25 В.Г. Дьяченко, д-р техн. наук ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Рабочие процессы в ДВС
Список литературы:
5. Глазовский С.А., Дмитриевский А.А., Шатров Е.В.
1. Акопян С.И. Двигатели внутреннего сгорания с
Тенденции развития автомобильных бензиновых
впрыском топлива и электрическим зажиганием. –
двигателей (обзорная информация). – М.: Изд-во
М.: Машгиз, 1945. – 128 с. 2. Chome M.A., Havstad
НИИавтопром, 1982. – 47с. 6. Rixman W. Der MAN-
P.H., Simko A.O., Stockhausen W. F. Fuel tolerance tests
FM-Motoren // ATZ. – 1965, Nr. 10. 7. Гершман И.И.,
with the Ford PROCO engine // «SAE Techn. Pap. Ser.».
Грудский Ю.Г., Сарафанов С.К., Филипосянц Т.Г.
– 1981. – №810439. См. также РЖ ДВС. – 1982,
Многотопливные дизельные двигатели с посторон-
1.39.300. 3. Петруничев А.И., Коробченко С.В. Бен-
ним зажиганием (гибридные двигатели). – М.: Изд-
зиновые двигатели с послойным распределением то-
во НАМИ, 1975. – 83 с. 8. Корогодський В.А. Вдоско-
плива в заряде (обзор). – М.: Изд-во НИИавтопром,
налення процесів сумішоутворення та згоряння в
1976. – 70с. 4. Вахошин Л.И., Маркова И.В., Терно-
двигунах з іскровим запалюванням при безпосеред-
польская Э.Б. Итоги науки и техники // Серия Дви-
ньому вприскуванні палива. Автореф. дис... канд.
гатели внутреннего сгорания / Бензиновые автомо-
техн. наук: 05.05.03 / НТУ “ХПІ”. – Харьков, 2004. –
бильные ДВС с послойным распределением топлива в
20 с.
заряде. – М.: 1977. – Т. 2. Деп. в ВИНИТИ. – С. 162.
УДК 621.43.018
В.Г. Дьяченко, д-р техн. наук
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ С ПРОДОЛЖЕННЫМ РАСШИРЕНИЕМ
Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) представляют собой упрощенные диаграммы круговых процессов преобразования теплоты в механическую работу, отражающие
основные особенности реальных циклов. В термодинамических циклах ДВС с традиционными схемами
а части теплоты при постоянном давлении Q1 . Процессы газообмена в реальном цикле в термодинамическом цикле заменены отводом теплоты Q2 при постоянном объеме. Процессы сжатия и расширения в
термодинамических циклах двигателей внутреннего
сгорания предполагаются адиабатическими. Подоб-
организации рабочих процессов (степень сжатия 
ная схематизация реальных процессов в надпоршне-
равна степени расширения ) в качестве рабочего
вой полости ДВС позволяет установить относитель-
тела принимается идеальный газ, процесс сгорания в
но простые аналитические зависимости термическо-
реальных циклах заменен в термодинамических цик-
го коэффициента полезного действия (КПД) цикла от
лах подводом теплоты Q1 к рабочему телу при по-
параметров цикла:
стоянном объеме, постоянном давлении или при
подводе части теплоты при постоянном объеме Q1 ,
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
цикл с подводом теплоты Q1 к рабочему телу
при V = const:
25
Рабочие процессы в ДВС
t  1 
1

