=paρk , (34)
Таблица 2 – Расчет параметров рабочего тела в характерных точках цикла Дизеля.
Параметры Характерные точки цикла
a c z b
v vavc=vaεvz=vcρ=vaρεvb=vap pa pc= paεkpz=paεkpb=paρkT Ta Tc = Taεk-1Tz = Taεk-1ρTb = TaρkИспользуя полученные выражения температур в точках c (28), z (31), b (33), количество подведенной и отведенной теплоты можно выразить следующим образом:
q1=cpTz-Tc=cpTaεk-1ρ-Taεk-1=cpTaεk-1(ρ-1), q2=cυ(Tb-Ta)=cυTa*ρk-Ta=cυTa(ρk-1) . (35)
Подставляя эти результаты в ηt = 1-q2q1, получаем
ηt=1-cυTaρk-1cpTaεk-1ρ-1=1-1εk-1*ρk-1kρ-1(36)
Тогда работу цикла используя выражение (36) можно определить как:
lЦ=q1ηt=cpTz-Tc1-ρk-1kεk-1(ρ-1). (37)
Подставляя (37) в выражение для определения среднего давления (6) в случае термодинамического цикла Дизеля, получим:
pt=q1υc*ηtε-1=cpTaεk-1ρ-1υaε *ηtε-1,
pt=Taυacpε*εk-1ρ-1ε-1*ηt(38)

Используя уравнение Майера для идеального газа
cp-cv=R,
и выражение для показателя адиабаты k
k=cpcv,
выразим удельную теплоемкость при постоянном давлении cp:
cp=R+cv,
cpcp=Rcp+cvcp,
1=Rcp+1k,
cp = R*kk-1.
(39)
Подставляя выражение (39) в (38) среднее теоретическое давление в цикле Дизеля приводится к виду:
pt=TaRυa*kk-1ε*εk-1ρ-1ε-1*ηt ,
pt=pakεkρ-1k-1ε-1ηt (40)
Таким образом, как и в случае цикла Отто, ηt и рt цикла Дизеля зависят от природы рабочего тела и степени сжатия, возрастая при повышении ε и показателя адиабаты k, уменьшаясь при росте ρ.
Величина ε в термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивать условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в дизельных двигателях соответствует ε =14-20. [2]
Сравнение КПД циклов ДВС с подводом теплоты при p=const и υ=const при одинаковых максимальных давлениях или температурах, но при различных ε показывают, что КПД цикла Дизеля больше, чем у цикла Отто: ηtрДизель > ηtυОтто. [2]
В отличие от цикла Отто, в данном случае термический КПД зависит от тепловой нагрузки цикла, т.е. количества подведенной теплоты. С увеличением количества подведенной теплоты КДП ηt, снижается. По условию организации отвода теплоты по изохоре ba величина ρ не может превышать значения ε. Несмотря на снижение термического КПД ηt увеличение количества подведенной теплоты приводит к росту среднего давления цикла.
Традиционно цикл с подводом теплоты при р=const считается термодинамическим циклом тихоходного дизеля, но могут использовать более тяжелое топливо, например, солярку. Однако при подборе подходящих значений ра и ε этот цикл может рассматриваться как модель цикла двигателя с искровым зажиганием при его работе на особо малых нагрузках и холостом ходу [4].
1.3 Цикл Саботэ-ТринклераОдним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования высокого давления, применяемого для подачи и распыления жидкого топлива. Это усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на повышение давления для подачи топлива затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя. [2, 3] В двигателях, работающих по термодинамическому циклу со смешанным подводом теплоты, жидкое топливо вводится в форкамеру при сравнительно невысоком давлении и распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра.
С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В. Тринклер разработал проект двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что после сжатия воздуха в основной камере сгорания жидкое топливо с помощью топливного насоса под высоким давлением подается через форсунку VIII в головку цилиндра (форкамеру, VII), рисунок 6. В форкамере горючая смесь предварительно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении горение распространяется в цилиндр. [2]
Двигатели Тринклера чаще называют быстроходными или форкамерными дизелями.

Рисунок 6 – Схема поршневого ДВС, работающего по циклу
Триклера.
I – поршень, II – цилиндр, III – впускной клапан, IV – выпускной (выхлопной) клапан, V – впускной патрубок, VI – выпускной патрубок, VII – форкамера, VIII – форсунка, ВМТ – верхняя мертвая точка, НМТ – нижняя мертвая точка.
Смешанный термодинамический цикл (рисунок 7) относится к быстроходным дизелям. Минимальная величина степени сжатия в реальном дизеле определяется созданием условий надежного самовоспламенения впрыснутого топлива и составляет 14÷22 в зависимости от способа организации смесеобразования и сгорания. [4]
Как и рассмотренные ранее циклы Отто и Дизеля, цикл Тринклера начинается с изоэнтропного (адиабатного) сжатия ас, поршень движется от НМТ к ВМТ. Рабочее тело сжимается не только в рабочем цилиндре, но и в форкамере. В точке с (соответствует положению поршня в ВМТ) открывается впускной клапан III и в форкамеру VII подается топливо. Топливо смешивается с воздухом при высоком давлении и температуре и воспламеняется. Часть смеси быстро сгорает в небольшом объеме форкамеры (cz’), впускной клапан закрывается. Сгорание части топлива приводит к повышению давления, поэтому смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкивается в рабочий цилиндр. Здесь происходит догорание остатков топлива при приблизительно постоянном давлении (z’z). Подвод теплоты происходит в два этапа: вначале по изохоре сz’ а затем по изобаре z'z. Продукты сгорания при высоком давлении начинают перемещать поршень в сторону НМТ. От точки z начинается изоэнтропное (адиабатное) расширение zb, которое заканчивается в точке b при υb=υa. Открывается выпускной клапан IV и под действием избыточного давления происходит выталкивание продуктов сгорания и изохорный отвод количества теплоты q2 по линии ba. Цикл замыкается.
Ts-диаграмма используется для наглядного анализа количества подведенного q1 ( площадь saaczz’bsb) и отведённого q2 ( площадь saabsb) тепла и полезно использованного количества теплоты в цикле lЦ = q1 - q2 (площадь acz’zb).
Цикл Тринклера характеризуется степенью сжатия ε = υaυc, степенью повышения давления λ = pz'pc и степенью предварительного расширения ρ = υzυz'.

Рисунок 7 – Цикл Сабатэ-Тринклера на pυ и Ts-диаграммах.
Выразим объем, давление и температуру в характерных точках термодинамического цикла (точки c, z’, z и b) через характеристики цикла и его начальные параметры Та, υa, pa.
Точка с.
Удельный объём в точке с можно определить, используя определение степени сжатия:
υc=υaε , (41)
Процесс ac – адиабатный, тогда для него, используя уравнение адиабатного процесса, можно записать соотношение между параметрами:
pc*vck=pa*vak , отсюда определяем давление в точке с:
pc =paυaυck= paεk, (42)
Аналогично, из уравнения адиабатного процесса ac:
Tc*vck-1=Ta*υak-1, выразим температуру в точке с:
Tc=Taεk-1, (43)
Точка z’.
Процесс cz’ – изохорный.
υ z’=υc= υaε , (44)
Используя выражение изохорного процесса:
pz'pc=λ, получим выражение для вычисления давления газа в точке z:
pz'=pcλ=paεkλ. (45)
Для изохорного процесса отношение температур равно отношению давлений:
Tz'Tc=pz'pc=λ, тогда выражение для температуры в точке z, с учётом выражения (43), будет иметь вид:
Tz'=λTc=λTaεk-1 .
(46)
Точка z.
Зная степень предварительного расширения, можем определить удельный объем в точке z:
υz = υz'ρ=υcρ =ρυaε, (47)
Процесс z’z – изобарный, значит
pz=pz' =paλεk, (48)
а отношение объемов равно отношению температур:
vzvz'=TzTz'=ρ. Тогда, зная выражение температуры в предыдущей точке (46), получим температуру в точке z:

