Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообраз­но производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь цикл. Такую диаграмму, снятую с помощью специального прибора индикатора, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры ин­дикаторной диаграммы изображает в определенном масштабе индика­торную работу газа за один цикл.

На рисунке изображена индикаторная диаграмма двигателя, ра­ботающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме. В ка­честве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо – бензин, спирты и др.

При ходе поршня из левого мертвого положения в крайнее правое через впускной клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только массовое количество и объем смеси в ци­линдре.

При обратном движении порш­ня впускной клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Про­цесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого по­ложения, происходит воспламенение го­рючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит поч­ти мгновенно, т. е. практически при по­стоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топ­лива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень переме­щается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается вы­пускной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из ци­линдра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот про­цесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выпуска.

Рассмотренный рабочий процесс совершается за четыре хода пор­шня (такта) или за два оборота вала. Такие двигатели называются четырехтактными.

Из описания работы процесса реального двигателя внутреннего сгорания с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все признаки необрати­мых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т. д.

Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен, а поэтому термодинамика, исследует не реальные процессы двигателей внутреннего сгорания, а идеальные, обратимые циклы. При этом делаются следующие допущения:

- в ка­честве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоем­костью,

- цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела,

- разность температур между источником теплоты и рабочим телом бес­конечно малая,

- подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива.

Таким образом, изучение идеальных термодинамических циклов по­зволяет производить при принятых допущениях анализ и сравнение работы различных двигателей и выявлять факторы, влияющие на их экономичность. Диаграмма, построенная при указанных условиях, является не индикаторной диаграммой двигателя внутреннего сгора­ния, a pu-диаграммой цикла ДВС.

2.1. Цикл с подводом теплоты в процессе u = const

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом теплоты, состоящий из двух изохор и двух адиабат. На рис. 7.6 представлен цикл в pu- и Ts- диаграммах, кото­рый осуществляется следующим образом. Идеальный газ с начальными параметрами p₁, u₁ и Т₁ сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты q₁. От точки 3 рабочее тело расширяется по адиа­бате 3-4. И, наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в пер­воначальное состояние, при этом отводится теплота q₂ в теплоприемник.

Рис. 7.6 Индикаторная диаграмма цикла ДВС при u-const.

Характеристиками цикла являются:

- степень сжатия ,

- степень повышения давления .

Определяем термический КПД этого цикла, полагая, что тепло­емкость c_u и величина k постоянны.

Термический КПД цикла равен:

Количество подведенной теплоты

,

а количество отведенной теплоты

.

Тогда термический КПД цикла равен

Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла рав­ны:

в точке 2:

; ;

Þ

в точке 3:

; ;

Þ ;

в точке 4

; ;

Þ .

Подставляя найденные значения температур в уравнение термического КПД цикла, получаем

.

Таким образом, термический КПД цикла с подводом теплоты при постоянном объеме равен:

.

Из полученного уравнения следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия e и показателя адиабаты k или от природы рабочего тела. КПД увеличивается с возрастанием e и k. От степени повышения давления l термиче­ский КПД не зависит.

Однако увеличение степени сжатия ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси, нарушающее нормальную работу двигателя. Кроме того, при высоких степенях сжа­тия скорость сгорания смеси резко возрастает, что может вызвать дето­нацию (взрывное горение), которая резко снижает экономичность дви­гателя и может привести к поломке его деталей. Поэтому для каждого топлива должна применяться определенная оптимальная степень сжа­тия. В зависимости от рода топлива степень сжатия в дви­гателях изменяется от 6 до 11.

Таким образом, исследования показывают, что в двигателях вну­треннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме нельзя применять высокие степени сжатия. В связи с этим рассматриваемые двигатели имеют относительно низкие КПД.

Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела зависит от взаим­ного расположения процессов расширения и сжатия рабочего тела. Увеличение средней разности давлений между линиями расширения и сжатия позволяет уменьшить размеры цилиндра двигателя. Если обозначить среднее давление через p_i то теоретическая полезная рабо­та 1 кг рабочего тела составит

.

Величина р_i называется средним индикаторным давлением (или сред­ним цикловым давлением), т. е. это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла.

Для цикла с подводом теплоты при u = const среднее индикаторное давление определится по формуле:

.

Из этой формулы следует, что p_i возрастает с увеличением e, l и p₁.

С другой стороны, теоретическая полезная работа, которую произ­водит 1 кг рабочего тела за один цикл, равна разности работ расшире­ния и сжатия:

.

2.3. Цикл с подводом теплоты в процессе р = const

Изучение циклов с подводом теплоты при постоянном объеме показало, что для повышения экономичности двигателя, работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Но это увеличение ограничивается температурой самовоспламенения горю­чей смеси. Если же производить раздельное сжатие воздуха и топлива, то это ограничение отпадает. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое топливо в цилиндр само­воспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. И, наконец, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использо­вать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо — нефть, мазут, смо­лы, каменноугольные масла и пр.

Такими высокими достоинствами обладают двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. В них воз­дух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до e = 20) и исключает преж­девременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующей регули­ровкой топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, впервые разработавшего конс­трукцию подобного двигателя.

Рис. 7.7 Индикаторная диаграмма цикла ДВС при р-const.

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т. е. цикл с подводом теплоты при постоянном давлении. На рис. 7.7 изображен этот цикл в pu- и Ts-диаграммах.

Осуществляется он следующим образом. Газооб­разное рабочее тело с начальными параметрами p₁, u₁ и Т₁ сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количе­ство теплоты q₁. От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И, наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначаль­ное состояние, при этом в теплоприемник отводится теплота q₂.

Характеристиками цикла являются:

степень сжатия ,

степень предварительного расширения r = u₃/u₂.

Определим термический КПД цикла, полагая, что теплоемкости c_u и с_р и их отношение k = с_р/с_u постоянны.

Термический КПД цикла равен:

Количество подведенной теплоты будет равно:

,

а количество отведенной теплоты

.

Тогда термический КПД цикла равен

.

Параметры рабочего тела по всех характерных точках цикла равны:

в точке 2

; ;

Þ

в точке 3

; ;

Þ ;

в точке 4

; ;

, но .

.

Подставляя полученные значения температур в уравнение для тер­мического КПД цикла, получаем

Из полученного уравнения следует, что термический КПД цикла зави­сит от степени сжатия e, величины показателя k и степени предвари­тельного расширения r. С увеличением e и k КПД увеличивается, а с увеличением r — уменьшается.

Среднее индикаторное давление в цикле с подводом теплоты при р = const определяется из формулы:

Среднее индикаторное давление увеличивается с возрастанием e и r. Теоретическая полезная работа l', которую производит 1 кг рабо­чего тела за один цикл, равна разности работ расширения и сжатия:

.