к 1
;
(1)
Однако повышение КПД двигателей при этой схеме
реализации цикла с продолженным расширением
цикл с подводом теплоты Q1 к рабочему телу
при р = const:
было незначительным вследствие увеличения потерь
теплоты в стенки, механических потерь на трение,
t  1 
 к 1
;
к  к 1   1
гидравлических потерь на перетекание продуктов
(2)
цикл со смешанным подводом теплоты (Q1 =
сгорания из рабочих цилиндров в расширительный
цилиндр.
В современных комбинированных двигателях
Q1 + Q1 ) к рабочему телу:
  к 1
 t  1  к 1
.
   1  к    1
внутреннего сгорания дополнительное расширение
(3)
продуктов сгорания топлива обычно осуществляют в
газовой турбине, мощность которой используют
Здесь к – показатель адиабаты (к = 1,4);  – сте-
только для привода нагнетателя (мощность турбины
пень повышения давления;  – степень предвари-
Nт равна мощности нагнетателя Nн) или через редук-
тельного расширения.
тор мощность турбины передают на коленчатый вал
В этих термодинамических циклах
   ,
двигателя, а привод нагнетателя осуществляют от
(4)
коленчатого вала. Используются и другие схемы пе-
где   – степень последующего расширения (в
редачи мощности газовой турбины на коленчатый
термодинамическом цикле с подводом теплоты к
рабочему телу при постоянном объеме  = 1 и  = ).
вал.
Давление газов перед турбиной рт в комбини-
При этом степень сжатия традиционно рас-
рованном двигателе с избыточной мощностью тур-
сматривается как основной параметр термодинами-
бины (Nт  Nн) выше давления воздуха за нагнетате-
ческого цикла, определяющий термический, а соот-
лем рs. Максимального значения избыточная мощ-
ветственно, и индикаторный КПД двигателя. В дей-
ность турбины достигается при отношении р т р s =
ствительности же термический КПД цикла зависит и
1,2 – 1,3 (в двигателе со свободным турбокомпрессо-
от степени сжатия и от степени расширения рабочего
ром р т р s = 0,8 – 0,9). Повышение эффективного
тела (соотношения степени сжатия и степени расширения).
Цикл с продолженным расширением (степень
расширения  значительно больше степени сжатия)
пытались реализовать практически для повышения
эффективности преобразования теплоты в механическую работу Н. Отто и Р. Дизель в трехцилиндровом
двигателе, у которого два крайних цилиндра работают по четырехтактному циклу, а средний – по двухтактному [1]. Средний цилиндр (с большим диаметром) используют для дальнейшего расширения рабочего тела, поступающего в него из основных цилиндров, т.е. в среднем цилиндре осуществляются только такты расширения и выпуска отработавших газов.
26
КПД установки составляет только 5 – 6 %, так как
при увеличении отношения р т р s свыше 1,3 увеличение потери мощности на осуществление процессов
газообмена начинает превышать прирост избыточной мощности турбины [2]. При реализации цикла с
продолженным расширением в одном цилиндре существенное повышение эффективного КПД двигателя может быть достигнуто без использования дополнительно устройства расширения рабочего тела, в
частности в двигателях с искровым зажиганием [3].
Цикл с продолженным расширением рабочего
тела возможно осуществить с каждым из рассмотренных выше способов подвода теплоты Q1 к рабоДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
Рабочие процессы в ДВС
чему телу. Отвод теплоты от рабочего тела Q2 в
но несложно реализовать в двухтактных двигателях с
циклах с продолженным расширением может быть
клапанным газораспределением, непосредственным
осуществлен при постоянной температуре рабочего
впрыском топлива, глубоким расслоением топливо-
тела, постоянном давлении или при смешанном от-
воздушной смеси, искровым зажиганием топливо-
воде теплоты от рабочего тела, т.е. часть теплоты
воздушной смеси и регулируемыми фазами газорас-
( Q2 ) отводится от рабочего тела при постоянном
пределения (моментами открытия и закрытия клапа-
объеме, а часть ( Q2 ) – при постоянном давлении.
нов).
Таким образом, возможны 9 различных вариантов
термодинамических циклов с продолженным расши-
Как и в случае традиционного термодинамического цикла ДВС с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при постоянном объеме в рассматриваемых
рением.
Рассмотрим, для примера, 3 возможных варианта термодинамических циклов с продолженным
расширением и подводом теплоты Q1 к рабочему
термодинамических циклах с продолженным расширением подвод теплоты Q1 к рабочему телу также
осуществляется при постоянном объеме, т.е.
телу при постоянном объеме (рис.1): с отводом теп-
Q 1  MC v T3  T2   MC v T1  дк 1   1 , (5)
лоты Q2 от рабочего тела при постоянной температу-
где М – масса рабочего тела; Сv – удельная мас-
ре (рис.1а), при постоянном давлении (рис.1б) и со
совая теплоемкость рабочего тела при постоянном
смешанным отводом теплоты Q2 от рабочего тела
объеме;  д  V1 V2 .
(рис.1с). Эти термодинамические циклы относитель-
Рис. 1. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты
к рабочему телу при V = const и продолженным расширением
Отвод теплоты Q2 от рабочего тела в рассматриваемых циклах зависит от термодинамического
процесса, осуществляемого на участке отвода тепло-
при постоянной температуре (Т4 = Т1;     д к 1
– рис.1а), отведенная от рабочего тела теплота Q2
равна работе сжатия на участке 4–1:
ты от рабочего тела (4–1 на рис.1а и рис.1b; 4–1 и 5–
1 на рис.1с). При отводе теплоты от рабочего тела
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
Q2  L4 1  MR T1 ln
V4

 MR T1 ln
, (6)
V1
д
27
Рабочие процессы в ДВС
где R – газовая постоянная для 1 кг газа.
разования зависимости (7) некорректны, поскольку
Соответственно термический КПД термодина-
при д =  равенство температуры в конце расшире-
мического цикла при отводе теплоты Q2 от рабочего
ния (Т4) и в начале сжатия (Т1) в термодинамическом
тела при постоянной температуре, если принять, что
цикле возможно только при  = 1 (Q1 = 0).
C v  R к  1 ,
Термический КПД цикла с подводом теплоты
к  1ln
t  1 
Q1 к рабочему телу при постоянном объеме (V3 = V2)

д
Q2
 1  к 1
;
Q1
 д   1
(7)
ном объеме (V4 = V1) зависит только от степени рас-
В случае отвода теплоты от рабочего тела при
постоянном давлении (р4 = р1;     д  к – рис.1b)
ширения рабочего тела  (кривая 0 на рис.2). Если
принять  = 1 и отвод теплоты от рабочего тела Q2
осуществлять при постоянной температуре (кривая
Q2  MC p T4  T1  
    к 1  ;
 MC p T1   д   1
   