Tz=Tz'ρ=Taεk-1λρ, (49)
Точка b.
Процесс ba – изохорный, значит
υb = υa , (50)
Зная, что процесс zb – адиабатный и выражение (47), можно записать
TzTb=vbvzk-1=υaυc*ρk-1=εk-1ρk-1=δk-1, отсюда, используя (49) находим температуру в точке b:
Tb=Tzδk-1=Tz*ρk-1εk-1=Taεk-1λρ*ρk-1εk-1=Ta*λρk . (51)
Так как процесс ba – изохорный, то отношение давлений равно отношению температур, т.е:
pbpa=TbTa=λρk, Тогда давление в точке b равняется:
pb=paλρk , (52)
Таблица 3 – Расчет параметров рабочего тела в характерных точках цикла ТринклераПараметры Характерные точки цикла
a c z’ z b
v vavc=vaεvz'=vc=vaεvz=vaρεvb=vap pa pc= paεkpz'=paεkλpz=paεkλpb=paρkλT Ta Tc = Taεk-1Tz' = Taεk-1λTz = Taεk-1λρTb = TaρkλДля рассматриваемого цикла Тринклера количество подведённого тепла представляет собой сумму теплоты подводимой в изохорном и изобарном процессах q1 = q1’+q2”, следовательно:
q1=cυTz'-Tc+cp(Tz-Tz') , (53)
Отведенная теплота:
q2=cυ(Tb-Ta)(54)
Как и ранее, температуры в характерных точках термодинамического цикла могут быть выражены через его параметры и температуру Та (43,46,49,51). Это позволяет записать (53) и (54) соответственно в виде:
q1=cυλTaεk-1-Taεk-1+cp(Taεk-1λρ-λTaεk-1)q1=cυTaεk-1λ-1+cpcvλρ-1q1=cυTaεk-1λ-1+kλρ-1 ,
q2=cυ(Ta*λρk-Ta),
q2=cυTa(λρk-1). (55)
(56)
Термический КПД и среднее давление цикла согласно (11) и (6) определяются по формулам
ηt= 1-cυTaλρk-1cυTaεk-1λ-1+kλρ-1 ,
ηt=1-1εk-1∙λ ρk-1(λ-1)+kλ(ρ-1) ,
pt=cυTaεk-1λ-1+kλρ-1υa/ε*ηtε-1, (57)
учитывая (24) преобразуем
pt=Taυa*Rk-1*ε*εk-1λ-1+kλρ-1ε-1*ηt,
pt=paεkλ-1+kλρ-1k-1(ε-1)*ηt. (58)
Для повышения ра, а, следовательно, и рt в дизелях применяют наддув. При заданном количестве подведенной теплоты q1 величины λ и ρ определяются по выражениям
λ = 1 +xυq1cυTaεk-1 ,
ρ=1+1-xυ*q1kcυTaεk-1+xυq1 , (59)
(60)
где xυ=q1'q1 доля теплоты, подведенной в изохорном процессе cz’.
Термический КПД смешанного цикла увеличивается с повышением степени сжатия ε, показателя адиабаты k и степени повышения давления λ. При увеличении степени предварительного расширения ρ термический КПД цикла уменьшается. [4] Смешанный цикл наиболее часто применяется на практике в мощных машинах и лежит в основе работы большинства современных дизелей. [2]
Доля теплоты, подведенной в изохорном процессе хυ, может принимать значения от 0 до 1. При хυ=0 λ=1 (вся теплота подводится в изобарном процессе, т. е. смешанный цикл переходит в цикл Дизеля) уравнения (57) и (58) приобретают вид соответственно (36) и (40). При хυ=1 (вся теплота подводится в изохорном процессе) смешанный цикл переходит в цикл Отто, для которого ρ=1. В этом случае уравнения (57) и (58) принимают вид (21) и (25). [4]
Результаты расчетов по формулам (57)-(60) приведены на рисунке 8.

Рисунок 8 – Зависимость параметров и показателей смешанного
цикла от доли теплоты, подведенной при постоянном объеме
(pa = 0,1 МПа, Та = 300К, k=1,4, ε=14, cυ = 0,718 кДж/кг∙К).
Индексы: 1 – q1=1,5 МДж/кг, 2 – q2=1 МДж/кг [4]
Видно, что возрастание термического КПД при увеличении хυ сильно замедляется при приближении хυ к 1. При малых значениях хυ КПД зависит от общего количества подведенной теплоты q1. Особенно велико влияние q1 при хυ=0, когда цикл становится циклом Дизеля. Если вся теплота подводится при постоянном объеме (хυ=1) и цикл становится циклом Отто, то количество подведенной теплоты на величину термического КПД не влияет. [4]
Расчеты показывают, что начиная с хυ=0,6 термический КПД смешанного цикла с точностью до 2% становится равным ηt цикла с подводом теплоты при постоянном объеме. Поэтому дальнейшее увеличение хυ, не давая заметного выигрыша в термическом КПД, приведет лишь к сильному увеличению параметра λ определяющего максимальное давление цикла рz= λраεk.
На практике высокие давления и большие скорости его нарастания ухудшают условия работы кривошипно-шатунного механизма, повышают шумность работы двигателя и снижают его механический КПД. В связи с этим при расчете действительного цикла быстроходного дизеля параметр λ не принимают больше, чем 2,1.
Так как рассмотренные ранее термодинамические циклы Отто и Дизеля являются частными случаями цикла со смешанным подводом теплоты, то выражения (57) и (58) имеют характер обобщающих. Из (57) можно, в частности, заключить, что при одинаковой степени сжатия и одинаковом рабочем теле термический КПД (ηt=1-Т2Т1) цикла Отто будет наибольшим для трех сравниваемых циклов. Это утверждение сохраняется вне зависимости от начальных условий (параметров рабочего тела в начальной точке цикла) и количества подведенной теплоты. Действительно, сомножитель (λρk-1)/λ-1+kλρ-1 в уравнении (57) равен единице, только для цикла Отто.
Можно показать, что цикл с подводом теплоты при υ=const с точки зрения качества теплоиспользования является наиболее выгодным среди любых циклов, имеющих одинаковую степень сжатия и заканчивающихся отводом теплоты по изохоре. Впервые это было сделано Б.С. Стечкиным (1891 —1969).
Так как работа смешанного цикла и цикла Отто при условиях идентичности параметров (параметры рабочего тела в начальной точке цикла, максимального давления и работы цикла) одинакова, то при заданных условиях термический КПД цикла Отто меньше, чем цикла со смешанным подводом теплоты, который в рассматриваемом случае имеет более высокую степень сжатия.
Полученный результат отвечает практике: дизели более экономичны, чем бензиновые двигатели, но уступают им по своим удельным мощностным показателям. [4]
1.4 Сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания
Степень совершенства любого термодинамического цикла определяется значением его термического КПД. При этом применяют два метода: первый заключается в сравнении площадей на Тs-диаграмме, а второй — в сравнении среднеинтегральных температур в процессах подвода и отвода теплоты в циклах.
Сравнение циклов с изохорным и изобарным подводом теплоты при разных степенях сжатия и при равенстве количеств отведенной теплоты и одинаковых максимальных температурах Тz. На рисунке 9 цикл с изохорным подводом теплоты изображен пл. acOzb, цикл с изобарным подводом теплоты — пл. acДzb. Максимальные температуры в точке z у них одинаковы.
Количество отведенной теплоты в обоих циклах, изображается пл. mabn. Так как подведенная теплота в цикле с изобарным подводом теплоты изображается большей площадью, чем подведенная теплота в цикле с изохорным подводом теплоты, т. е. пл. mcДzn > пл. mcOzn, то КПД цикла с изобарным подводом теплоты больше КПД цикла с изохорным подводом теплоты. [3] При этих условиях цикл Дизеля более экономичен. Также двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе.
Основным недостатком двигателей, работающих по циклу Дизеля, по сравнению с двигателями, работающими по циклу Отто, является необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность из-за более медленного сгорания топлива.

