Циклы поршневых двигателей

Поршневые двигатели в настоящее время широко используются на лёгких самолётах. Рабочими элементами поршневого двигателя (рис. 6.12) являются цилиндр и поршень, соединённый через шатун и коленчатый вал с потребителем мощности (винтом). При перемещении поршня изменяется объём цилиндра от максимального V до минимального V , и наоборот. Положение поршня, соответствующее V , называют нижней мёртвой точкой (НМТ), а соответствующее V - верхней мёртвой точкой (ВМТ). Одно перемещение поршня между этими крайними точками называется ходом (тактом). В цилиндре имеются клапаны для впуска (всасывания) рабочего тела (воздуха или топливо-воздушной смеси) в начале цикла и выпуска (выхлопа) продуктов сгорания в его конце.

Наибольшее распространение получили два типа поршневых двигателей: с принудительным зажиганием топливо-воздушной смеси (цикл Отто) и с самовоспламенением от сжатия (цикл Дизеля). Рассмотрим идеальные циклы этих поршневых двигателей.

Цикл Отто

Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 6.13).

Цикл применяется в поршневых двигателях с принудительным зажиганием (например, бензиновых) и протекает следующим образом. От исходного со-

Рис. 6.12. Схема поршневого Двигателя

стояния 1 при движении поршня вверх (рис. 6.12) в адиабатном процессе 1-2 сжимается заранее подготовленная топливо-воздушная смесь. Её зажигание в точке 2 (например, с помощью электрической свечи) приводит к практически мгновенному сгоранию с выделением теплоты . За это время поршень практически не перемещается. Поэтому в идеальном цикле процесс 2-3, в котором к рабочему телу подводится теплота q , считается изохорным. Далее происходит адиабатное расширение рабочего тела (продуктов сгорания) в процессе 3-4, поршень движется вниз. Этот процесс в теории поршневых двигателей называется рабочим ходом. В точке 4 открывается выпускной клапан и происходит истечение (выброс)

горячих продуктов сгорания в атмосферу. Этот процесс в цикле Отто изображается изохорным процессом 4-1, замыкающем цикл. В процессе 4-1 происходит отвод теплоты q от рабочего тела в окружающую среду и возвращение его в исходное состояние 1.

В четырёхтактном поршневом двигателе дополнительно осуществляются два вспомогательных такта, показанных на рис. 6.13 штриховой линией:

1-а - опорожнение цилиндра от остатков продуктов сгорания (выхлоп);

а-1 - заполнение цилиндра свежей топливовоздушной смесью (всасывание).

Эти процессы в двухтактных поршневых двигателях отсутствуют, а при анализе идеального цикла не рассматриваются.

Для исследования цикла Отто необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры p , Т в исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабат

ном процессе v /v и степень повышения давления p /p в изохорном процессе подвода теплоты

Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла, используя соотношения параметров в соответствующих процессах.

В адиабатном процессе 1-2 , откуда ,

Рис. 6.13. Цикл Отто	Рис. 6.14. Зависимость КПД цикла Отто от степени сжатия

в изохорном процессе 2-3 , откуда ,

в адиабатном процессе 3-4 , тогда .

Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изохорного процесса 2-3 , для изохорного процесса 4-1

Следовательно, работа цикла Отто равна

, а термический КПД = 1- = 1- .

Термический КПД цикла Отто (при данном значении k) зависит только от степени сжатия e (рис. 6.14). Как видно, с увеличением e термический КПД цикла существенно увеличивается.

В реальных двигателях, работающих по циклу Отто, увеличение ограничено возможностью появления взрывного сгорания топливовоздушной смеси (детонации) при высоких значениях e. Детонация в условиях эксплуатации поршневых авиационных двигателей недопустима, так как может привести к выходу двигателя из строя. При ухудшении качества применяемого топлива (бензина) значения e, при которых возможна детонация, уменьшаются. У современных поршневых двигателей с циклом Отто, использующих высококачественное топливо, значение e достигает 8…10.

Цикл Дизеля

Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.15).

Цикл состоит из адиабатного процесса сжатия 1-2, изобарного процесса 2-3, в котором к рабочему телу подводится теплота q , адиабатного процесса расширения 3-4 и условно замыкающего цикл изохорного процесса 4-1, где от рабочего тела отводится теплота q .

Рис. 6.15. Цикл Дизеля

Цикл Дизеля применяется в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива от сжатия. В идеальном цикле Дизеля (как и в цикле Отто) не рассматриваются вспомогательные процессы всасывания и выхлопа.

Для исследования цикла Дизеля необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры в исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабатном процессе и степень расширения в изобарном процессе подвода теплоты q .

Найдём температуру рабочего тела в характерных точках цикла 2, 3 и 4.

В адиабатном процессе 1-2 , откуда .

В изобарном процессе 2-3 , тогда .

В адиабатном процессе 3-4 , откуда

В изобарном процессе 2-3 к рабочему телу подводится теплота

В изохорном процессе 4-1 от рабочего тела отводится теплота

Тогда работа цикла Дизеля и его термический КПД равны:

, .

Видно, что термический КПД цикла Дизеля зависит от степени сжатия e и степени расширения в процессе подвода теплоты. При постоянном значении увеличение e ведёт к росту . Возрастание приводит к увеличению работы цикла, но уменьшает значение термического КПД цикла.

Цикл Дизеля нашел широкое применение в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива. В таких двигателях в процессе 1-2 сжимается не топливовоздушная смесь, а чистый воздух, причём с большим значением степени сжатия (e= 16…25). В результате температура воздуха в конце сжатия поднимается до 550…750 ˚С. В процессе расширения 2-3 в цилиндр впрыскивается топливо, которое при такой температуре самовоспламеняется и сгорает. Впрыск топлива дозируется так, чтобы, несмотря на увеличение объёма, давление в цилиндре оставалось практически постоянным.

Из сравнения формул термических КПД циклов Отто и Дизеля следует, что при одинаковых степенях сжатия e цикл Отто будет иметь более высокий КПД, чем цикл Дизеля. Действительно, при любых значениях k и будет выполняться соотношение , вследствие чего > .

Литература

1. Кобельков В.Н., Улас В.Д. Федоров Р.М. Термодинамика и теплопередача. Под ред. Р.М.Федорова. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2012 г. 328 с.

2. Мелик-Пашаев Н.И., Кобельков В.Н., Воротников Б.А., Березин Г.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1983 г. 267 с.

3. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1991, 480 с.

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1973. 396 с.

Содержание

Лекция 1. Термодинамическая система и ее состояние ……………………….. 3

1.1. Основные понятия и определения ………………………………………….. 3

1.2. Параметры состояния системы и уравнение состояния …………………… 3

1.3. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………… 4

1.3.1. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………. 5

1.3.2. Уравнения состояния реальных газов …………………………………….. 6