(8)
1) или при постоянном давлении (кривая 2) термический КПД цикла будет зависеть и от степени расширения рабочего тела  и от степени повышения дав-
    к 1 
к     
  д  
Q
,
 t  1  2  1   к 1
Q1
   1
ления  на участке подвода теплоты к рабочему телу
(кривые 1 и 2 на рис.2). С увеличением степени сжа(9)
где Ср – удельная массовая теплоемкость рабо-
тия до 8 значения термического КПД циклов с продолженным расширением рабочего тела как с отводом теплоты от рабочего тела при Т = const (кривая
чего тела при постоянном давлении.
При отводе части теплоты Q2 от рабочего тела
при постоянном объеме и части теплоты Q2 при
постоянном давлении (рис.1с)
1), р = const (кривая 2), так и с отводом части теплоты Q2 при постоянном объеме, а части теплоты
Q2 при постоянном давлении (кривая 2), приближаются к значениям термического КПД традицион-
Q2  Q2  Q2  MC v T4  T5  
ного цикла ДВС ( = , V3 = V2, V4 = V1). При этом
 MC p T5  T1  

и отводе теплоты Q2 от рабочего тела при постоян-
(10)

 MC vT1   д  к 1    д 
повышение термического КПД цикла с продолженным расширением и  = 8 с увеличением степени
 MC p T1   д  1 ;
расширения  с 8 до 24 возрастает примерно на 18 %.
t  1 
Q2
Q1
      к  

к
д
Чем ниже будет степень сжатия, тем больше будет
 1
к 1 
 к 1   1
д
 д  1
(11)
.
повышение термического КПД с увеличением степени расширения в цикле с продолженным расширением.
Последняя зависимость термического КПД
Термический КПД цикла со смешанным подво-
цикла (11) от параметров цикла при равенстве степе-
дом теплоты к рабочему телу и продолженным рас-
ни сжатия и степени расширения (д = ) преобразу-
ширением (рис.3) зависит и от степени повышения
ется в зависимость (1). К этому же виду может быть
давления  и от степени предварительного расшире-
приведено и уравнение (9), если принять к = 1 (отвод
теплоты Q2 от рабочего тела осуществляется при
постоянном объеме). Подобные условия для преоб-
28
ния . Повышение термического КПД этого цикла (д
= 16) с увеличением степени расширения  (кривая 3
на рис.2) будет примерно таким же, как в цикле с
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
Рабочие процессы в ДВС
подводом теплоты к рабочему телу при постоянном
объеме и отводом теплоты от рабочего тела при постоянном объеме (кривая 0 на рис.2).
t
Q1
t
0,7
0
3
2
1
2
0,6
2
0,5
t
0,4
t
2
2
1
2



Q1
р
3 Q
2

4
1
1
р1
Vc
0,3
3
0,2
2

L
1
1
0,1
Vh
4
V
Рис. 3. Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты к рабочему телу и
продолженным расширением
0
4
8
12
16
20
24

Рис.2. Влияние степени расширения
на термический КПД цикла ДВС
с продолженным расширением:
0 –  = , V4 = V1   t  1  1  к 1 ;
1 – д = 1, Т4 = Т1,     д к 1 ;
1 – д = 1, Т4 = Т1,     д к 1 ;
2 – д = 1, р4 = р1,     д к ;
2 – д = 8, р4 = р1,     д к ;
2 – д = 8,  = 3; р4 > р1;
3 – д = 16,  = 6,  = 1,3
Заключение
Продолженное расширение рабочего тела предпочтительней, с точки зрения практического использования, в термодинамических циклах с подводом
теплоты к рабочему телу при постоянном объеме и
пониженных степенях сжатия (7 – 10). Использование термодинамического цикла с продолженным
расширением только в надпоршневой полости и подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме позволит увеличить термический КПД цикла, а
соответственно и индикаторный КПД двигателя с
Термический КПД цикла с подводом теплоты к
искровым зажиганием, на 10 – 20 %.
рабочему телу при постоянном объеме и с продолженным расширением (д = 8) при значениях степени
повышения давления  = 3, примерно соответствующих значениям  в двигателях с искровым зажиганием при коэффициенте избытка воздуха  = 0,9 –
1, приближается к значениям термического КПД
цикла со смешанным подводом теплоты к рабочему
телу при д = 16 без продолженного расширения
Список литературы:
1. Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания .
Том 2 // М.: МАКИЗ, 1928. – 864 с. 2. Дьяченко В.Г.
Влияние числа оборотов на основные показатели
комбинированного двигателя. – Автореф. канд. дисс.
ХПИ, 1963. – 20 с. 3. Дьяченко В.Г. Дизель или двигатель с искровым зажиганием // Двигатели внутреннего сгорания. – 2004. – № 1. – с. 27 – 29.
(кривая 2 на рис.2).
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
29