Рисунок 9 – Сравнение циклов ДВС
Среднеинтегральная температура для любого термодинамического процесса равна отношению количества теплоты, участвующей в процессе, к изменению энтропии рабочего тела. Для любого термодинамического процесса она зависит только от его начальной и конечной температур:
T1си=q1sz-sc=Tz-TclnTzTc ,
T2си=q2sa-sb=Ta-TblnTaTb . (61)
(62)
Выражая q1 и q2 из (61) и (62) термический КПД любого цикла ДВС можно определить следующим образом :
ηt = 1-q2q1 = 1 — (T2си/T1си) , (63)
где Т1СИ — среднеинтегральная температура процесса подвода теплоты,
Т2СИ — среднеинтегральная температура процесса отвода теплоты.
Используя понятие среднеинтегральной температуры процесса можно произвести сравнение термодинамической эффективности циклов с изохорным и изобарным подводом теплоты.
При сравнении термодинамических циклов с разными степенями сжатия, но при одинаковой максимальной температуре циклов (рисунок 9) получаем, что температура Т1СИ изобарного подвода теплоты больше, чем температура Т1СИ изохорного подвода теплоты, а температура Т2СИ изохорного процесса отвода теплоты в обоих циклах будет одинаковой. [3] Отсюда следует, что
ηtДизеля>ηtОтто, (64)
Аналогичным образом можно произвести сравнение значения ηt для цикла со смешанным сгоранием со значениями ηt цикла Отто и цикла Дизеля, которое показывает, что при одинаковых степенях сжатия ε :ηtДизеля<ηtТринклера<ηtОтто, (65)

Рисунок 10 – Сравнение циклов ДВС при одинаковых степенях сжатия ε
Если сравнить эффективность двигателей при одинаковых наивысших температурах цикла (Тz), то соотношение термических КПД:
ηtДизеля>ηtТринклера>ηtОтто . (66)
Соотношение (66) наглядно иллюстрируется T,s-диаграммой (рисунок 11). Из рисунка видно, что все циклы имеют одинаковое количество отведённой теплоты q2, равной площади mabnm, при наибольшем значении подведенного количества теплоты в цикле Дизеля (площадь macДzbam), среднем значении подведенного количества теплоты в смешанном цикле (Тринклера, площадью macТz’zbam) и наименьшем значении подведенного количества теплоты в цикле Отто (площадь macOzbam). [1]

Рисунок 11 – Сравнение циклов ДВС при одинаковых наивысших температурах цикла (Тz)
Учитывая, что разность (q1-q2) это полезная работа цикла lЦ, делаем вывод что наибольшая работа цикла в цикле Дизеля, средняя по значению в цикле Тринклера и наименьшая в цикле Отто. Результаты приведенного анализа эффективности термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания справедливы лишь для идеальных циклов без учета необратимости и других факторов. В реальных циклах рабочее тело (в первых двух тактах — это воздух в цикле Дизеля и в цикле со смешанным сгоранием или горючая смесь в цикле Отто, в последующих тактах — это смесь воздуха и продуктов сгорания) по своим свойствам отличается от идеального газа с постоянной теплоемкостью; вследствие неизбежного трения процессы адиабатного сжатия и расширения происходят не по изоэнтропе, а с ростом энтропии; принудительное охлаждение стенок цилиндра еще больше увеличивает отклонение этих процессов от изоэнтропных; сгорание происходит за малые, но все же конечные промежутки времени, в течение которых поршень успевает несколько переместиться, так что условие изохорности процесса сгорания выполняется не совсем строго; имеют место механические потери в механизме и т. д. Это же относится к процессу выхлопа при открывании выхлопного клапана.
Поэтому для перехода от идеальных термодинамических циклов, исследованных выше, к реальным циклам необходимо вводить внутренний относительный КПД двигателя, который определяется экспериментально при испытании последнего. [1]
1.5 Реальный цикл двигателя внутреннего сгорания
Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя клапанами, через один из которых осуществляется впуск рабочего тела (воздуха или горючей смеси), а через другой – выброс рабочего тела по завершении цикла.
Крайние положения поршня в цилиндре называются мертвыми точками (в технике их называют верхней и нижней мертвыми точками), от этих положений поршень начинает возвратно-поступательное движение. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня. Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обуславливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.
Процесс, в течение которого происходит засасывание горючей смеси, называется впуском, следующий ход – сжатием, за ним идет расширение, или, как его называют, рабочий ход (в начале этого хода происходит вспышка горючей смеси и резкое повышение давления, затем расширение продуктов сгорания), наконец, последний ход – выпуск.
Особенности работы и конструктивного исполнения реальных двигателей рассмотрим на примере двигателя с циклом Отто.
В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рисунок 12) рабочий цикл происходит следующим образом:

Рисунок 12 – Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового двигателя: 1 – поршень, 2 – горючая смесь, 3 – впускной патрубок, 4 – впускной клапан, 5 – свеча, 6 – выпускной клапан, 7 – выпускной патрубок, 8 – кривошипно-шатунный механизм, 9 – вал
На валу двигателя укрепляется массивное маховое колесо, которое, запасая кинетическую энергию при рабочих ходах поршня, расходует часть ее на совершение работы во время ходов впуска, сжатия и выпуска, обеспечивая плавный ход двигателя. Для увеличения мощности машины четырехтактные двигатели изготавливают с несколькими цилиндрами.
Основная часть двигателя – цилиндр 1 (рисунок 13), закрытый сверху съемной головкой 19. Внутри цилиндра передвигается поршень 2. Поршень представляет собой металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами 3, которые вкладываются в канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец – не пропускать газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень соединен с шатуном 4. Шатун служит для передачи движения через кривошип коленчатому валу 5.

Рисунок 13 – Схематический вид разреза одноцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, которые могут закрываться и открываться при помощи клапанов 6 и 7. Клапаны закрывают каналы и имеют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям с помощью пружин 8 (пружина клапана 7 на рисунке 13 не показана). Клапаны открываются кулачками 9, поднимающими при своем вращении толкатели 10.
Кулачки укреплены на распределительном (кулачковом) валу, приводимом во вращение при помощи шестерен 11 и 12. Массивный маховик 13 предназначен для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала и вывода поршня из мертвых точек.
Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается свеча 14 для зажигания смеси при помощи электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето и бобины).
Горючая смесь подается в цилиндр по трубе 15, которая соединена с карбюратором, а отработавшие газы выбрасываются из цилиндра по трубе 18. Основанием для деталей кривошипного и распределительного механизмов, а также для защиты этих деталей служит картер 16. Нижняя часть картера является резервуаром для масла.
Головка и верхняя часть боковой поверхности цилиндра имеют двойные стенки; в пространстве 17 между этими стенками циркулирует вода, охлаждающая цилиндр, образуя рубашку охлаждения. Приспособление для охлаждения стенок цилиндров является необходимой частью двигателя. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имеющего место при нормальной работе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно действует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом.
Чтобы двигатель начал работать, его нужно привести в движение посторонней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питаемого от аккумулятора (стартер).
Реальный цикл двигателя внутреннего сгорания – это разомкнутый цикл, рабочее тело засасывается извне и по окончании цикла выбрасывается в атмосферу; таким образом, в каждом цикле участвует новая порция рабочего тела. [1]
Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора - индикатора). [3]
Рассмотрим на примере цикла Отто. Поршень I (рисунок 14) совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженном впускным III и выхлопным IV клапанами. Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рисунке 15. В процессе 0а (рисунок 15) поршень движется слева направо от ВМТ к НМТ, в цилиндре создается разряжение. В верхней мертвой точке (ВМТ) открывается впускной клапан III и в цилиндр подается горючая смесь (воздух, смешанный с парами бензина или другого горючего). После того, как поршень дойдет до крайнего правого положения – точка а (НМТ), процесс заполнения цилиндра горючей смесью заканчивается и впускной клапан закрывается. Поршень начинает двигаться в обратном направлении – справа налево (от НМТ к ВМТ). При этом горючая смесь в цилиндре сжимается и ее давление возрастает (процесс ас). После того как давление смеси в цилиндре достигает определенного значения, соответствующего точке с на индикаторной диаграмме, с помощью электрической свечи производится воспламенение горючей смеси при постоянном объеме. Температура и давление смеси резко возрастают. Процесс сгорания смеси происходит практически мгновенно, поршень не успевает переместиться, и поэтому процесс сгорания близок к изохорному. В процессе сгорания выделяется теплота, за счет которой рабочее тело, находящееся в цилиндре, нагревается и его давление повышается до значения, соответствующего точке z на индикаторной диаграмме (процесс cz). Под действием этого давления поршень перемещается вправо, совершая при этом работу расширения, отдаваемую внешнему потребителю (процесс zb). После того как поршень дойдет до точки b (положение НМТ), с помощью специального устройства открывается выхлопной клапан IV и давление в цилиндре снижается до значения, несколько превышающего атмосферное; при этом часть газа выходит из цилиндра. Поршень движется влево от НМТ до ВМТ, выталкивая из цилиндра в атмосферу оставшуюся часть отработавших газов (процесс b0), называют линия выхлопа.

