Термодинамічний аналіз циклів двигунів внутрішнього згоряння

Тепловими двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ) називають теплові двигуни, основними елементами конструкції яких є циліндр із поршнем.

Поршневі ДВЗ по характеру робочого циклу поділяються на двигуни швидкого згоряння з іскровим запалюванням паливно-повітряної суміші і двигуни поступового згоряння, що характеризуються самозапалюванням палива.

До двигунів швидкого згоряння відноситься більшість двигунів, що працюють на газоподібному паливі, а в основному - карбюраторні двигуни, що працюють на бензині і гасі.

До двигунів поступового згоряння відносяться дизелі, що працюють на соляровій олії (швидкохідні дизелі) чи на важких моторних паливах (тихохідні дизелі).

Крім того, поршневі ДВЗ класифікуються по наступним ознаках:

1. По способу здійснення робочого циклу: чотиритактні, двотактні (тактом двигуна називається частина циклу, що відбувається при переміщенні поршня з одного крайнього положення в інше).

2. По способу сумішоутворення і запалення робочої суміші: із зовнішнім сумішоутворенням і запаленням палива від іскри (карбюраторні, газові); із внутрішнім сумішоутворенням і запаленням палива від стиску (дизелі безкомпресорні і компресорні);

3. По роду палива: ті, що працюють на газоподібному паливі та ті, що працюють на рідкому паливі;

4. По призначенню: стаціонарні, пересувні, автотракторні, суднові, для залізничного транспорту;

5. По конструктивному виконанню: з вертикальним і горизонтальним розташуванням циліндрів; з розташуванням циліндрів під кутом (V-образні, W-образні, зіркоподібні, з аппозитивним розташуванням циліндрів).

Круговий процес Карно ДВЗ

З огляду на те, що тиск робочого тіла усередині двигуна сягає 3-10 МПа, а температури робочого тіла перевищують критичну, робоче тіло можна розглядати як ідеальний газ.

Власне кажучи ДВЗ не працюють по кругових процесах, тому що газоподібні продукти горіння, розширившись і віддавши роботу на коліновал, видаляються з двигуна, а на їхнє місце надходить свіжа порція пальної суміші, у результаті наступного процесу згоряння докорінно змінює свою сполуку. Зміна хімічної сполуки робочого тіла відбувається тільки в одному напрямку, а саме, пальна суміш переходить у продукти згоряння; повернення ж продуктів згоряння в первісний стан пальної суміші практично не здійсненне. Тому можна умовно говорити про круговий процес ДВЗ, якщо не брати до уваги хімічних змін (газові сталі пальної суміші і продуктів горіння незначно відрізняються одна від одної).

З теоретичної точки зору в ДВЗ, як і в усякому тепловому двигуні, бажано здійснення циклу Карно, у дійсності ж він виявляється непрактичним з наступних причин. Унаслідок незначної різниці в нахилі ізотерм і адіабат для газів при великій різниці температур Т₁ ( ) і Т₂ ( ), здійснюваної в ДВЗ, діаграма циклу в p,v-діаграмі виходить сильно розтягнутої й у вертикальному, й у горизонтальному напрямках, тобто цикл зв'язаний з великими тисками й обсягами, у чому можна переконатися із (мал. 21.1).

Робота циклу Карно 1-2-3-4 дорівнює:

, (21.1)

де - ступінь ізотермічного розширення, для адіабати 2-3

і , (21.2)

то , (21.3) ; , (21.4)

З останнього рівняння випливає, що робота позитивна тільки в тому випадку, якщо вираз, який логарифмується в квадратних дужках, більше одиниці, тобто якщо

, (21.5)

Для практичних, використовуваних у сучасних двигунах значень і і МПа при одержуємо МПа з 21.5, що для реального двигуна нереально, тому що

максимальне значення в ДВЗ не перевищує 10

Мал. 21.1 МПа.З іншого боку, ми маємо і

; і отже, при МПа; .

Т. ч. в умовах нашого приклада робоче тіло розширюється в двигуні в 400 разів; у дійсних же двигунах загальний ступінь розширення звичайно не перевищує 16-20. Ступені розширення порядку 400 зв'язані з дуже громіздкими циліндрами, що не відповідають потужності двигуна, і підвищують його вартість.

Тому для зниження максимальних тисків і одержання меншого ступеня розширення, підведення теплоти від нагрівача до робочого тіла і віддача теплоти холодильнику відбуваються не в ізотермічних процесах, як у циклі Карно, а в процесах ізохорному, ізобарному і змішаному: з ізохорного й ізобарного.

Відповідно до цього, цикли поршневих ДВЗ по характеру підведення теплоти до робочого тіла можна розділити на наступні три групи:

1. Цикли з підведенням теплоти по ізохорі. Цикл Отто (Німеччина, 1876 г).

2. Цикл із підведенням теплоти поізобарі. Цикл Дизеля (Німеччина, 1895 г).

3. Цикл зі змішаним підведенням теплоти. Цикл Трінклера (Росія, 1904 г).

Віддача теплоти холодному джерелу у всіх цих циклах здійснюється тільки в ізохорному процесі.