Рисунок 14 – Принципиальная схема поршневого двигателя:
I – поршень, II – цилиндр, III – впускной клапан, IV – выпускной (выхлопной) клапан, V – впускной патрубок, VI – выпускной патрубок, ВМТ – верхняя мертвая точка, НМТ – нижняя мертвая точка.

Рисунок 15 – Индикаторная диаграмма двигателя, работающего
по циклу Отто
После этого начинается новый цикл — впуск свежего топливного заряда и т. д.
Как видно из индикаторной диаграммы, давление в цилиндре в процессе всасывания несколько меньше, а в процессе выхлопа – несколько больше атмосферного в результате аэродинамического сопротивления обоих клапанов и соответствующих подводящих патрубков.
Поршень в цилиндре двигателя, работающего по циклу Отто, в течение одного цикла совершает четыре хода (такта) — впуск, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продуктов сгорания в атмосферу. Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с чем 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 проч.
Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для анализа 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 (и отвод от рабочего тела) производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты (горячего и холодного); термодинамические процессы – обратимые.
Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, соответствующих рассмотренной индикаторной диаграмме, что позволяет производить сравнение различных типов двигателей и определять факторы, влияющие на их КПД. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а р,υ-диаграммой его цикла. [2,3] Такие идеальные циклы, построенные для единицы массы рабочего тела, были рассмотрены в начале пособия и представлены на рисунке 1.
В отношении термодинамического анализа такой замкнутый цикл не отличается от разомкнутого цикла Отто.
Рабочим телом цикла является горючая смесь (воздух + пары топлива), количество которой в двигателе остается неизменным. Процессы сжатия (ac) и расширения (zb) в этом цикле происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой, поэтому с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными.
Таким образом, идеальный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный реальному циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабатические процессы сжатия ac и расширения zb) и двух изохор (изохорические процессы подвода теплоты cz и отвода теплоты bа). Работа, производимая двигателем за один цикл, изображается площадью aczba.
1.6 Контрольные вопросы
На какие группы делятся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС)?
Что такое степень сжатия в цикле ДВС?
Дать описание идеального термодинамического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, вывести формулу для термического КПД и дать его анализ.
Дать определение характеристике цикла: степень предварительного расширения
Дать описание идеального цикла ДВС с подводом теплоты при р = const, вывести формулу термического КПД, изобразить цикл на Ts-диаграмме и дать анализ КПД цикла.
Как осуществляется рабочий процесс в ДВС с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме? Какое топливо применяют? Почему нельзя применять высокие степени сжатия?
Дать описание цикла ДВС с подводом теплоты при р = const и сравнить его с циклом, где подводится теплота при v = const.
Какой идеальный цикл будет самым эффективным при одинаковых степенях сжатия?
Дать определение характеристике цикла: степень повышения давления.
Как осуществляется рабочий процесс в ДВС с изобарным сгоранием топлива (р =const) и какие способы подачи топлива применяют?
Чем вызвано создание ДВС со смешанным сгоранием топлива?
Дать описание идеального цикла ДВС со смешанным подводом теплоты, вывести формулу термического КПД, изобразить цикл на Ts-диаграмме и дать анализ КПД цикла.
В чем отличие реального цикла работы ДВС от идеального?
Сравните идеальные циклы ДВС. Какой из них считается самым экономичным при одинаковых наивысших температурах?
В чем разница между индикаторной и pv-диаграммой?
Почему термический КПД цикла ДВС с подводом тепла при v =const увеличивается с ростом степени сжатия ε? Чем ограничивается повышение степени сжатия в двигателях этого типа?
Что такое среднее теоретическое давление цикла ДВС?
Какие параметры влияют на среднее теоретическое давление цикла ДВС?
Какие технические решения позволяют увеличить среднее теоретическое давление цикла ДВС?
Какие параметры наиболее значимо влияют на теоретическую мощность двигателя внутреннего сгорания?

2 ПРИМЕР ЗАДАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА
2.1 Цель расчетной работы
Целью расчетного задания является приобретение навыков теплотехнического расчета, построения циклов и подбора необходимого насосного оборудования системы охлаждения двигателя по результатам расчета.
При расчетах будем рассматривать только идеальные циклы ДВС.
2.2 Условие задания

Рисунок 16 – Схема ДВС и системы охлаждения.
1) В системе впуска в двигатель имеются местные сопротивления ζ. Суммарная длина впускных патрубков l диаметром d . Коэффициент трения λ. Скорость движения воздуха в патрубках υ. Определить давление в НМТ индикаторной диаграммы pа перед впускным клапаном, если атмосферное давление равняется pатм.
2) Рассчитать термодинамический цикл поршневого ДВС, с заданными значениями рaтм, υa, Тa, состав рабочего тела (смесь воздуха и продуктов сгорания) с объемными долями rВ и rП и молярной массой компонентов смеси μВ и μП соответственно. Параметры цикла ε, λ, ρ.
Произвести расчет молярной массы, газовой постоянной и теплоемкостей рабочего тела с учетом изменения температуры процессов.
Рассчитать параметры рабочего тела р, υ, Т во всех характерных точках цикла и полученные данные свести в таблицы.
Рассчитать значение теплоты q, работы l, изменения внутренней энергии u, энтальпии h, энтропии s для всех процессов цикла и полученные данные свести в таблицы.
Рассчитать термический КПД i и среднее давление цикла pt ДВС с рабочим объемом цилиндра υh и частотой n об/мин.
Определить термический КПД цикла Карно в том же интервале температур, что и заданный цикл. Определить теоретическую мощность двигателя.
Построить в масштабе по результатам вычислений цикл ДВС в p-υ и T-s координатах.
3) Охлаждающая жидкость плотностью ρ подается в радиатор насосом производительностью Q. Исходя из условий, что 50% теоретической мощности двигателя должно отводится системой его охлаждения, рассчитать производительность и потребный напор насоса в системе охлаждения, при температуре двигателя tДВ.
В системе охлаждения двигателя имеется трубопровод диаметром D; длиной L. Коэффициент трения λ. Коэффициент местных потерь радиатора ς и количество местных сопротивлений k. Определить необходимую мощность насоса, если его КПД η. Температуру окружающей среды принять равной ta. и Δt.
2.3 Алгоритм решения
1. Уравнение Бернулли для сжимаемого рабочего тела в сечениях перед впускным патрубком и положением поршня в нижней мертвой точке (точка а на диаграмме цикла ДВС):
pатмρ+v22=paρ+va22+hтр+hм ,
где
hтр=λldv22 ,
– потери на трение,
hм=ζv22 ,
– потери в местных сопротивлениях.
В первом приближении можно положить:
v22≈va22 ,
то после упрощения получим:
pатмρ=paρ+hтр+hм .
Откуда давление рабочего тела в конце процесса впуска в цилиндр (точка а)
pa=pатм-ρhтр+hм ,
Для упрощения на этом этапе расчёта принять плотность воздуха при нормальных условиях ρ =1,225 кг/м3.
2. 1) Произведем расчет молярной массы, газовой постоянной и теплоемкостей рабочего тела.
В расчёте задаётся рабочее тело, состоящее из двух компонентов: воздух и продукты сгорания.
Найдем молярную массу смеси по формуле:
μСМ =∑ri μi = rВ μВ + rn μn ,
где μi – молярная масса компонентов смеси;
ri – объемная доля компонентов смеси (воздух rВ, продукты сгорания rn).
Известно, что μВ = 28,95*10 –3 кг/моль, μn определяется в зависимости от вида топлива.
Найдем газовую постоянную смеси, используя константу универсальной газовой постоянной (R=8,314 Джмоль*К):
RСМ = RμCM .
Для расчета теплоемкостей примем показатель адиабаты равным k=1,4 для многоатомных газов.
cν=RСМk-1 , cp=cυk.
2) Рассчитаем параметры рабочего тела р, υ, Т во всех характерных точках цикла.
При расчетах получили pа . По условию дано, в т. а: υa, (или Та)
Из уравнения состояния идеальных газов найдем Ta (или υa):
Тa = pa *vaRСМ , va= ТaRСМpa Точка a
Параметры : υа , pа, Тa.
Цикл Отто
a-c – адиабатный, dq=0, ds=0, n=k, c=0.
c-z – изохорный, υ=const, тогда n =±∞, c =cυ.
z-b – адиабатный, dq=0, ds=0, n=k, c=0.
b-a – изохорный, υ=const, тогда n =±∞, c =cυ.
Точка c (a-c – адиабатное сжатие)
υc=υaε.
pc=pa*εk.
Tc=Ta*εk-1.
Точка z (c-z – изохорный нагрев)
υz=υc.
pz=pc*λ=pa*εk*λ.
Tz=Ta*εk-1*λ=Tc*λ.
Точка b (z-b – адиабатное расширение, b-a – изохорное понижение давления, выброс отработанных газов)
υb=υa.
pb=pzεk=pa*λ.
Tb=Tzεk-1=Ta*λ.
Цикл Дизеля
a-c – адиабатный, dq=0, ds=0, n=k, c=0.
c-z – изобарный, p=const, тогда n= 0, c = cp.
z-b – адиабатный, dq=0, ds=0, n=k, c=0.
b-a – изохорный, υ=const, тогда n =±∞, c =cυ.
Точка c (a-c – адиабатное сжатие)
υc=υaε .
pc=pa*εk.
Tc=Ta*εk-1.
Точка z (c-z – изобарное расширение)
υz=va*ρε=υc*ρ.
pz=pc=pa*εk.
Tz=Ta*εk-1*ρ=Tc*ρ .
Точка b (z-b – адиабатное расширение, b-a – изохорное понижение давления, выброс отработанных газов)
υb=υa=ε*vc .
pb=pa*ρk.
Tb=Ta*ρk.
Цикл Саботэ-Тринклераa-c – адиабатный, dq=0, ds=0, n=k, c=0.
c-z – изохорный, υ=const, тогда n =±∞, c =cυ.
z-z’ – изобарный, p=const, тогда n= 0, c = cp.
z’-b – адиабатный, dq=0, ds=0, n=k, c=0.
b-a – изохорный, υ=const, тогда n =±∞, c =cυ.
Точка c (a-c – адиабатное сжатие)
υc=υaε.
pc=pa*εk.
Tc=Ta*εk-1.
Точка z (c-z – изохорный подвод тепла, горение топлива)
υz=υc=vaε.
pz=pc*λ=pa*εk*λ.
Tz=Tc*λ.
Точка z’ (z-z’ – изобарное расширение, подвод тепла)
υz'=va*ρε=υz*ρ.
pz'=pz=pa*εk*λ.
Tz'=Ta*εk-1*ρ*λ=Tz*ρ.
Точка b (z’-b – адиабатное расширение, b-a – изохорное понижение давления, выброс отработанных газов)
υb=υa=ε*vz.
pb=pa*ρk*λ.
Tb=Ta*ρk*λ.
3) Рассчитаем значение теплоты q, работы l, изменения внутренней энергии u, энтальпии h, энтропии s для всех процессов цикла.
а) Найдем теплоту процессов q:
q = 0 - процессы a-c, z-b адиабатные.
q p = const = TcTzcp dT = cp (Tz-Tc) ,
- для изобарных процессов.
q υ = const = TaTbcv dT = cυ (Tb-Ta) ,
- для изохорных процессов.
б) Найдем работу процессов l:
l=1k-1(pa,zva,z-pc,bvc,b) ,
- для адиабатных процессов.
l = p(υz- υc) = RСМ1-k(Tz-Tc) ,
– для изобарных процессов.
l = 0 - для изохорных процессов.
в) Найдем изменение внутренней энергии идеального газа ∆U:
∆U = uc-ua = TaTccυ dT = cυ (Tc-Ta) , – для всех видов процессов идеального газа.
г) Найдем изменение энтальпии идеального газа ∆h:
∆h = hc-ha = TaTccp dT = cp (Tc-Ta) ,
– для всех видов процессов идеального газа.
д) Найдем изменение энтропии идеального газа ∆S:
∆S = 0 – для адиабатных процессов.
∆S = cР ln TzTc , – для изобарных процессов.
∆S = cυ ln Ta,zTb,c , – для изохорных процессов.
4). Рассчитаем термический КПД t и среднее давление цикла pt, термический КПД цикла Карно в том же интервале температур и определим теоретическую мощность двигателя.
Подведенное и отведенное количество теплоты в цикле:
q1=cυTz-Tc,
для смешанного цикла:
q1=cυTz'-Tc+cp(Tz-Tz') ,
q2 = cv (Ta-Tb).
Работа цикла:
lЦ = q1-|q2|.
Определим термический КПД цикла несколькими способами:
ηt=lЦq1,
ηt=1-1εk-1 ,
– для цикла с изохорным подводом теплоты,
ηt=1-1εk*ρk-1kρ-1 ,
– для цикла с изобарным подводом теплоты,
ηt=1-1εk-1∙λ ρk-1(λ-1)+kλ(ρ-1) ,
– для смешанного цикла,
Термический КПД идеального цикла Карно определяется как:
ηt=1-TaTz.
Среднее теоретическое давление цикла :pt=lЦva-vс.
Найдем объемный расход рабочего тела :VРТ = Vh*n ,где n в об/с, Vh в м3.
Массовый расход рабочего тела определяется по формуле:
MРТ = VРТva-vс.
Тогда теоретическая мощность двигателя определяется как:
Nt = lЦ*MРТ (Вт).
илиNt = pt*VРТ (Вт).
3. Найдем производительность насоса из условия, что в системе охлаждения от двигателя отводится теплота, равная половине его теоретической мощности:
Q=0,5Nt.
В радиаторе от охлаждающей жидкости отводится количество теплоты Q Вт.
Примем tОКР = taтм = 20 °C при нормальных условиях, тогда t” = tокр + Δt. По таблицам справочных данных найдем теплоемкость охлаждающей жидкости с.
В радиаторе температура охлаждающей жидкости изменяется с tДВ до t”.
Q=с*m*(tДВ-t”),
m=Qc(tДВ-t").
m=ρvπd24,
тогда можем найти скорость теплоносителя по формуле v (м/с):
v=4mρπd2.
Потребный напор будет равен :HПОТР = λldυ22g + ζυ22g = hТР+hМ ,
где
hтр=λldυ22g ,
– потери на трение,
hм=ζυ22g ,
– потери в местных сопротивлениях.
Мощность насоса определяется как:
NНАС =NНАС.Т/ηНАС= mg*HПОТР / ηНАС .
3 ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ
1. Как называется процесс, в котором подведенное к рабочему телу тепло численно равно изменению энтальпии?
a) адиабатный;
б) изохорный;
в) изотермический;
г) изобарный;
2. По изменению какой из приведенных ниже величин можно судить о том, что подводится теплота к рабочему телу или отводится от него?
а) энтальпия;
б) удельный объем;
в) энтропия;
г) внутренняя энергия.
3. По изменению какой из приведенных ниже величин можно определить знак работы?
а) внутренняя энергия;
б) энтропия;
в) температура;
г) давление.
4. Для процесса, протекающего при постоянном объеме показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен бесконечности;
5. Теплоемкость при изобарном процессе равна:
а) сp;
б) 0;
в) cυ;
г) ∞ (бесконечности);
6. Для адиабатного процесса первый закон термодинамики примет вид:
а) -du=dl;
б) dq=du :
в) dq=dl :
г) dq=du+dl;
7. Подвод теплоты в бензиновом двигателе:
а) проходит при р=const;
б) проходит при рυk=const;
в) проходит при υ=const;
г) проходит при dq=0;
8. Как связаны между собой теплота Q, работа L и изменение внутренней энергии ΔU термодинамической системы и как называется это зависимость?
а) Q=ΔU-L – уравнение конвективного теплообмена;
б) Q=ΔU+L – уравнение второго закона термодинамики;
в) Q=ΔU+L – уравнение первого закона термодинамики;
г) ΔU = Q +L – уравнение внутренней энергии.
9. Укажите какой процесс на диаграмме адиабатный?

а) 4-4;
б) 1-1;
в) 3-3;
г) 2-2;
10. В закрытом сосуде находится идеальный газ при избыточном давлении Р1изб = 0,02 МПа и температуре 400˚С. До какой температуры (˚С) нужно его охладить, чтобы в сосуде устанавливалось разрежение Р2вак = 0,03 МПа. Барометрическое (атмосферное) давление 0,1 МПа.
а) 176;
б) 120;
в) 233;
г) 267;
11. Укажите уравнение первого закона термодинамики для адиабатного процесса ( для закрытой термодинамической системы)
а) dq = dh;
б) dq = du +υdр;
в) dq = dl;
г) -du =dl;
12. Какое из приведенных ниже соотношений определяет содержание второго закона термодинамики.
а) ds<dqT;
б) ds≤dqT;
в) ds=dTT;
г) ds>dTT .13. Какой процесс на диаграмме характеризует всасывание рабочего тела в цилиндр?

а) 1'-1;
б) 2-2';
в) 1-2;
г) 2’’-1’’;
14. К газу в прямом круговом процессе (цикле) подведено 2500кДж теплоты. Термический КПД цикла равен 0,46. Найти работу, полученную за цикл.
а) 5435 кДж;
б) 1150кДж;
в) 0,000184 кДж;
г) 1500 кДж.
15. Для процесса, протекающего при постоянной температуре показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен бесконечности;
16. Как соотносятся между собой термический, внутренний и эффективный КПД ДВС:
а) ηt>ηi>ηе ;
б) ηt<ηi<ηе;
в) ηt=ηi<ηе;
г) ηt>ηi=ηе;
17. Для изобарного процесса первый закон термодинамики примет вид:
а) -du=dl;
б) dq=du :
в) dq=dl :
г) dq=du+dl;
18. В адиабатном процессе :а) вся подведенная теплота идет на совершение работы и изменение внутренней энергии;
б) вся подведенная теплота идет на совершение работы;
в) работа совершается за счет внутренней энергии;
г) вся подведенная энергия идет на изменение внутренней энергии;
19. Отвод теплоты в бензиновом двигателе:
а) проходит при р=const;
б) проходит при рυk=const;
в) проходит при υ=const;
г) проходит при dq=0;
20. При каких условиях термический КПД цикла теплового двигателя может быть равен единице?
а) T2 = ∞ и T1 = 0;
б) T2 = T1;
в) T2 = 0 и T1 = ∞;
г) T2 > T1;
21. Воздух с начальной температурой 40˚С находится в цилиндре диаметром 0,4 м и занимающий объем 0,1 м3 , нагревается до температуры 120˚С. Определить перемещение (м) поршня, считая нагрузку на него постоянной.
а) 0,21;
б) 1,59;
в) 0,85;
г) 1,2;
22. Цикл ДВС, изображенный на диаграмме это:

а) Цикл Дизеля;
б) Цикл Тринклера;
в) Цикл Отто;
г) Цикл Сабатэ;
23. В каком из процессов с идеальным газом теплоемкость бесконечно велика?
а) адиабатный процесс;
б) изотермический процесс;
в) политропный процесс, n >k;
г) изохорный процесс.
24. Каким законом устанавливается связь между парциальными давлениями компонентов смеси идеальных газов и ее общим давлением?
а) Авогадро;
б) Шарля;
в) Дальтона;
г) Гей –Люссака;
25. Какая формула выражает связь между индикаторным ηi , механическим ηмех и эффективным КПД ηе двигателем?
а) ηе = ηмех / ηi;
б) ηе = ηi / ηмех;
в) ηе = ηi × ηмех;
г) ηе = ηi - ηмех;
26. Единицей измерения универсальной газовой постоянной является:
а) Дж/кг;
б) Дж/К;
в) Дж/м3;
г) Дж/(кг К);
27. Как называются показатели, характеризующие степень совершенства рабочего цикла теплового двигателя с учетом тепловых и механических потерь?
а) индикаторными;
б) термодинамическими;
в) механическими;
г) эффективными.
28. Для процесса, протекающего при dq=0 (q-теплота) показатель политропы :а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен бесконечности;
29. Какой цикл реализуется в дизельных ДВС:
а) цикл со смешанным подводом теплоты;
б) цикл при р=const;
в) цикл при υ=const;
г) цикл Карно;
30. Для изотермического процесса первый закон термодинамики примет вид:
а) -du=dl;
б) dq=du :
в) dq=dl :
г) dq=du+dl;
31. Теплоемкость при адиабатном процессе равна:
а) сp;
б) 0;
в) cυ;
г) ∞ (бесконечности);
32. В изобарном процессе :а) вся подведенная теплота идет на совершение работа и изменение внутренней энергии
б) вся подведенная теплота идет на совершение работы;
в) работа совершается за счет внутренней энергии;
г) вся подведенная энергия идет на изменение внутренней энергии;
33. Единицей измерения энтропии является:
а) Дж/кг;
б) Дж/К;
в) Дж/м3;
г) Дж/(кг К);
34. Какому состоянию соответствует точка 2 (арабская цифра) на диаграмме?

а) Вода в состоянии насыщения;
б) Перегретый пар;
в) Пар в состоянии насыщения;
г) Влажный пар;
35. Смесительным называется теплообменник, у которого:
а) передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку;
б) передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется их непосредственным соприкосновением;
в) горячий теплоноситель соприкасается с твердым телом и отдает ему теплоту, далее холодный теплоноситель соприкасается с твердым телом и воспринимает теплоту, аккумулированную твердым телом;
г) горячий теплоноситель взаимодействует с твердым телом и реагирует с теплотой, далее холодный теплоноситель соприкасается с твердым телом и воспринимает теплоту, аккумулированную твердым телом;
36. Что изучает "Техническая термодинамика"?
а) Основные законы передачи тепла в реальных физических условиях в различных теплотехнических устройствах;
б) Раздел физики, изучающий законы преобразования энергии и процессы перехода из одних форм в другие;
в) Основные законы превращения тепловой энергии и механической работы в различных тепловых машинах;
г) Основные законы движения идеальных и реальных жидкостей и газов;
37. Если в воздухе содержится максимально возможное количество водяных паров, то его называют:
а) Влажным воздухом;
б) Насыщенным воздухом;
в) Сухим воздухом;
г) Увлажненным воздухом;
38. По какому уравнению рассчитывается термический КПД прямого цикла (эффективность работы теплового двигателя)?
а) ηt=LЦQ1=1-Q2Q1;
б) ηt=Q1LЦ=Q1Q1-Q2;
в) ηt=Q2LЦ=Q2Q1-Q2;
г) ηt=Q2Q1=Q2LЦ+Q2;
39. Теплоемкость при изотермическом процессе равна:
а) сp;
б) 0;
в) cυ;
г) ∞ (бесконечности);
40. Как называется такая схема движения теплоносителей?

а) Прямоток;
б) Противоток;
в) Перекрестная ;
г) Смешанная;
41. Какой цикл реализуется в бензиновых двигателях?
а) цикл со смешанным подводом теплоты;
б) цикл с подводом теплоты при р=const;
в) цикл Карно;
г) цикл при υ=const;
42. Подвод теплоты в цикле современного дизеля:
а) проходит при р=const и υ=const;
б) проходит при рυk=const и υ=const;
в) проходит при υ=const и р=const ;
г) проходит при dq=0 и υ=const;
43. Для процесса, протекающего при постоянном давлении показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен бесконечности;
44.Термодинамическую систему, которая не обменивается с окружающей средой теплотой называют:
а) гомогенной;
б) закрытой;
в) адиабатной;
г) гетерогенной;
45. В двигателе внутреннего сгорания рабочим телом являются:
а) отработавшие газы;
б) топливо;
в) смесь воздуха с парами топлива;
г) смесь кислорода с парами топлива;
46. Уравнение состояния идеального газа справедливо для:
а) обратной термодинамической системы;
б) равновесной термодинамической системы;
в) равновероятной термодинамической системы;
г) прямой термодинамической системы;
47. В системе СИ давление выражается:
а) кг/м2;
б) Па;
в) кг2/м;
г) Н/м3;
48. Работа расширения, совершаемая системой в адиабатном процессе равна:
а) увеличению внутренней энергии данной системы;
б) увеличению энтропии данной системы;
в) уменьшению внутренней энергии данной системы;
г) увеличению энтальпии данной системы;
49. Укажите какой процесс на диаграмме обозначен линией 4-4?

а) изохорный;
б) изотермический;
в) адиабатный;
г) изобарный;
50. При адиабатном сжатии рабочего тела затрачиваемая извне работа целиком идет:
а) на уменьшение внутренней энергии системы;
б) на увеличение энтропии системы;
в) на увеличение внутренней энергии системы;
г) на уменьшение энтропии системы;
51. Изменение внутренней энергии в термодинамическом процессе определяется только:
а) начальным и конечным состоянием рабочего тела;
б) начальным и законченным состоянием рабочего тела;
в) начальным и конечным путями проведения процесса;
г) начальным и законченным путями проведения процесса;
52. Механическую работу расширения можно выразить в виде уравнения:
а) dL = рΥ;
б) dL = dрΥ;
в) dL = dΥdp;
г) dL = рdΥ;
53. Цикл ДВС, изображенный на p,υ-диаграмме это:

а) Цикл Дизеля;
б) Цикл Тринклера;
в) Цикл Отто;
г) Цикл Карно;
54. Работа:
а) является функцией исходного и конечного состояний системы;
б) зависит от характера термодинамического процесса;
в) не является функцией исходного и конечного состояний системы;
г) не зависит от характера термодинамического процесса;
55. Связь теплоемкости с теплотой и температурой описывается уравнением:
а) С=dQ/T;
б) С=dQ/dT;
в) С=Q/dT;
г) С=Q/T;
56. Изменение энтальпии в любом процессе определяется только:
а) начальным и конечным состоянием рабочего тела;
б) начальным состоянием рабочего тела;
в) начальным и конечным путями проведения процесса;
г) начальным и законченным путями проведения процесса;
57. Какой цикл реализуется в двигателях, работающих на газе?
а) цикл со смешанным подводом теплоты;
б) цикл с подводом теплоты при р=const;
в) цикл Карно;
г) цикл при υ=const;
58. Отвод теплоты в цикле современного дизеля:
а) проходит при р=const;
б) проходит при рυk=const;
в) проходит при υ=const;
г) проходит при dq=0;
59. Теплоемкость при изохорном процессе равна:
а) сp;
б) 0;
в) cυ;
г) ∞ (бесконечности);
60. Для изоэнтропного процесса первый закон термодинамики примет вид:
а) -du=dl;
б) dq=du :
в) dq=dl :
г) dq=du+dl;
61. В изотермическом процессе :а) вся подведенная теплота идет на совершение работа и изменение внутренней энергии
б) вся подведенная теплота идет на совершеие работы;
в) работа совершается за счет внутренней энергии;
г) вся подведенная энергия идет на изменение внутренней энергии;
62. В какой точке цикла на p,υ-диаграмме температура максимальная?

а) a;
б) z’;
в) b;
г) z;
63. Зависимость изменения энтальпии описывается уравнением:
а) dh=CυdT;
б) dh=RdT;
в) dh=CpdT;
г) dh=(R+Cp)dT;
64. При сжатии:
а) температура рабочего тела падает
б) температура рабочего тела не изменяется;
в) температура рабочего тела не возрастает;
г) температура рабочего тела возрастает;
65. Зависимость изменения внутренней энергии описывается уравнением:
а) du=CυdT;
б) du=RdT;
в) du=CpdT;
г) du=pdυ;
66. Теплообменником называют аппарат, предназначенный:
а) для отвода теплоты от теплоносителей;
б) для подвода теплоты к теплоносителям;
в) для сообщения теплоты одному из теплоносителей в результате его отвода от другого теплоносителя;
г) для сообщения теплоты одному из теплоносителей в результате его сообщения к другому теплоносителю;
67. К функции состояния относится:
а) давление;
б) энтальпия;
в) температура;
г) теплота;
68. В изохорном процессе :а) вся подведенная теплота идет на совершение работа и изменение внутренней энергии
б) вся подведенная теплота идет на совершеие работы;
в) работа совершается за счет внутренней энергии;
г) вся подведенная энергия идет на изменение внутренней энергии;
69. Укажите какой процесс на диаграмме изотермический?

а) 4-4;
б) 1-1;
в) 3-3;
г) 2-2;
70. Количество теплоты подводимое в процессе:
а) dq = dTds;
б) dq = Tds;
в) dq = dTs;
г) dq = Ts;
71. Единицей измерения температуры в СИ является:
а) °Re (градусы Реомюра);
б) K (градусы Кельвина);
в) °С (градусы Цельсия);
г) °F (градусы Фаренгейта);
72. Какая из приведенных функций характеризует направление термодинамического процесса?
а) внутренняя энергия;
б) энтальпия;
в) энтропия;
г) температура;
73. При подводе теплоты к телу:
а) dq<0, ds>0;
б) dq<0, ds>0;
в) dq>0, ds>0;
г) dq>0, ds<0;
74. Изменение энтропии в цикле на T,s-диаграмме равно нулю в процессе:

а) a-b;
б) Ta-a;
в) a-c;
г) c-z;
75. Для того чтобы двигатель непрерывно производил механическую работу:
а) работа сжатия должна быть такой же, как и работа расширения;
б) работа расширения должна быть меньше работы сжатия;
в) работа расширения должна быть больше работы сжатия;
г) работа сжатия должна быть больше работы расширения;
76. Цикл Карно состоит из:
а) двух изобарных и двух адиабатных процессов
б) двух изохорных и двух адиабатных процессов
в) двух политропных и адиабатных процессов
г) двух изотермических и двух адиабатных процессов
77. Удельная работа расширения в изохорном процессе:
а) не равна 0;
б) равна 0;
в) равна 1;
г) равна бесконечности;
78. Цикл ДВС, изображенный на p,υ-диаграмме это:

а) Цикл Дизеля;
б) Цикл Тринклера;
в) Цикл Отто;
г) Цикл Карно;
79. В изобарном процессе работа расширения:
а) равна dl=рdυ;
б) равна dl=рdT;
в) равна dl=dрdυ;
г) равна dl=υdp;
80. К термическим параметрам относится:
а) энтальпия;
б) энтальпия;
в) температура;
г) работа;
81. В изотермическом процессе работа расширения равна:
а) l=R∙T∙ln(υc+υa);
б) l=R∙T∙ln(υc-υa);
в) l=R∙T∙ln(υc/υa);
г) l=R∙T∙ln(pc+pa);
82. Для охлаждения автомобильного двигателя внутреннего сгорания:
а) используют регенеративные теплообменники;
б) используют рекуперативные теплообменники;
в) используют смесительные теплообменники;
г) используют аккумуляторные теплообменники;
83. В системе СИ единица удельного объема измеряется:
а) в м2/кг;
б) в м/кг3;
в) в м3/кг;
г) в м3/кг3;
84. В какой точке цикла на T,s-диаграмме наименьшее давление?

а) a;
б) с;
в) b;
г) z;
85. В адиабатном процессе:
а) (рυ)k = const;
б) рυk = const;
в) рkυ = const;
г) рυ1/k = const;
86. При отводе теплоты от тела:
а) dq<0, ds>0;
б) dq<0, ds>0;
в) dq<0, ds<0;
г) dq>0, ds>0;
87. В политропном процессе:
а) (рυ)n = const;
б) рυn = const;
в) рnυ = const;
г) рυ1/n = const;
88. Для изохорного процесса показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен бесконечности;
89. Степенью сжатия ДВС называется:
а) отношение объема камеры сгорания к объему цилиндра;
б) отношение длины камеры сгорания к длине цилиндра;
в) отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания;
г) отношение объема, занимаемого поршнем, к объему камеры сгорания;
90. Для изотермического процесса показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен n;
91. Укажите какой процесс на диаграмме обозначен линией 1-1?

а) изохорный;
б) изотермический;
в) адиабатный;
г) изобарный;
92. Единицей измерения удельной внутренней энергии является:
а) Дж/кг;
б) Дж/К;
в) Дж/(кгК);
г) Дж/(м3К);
93. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме реализуется:
а) в дизелях;
б) в дизелях и бензиновых двигателях;
в) в бензиновых двигателях;
г) в бензиновых и газовых двигателях;
94. Для адиабатного процесса показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен n;
95. В автомобильных двигателях внутреннего сгорания рекуперативные теплообменники:
а) используют для охлаждения тормозной системы;
б) используют для охлаждения мотора;
в) используют для охлаждения подвески автомобиля;
г) используют для охлаждения системы зажигания;
96. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении реализуется:
а) в дизелях;
б) в цикле Дизеля;
в) в бензиновых двигателях;
г) в бензиновых и газовых двигателях;
97. При расширении:
а) температура рабочего тела падает;
б) температура рабочего тела не изменяется;
в) температура рабочего тела не возрастает;
г) температура рабочего тела возрастает;
98. Для изобарного процесса показатель политропы:
а) равен 1;
б) равен 0;
в) равен k;
г) равен n;
99. Цикл со смешанным подводом теплоты реализуется:
а) в бензиновых двигателях;
б) в цикле Дизеля;
в) в дизелях;
г) в бензиновых и газовых двигателях;
100. Для изохорного процесса первый закон термодинамики примет вид:
а) -du=dl;
б) dq=du :
в) dq=dl :
г) dq=du+dl;
101. Если температура во всех точках тела:
а) зависит от времени, то можно считать температурное поле изотермическим;
б) не зависит от времени, то можно считать температурное поле изотермическим;
в) зависит от времени, то можно считать температурное поле стационарным;
г) не зависит от времени, то можно считать температурное поле стационарным;
102. В какой точке цикла на p,υ-диаграмме наименьшая температура?

а) a;
б) с;
в) b;
г) z;
103. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью (газом):
а) называется теплопередачей;
б) называется теплоотдачей;
в) называется теплопроводностью;
г) называется теплоемкостью;
104. Режим движения жидкости в системе охлаждения автомобиля:
а) ламинарный;
б) турбированный;
в) турбулентный;
г) ламинированный;
105. Единицей измерения удельной энтальпии является:
а) Дж/кг;
б) Дж/К;
в) Дж/м3;
г) Дж/(кг К);
106. Если процесс протекает при постоянном давлении, то механическая работа расширения:
а) равна dl=dрdυ;
б) равна dl=dрdT;
в) равна dl=рdυ;
г) равна dl=υdp;
107. Какой цикл изображен на T,s-диаграмме ?

а) цикл Карно;
б) цикл Дизеля;
в) цикл Тринклера-Сабатэ;
г) цикл Отто;
108. Горючая смесь воспламеняется в конце такта:
а) впуск;
б) сжатие;
в) выпуск;
г) рабочий ход;
109. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя количество теплоты, равное 3 к Дж и отдает холодильнику количество теплоты, равное 2,4 кДж. КПД этого двигателя равен:
а) 20 %;
б) 25 %;
в) 80 %;
г) 120 %;
110. Тепловая машина с КПД 40 % получает за цикл от нагревателя 100 кДж. Какое количество теплоты машина отдает за цикл холодильнику?
а) 40 кДж;
б) 100 кДж;
в) 60 кДж;
г) 160 кДж;
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 – Значения параметров рабочего процесса и показатели работы современных автотракторных двигателей
Параметры и показатели Услов-ное обозначениеЕдини
ца измерения Бензиновые
двигателиДизели
без наддува с наддувом
Давление: МПа окружающей среды Ратм0.1 в конце впуска ра(0.78-0.88)pатм(0.85-0.88)pатм(0.9-0.96)pатмв конце сжатия рс0.8...2.0 3.0...4.5 5.0...8.0
максимальное в процессе сгорания рz3.0...5.5 5.0...7.0 7.0...12.0
в конце расширения рв0.3...0.5 0.2...0.5 0.2...0.5
в конце выпуска рr(1.1...1.25)pатм(1.05...1.2)pатм(1.1...1.25)pатмсоздаваемое турбокомпрессоромрк- - (1.5...2.5)pатмсреднее индикаторное рi0.7...1.6 0.6...1.1 0.8...2.2
среднее эффективное ре0.5...1.3 0.55...0.85 0.70...1.75
механических потерь рм0.2 Температура: К в конце впуска Та 340...400 310...350 325...425
в конце сжатия Тс 600...800 700...900 850...1050
максимальная в процессе сгорания Тz2300...2800 1800...2200 1900...2300
в конце расширения Тв1200...1700 1100...1200 1200...1400
в конце выпуска Тr900...1100 600...800 700...900
Повышение температуры
заряда в процессе выпуска ΔТ K 5...25 20...40 0...10
Продолжение приложения 1
Коэффициент: избытка воздуха α0.85...0.95 1.15...1.30 1.20...1.65
наполненияηv0.75...0.87 0.80...0.90 0.82...0.95
остаточных газов γr0.06...0.12 0.02...0.06 0...0.04
Степень: повышения давления λр3.2...4.2 1.4...1.8 1.7...2.5
предварительного расширенияρ- 1.4...1.8
последующего
расширенияδ- 9...11
сжатияε6.5...11 14...20
Низшая теплотворная способность топлива Qн кДж/кг 43500...44500 41500...42500
Показатель политропы: сжатияn1 1.30...1.38 1.34...1.40 1.36...1.42
расширенияn2 1.25...1.33 1.18...1.28
Средняя скорость поршняvпм/с 7...20 5...10
Литровая мощность NлкВт/л 20...45 7...13 15...22
Удельный расход топлива: индикаторныйgiг/кВт ч 235...290 165...220
эффективныйge290...350 200...280
Коэффициент полезного
действия: индикаторныйηi0.28...0.38 0.40...0.52
эффективныйηe0.22...0.33 0.35...0.48
механических потерь ηм0.70...0.90 0.70...0.82 0.80...0.90
ЛИТЕРАТУРА
Кириллин В.А., Сычев В.В, Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник для вузов. – 5-е изд. перераб. И доп. – М.: Изд. дом МЭИ, 2008. – 496 с.: ил.
Кудинов В.А, Карташов Э.М. Техническая термодинамика. Учеб. Пособие для втузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2001 – 261 с.: ил.
Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. Пособие для неэнергетических специальностей вузов. М. «Высшая школа», 1975 – 496 с.: ил.
Теплотехника: Учеб. для вузов/В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под. ред. В.Н. Луканина. – 5-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 2006. – 671 с.: ил.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………………..
1 ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ……………………………………………………………
1.1 Цикл Отто…………………………………………………………..
1.2 Цикл Дизеля………………………………………………………...
1.3 Цикл Саботэ-Тринклера…………………………………………...
1.4 Сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания
1.5 Реальный цикл двигателя внутреннего сгорания………………..
1.6 Контрольные вопросы……………………………………………..
2 ПРИМЕР ЗАДАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА…………………………...
2.1 Цель расчетной работы………………………………………….…
2.2 Условие задания…………………………………………………….
2.3 Алгоритм решения…………………………………………………
3 ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ………..
ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………….
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………… 3
4
8
15
20
28
31
37
39
39
39
40
49
68
71

Никифоров Александр Георгиевич,
Попова Дарья Юрьевна
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Учебно-методическое пособие
Подписано в печать ____ 2017 г. Формат бумаги 60х84/16
Печ.л. 5. Тираж ____ экз.
Заказ №
Редакционно-издательский отдел
ФГБОУ ВО Смоленская ГСХА
214000, Смоленск, ул.Козлова, 3 а

Приложенные файлы

  • docx 8579472
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий