Идеальные, теоретические и действительные циклы

Преобразование теплоты в механическую работу в двигателе внутреннего сгорания осуществляется с помощью газа – носителя энергии (теплоты), который называется рабочим телом. Состояние рабочего тела характеризуется определенными параметрами: удельным объемом, давлением и температурой. Эти основные параметры рабочего тела и его состояние в результате преобразования энергии изменяются. Переход газа из одного состояния в другое с изменением его параметров называется термодинамическим процессом.

Общий принцип всех тепловых двигателей заключается в том, что при расширении рабочего тела теплота, приобретенная им от какого-либо источника, преобразуется в механическую энергию. Температура является показателем теплового состояния тела и характеризует среднюю кинетическую энергию беспорядочного движения его молекул. По Международной системе единиц температура измеряется в градусах Кельвина.

В шкале Кельвина за начало отсчета принимают абсолютный нуль, находящийся на 273 ^○С ниже температуры таяния льда (0 ^○С). Температура, измеряемая по абсолютной шкале, обозначается К

К=273+t ^○C.

Между объемом газа (V), его давлением (Р) и температурой (Т) имеется вполне определенная зависимость, называемая характеристическим уравнением состояния. Эта зависимость устанавливается выражением

, PV=RT для 1кг газа,

PV = GRT для 1кг газа.

Газовая постоянная R может быть определена для каждого газа по известным параметрам, например для воздуха

кгм/кг∙ К.

Изменение состояния рабочего тела (газа) называется термодинамическим процессом. Одинаковые, повторяющиеся процессы превращения тепловой энергии в механическую энергию называются циклами.

За основу расчета рабочих циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания принимаются термодинамические циклы преобразования теплоты в механическую работу, называемые идеальными или теоретическими циклами. Предполагается, что идеальные циклы совершаются со следующими допущениями:

- процессы совершаются идеальными газами, количество которых предполагается неизменным;

- теплоемкость газов не зависит от температуры;

- процессы сжатия и расширения совершаются без теплообмена, т.е. адиабатно;

- цикл является замкнутым с мгновенным подводом и отводом тепла;

- цикл совершается без потерь тепла и без потерь на впуске и выпуске.

В идеальных циклах двигателей внутреннего сгорания отдача тепла холодному источнику протекает всегда при постоянном объеме (изохорно), а тепло рабочее тело может получить при постоянном объеме (изохорно, V=const), постоянном давлении (изобарно, P=const) или смешанно.

На рис. 2 представлены циклы: со смешанным подводом теплоты (acyzb-цикл Тринклера - Сабатэ), изохорным подводом теплоты (acz¹b¹a-цикл Бо-де-Роше – Отто) и изобарным подводом теплоты (acz¹¹b¹¹ a, l=1, P_c=P_z – цикл Дизеля) и их сопоставление при ε=const и Q=idem.

сообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме – участок

Цикл со смешанным подводом теплоты (рис.3) характеризуется тем, что сообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме – участок с – у (Q¹₁), а затем при постоянном давлении – участок y-z (Q₁¹¹), отдача тепла - на участке в – а (Q₂).

Рис.3. Цикл со смешанным подводом теплоты

Выразим количество подведенной и отведенной теплоты для 1 моля газа через теплоемкости и температуры в характерных точках цикла:

Q¹₁= c_v (T_y-T_c); Q¹¹₁= c_p (T_z-T_y); Q₂=c_v(T_b-T_a).

Тогда термический КПД смешанного цикла будет:

.

Выразив температуры T_c , T_y , T_z , Т_в через Т_а , после преобразований получим

. (1)

где степень сжатия,

степень повышения давления,

показатель адиабаты,

C_v - удельная теплоемкость при V=const,

C_p — удельная теплоемкость при P=const.

Термическим коэффициентом полезного действия называется отношение количества тепла, преобразованного в работу в цилиндре идеального двигателя, к общему количеству затраченного тепла, т.е. термический КПД показывает степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу.

,

где η_t- термический КПД, Q₁- подведенное тепло, Q₂- отведенное тепло.

Для смешанного цикла (рис. 3) общее количество подводимого тепла равно

Q₁=Q¹₁+Q¹¹₁,

где Q¹₁- количество тепла, подводимое при V=const (на линии c-y);

Q¹¹₁- количество тепла, подводимое при P=const (на линии y-z).

Следовательно,

. (2)

Выражая величины Q¹₁ , Q¹¹₁ , Q₂ через температуры и постоянные теплоемкости

Q¹₁ = c_v (T_y-T_c) ,

Q¹¹₁ = c_p (T_z-T_y) ,

Q₂ = c_v (T_в-T_a) ,

где T_y – температура газа в конце подвода Q¹₁ ;

T_c – температура газа в конце сжатия;

T_z - температура газа в конце подвода Q₁¹¹ ;

Т_в - температура газа в конце расширения;

Т_а – температура газа в начале сжатия.

По смешанному циклу рассчитываются двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива.

В цикле с подводом тепла только при постоянном давлении – цикл Дизеля выражение термического КПД можно получить непосредственно из выражения термического КПД смешанного цикла, как частный случай. Это связано с тем, что цикл Дизеля отличается от смешанного цикла тем, что в нем сообщение теплоты Q₁ происходит только по закону P=const. При отсутствии сообщения теплоты на линии V=const отсутствует и повышение давления в этот период цикла (P_z = P_c), так что степень повышения давления принимает частное значение λ=1. Подстановка этого значения λ в выражение (1) дает для цикла Дизеля

. (3)

По этому циклу рассчитываются дизели с компрессорным распыливанием у которых процесс сгорания близок процессу при P = const.

В цикле с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто) сообщение теплоты Q₁ ограничивается участком постоянного объема. Выражение термического КПД может быть также получено из уравнения (1), ибо в этом цикле V_z = V_c и степень предварительного расширения принимает частное значение ρ = 1.

Подставив величину ρ =1 в выражение (1) смешанного цикла приводим выражение термического КПД к виду

.

По этому циклу рассчитываются все двигатели с внешним смесеобразованием.

Под рабочим циклом ДВС понимается совокупность периодически повторяющихся процессов, происходящих в двигателе в определенной последовательности и обеспечивающих непрерывность его работы.

Рассмотрим схему работы четырехтактного дизеля с наддувом (рис.4).

1-й такт – впуск. Осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане. Для улучшения наполнения цилиндра открытие впускного клапана начинается на подходе поршня к ВМТ (точка 1), а закрытие – после НМТ (точка 2).

Рис. 4. Диаграммы рабочих процессов четырехтактного двигателя

Величина достигаемого давления Р_а зависит от гидравлического совершенства тракта, фаз газораспределения и динамических явлений во впускной и выпускной системах.

2-й такт – сжатие. Происходит при движении поршня от НМТ (точка А) до ВМТ (точка С). Практически процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана (точка К) за 10…30^○ п.к.в. до ВМТ в среду сжатого в цилиндре воздуха начинается впрыск топлива (точка 2) и спустя 5…10^○ п.к.в. это топливо воспламеняется в точке 3. Фактически давление в цилиндре в ВМТ (точка С) оказывается выше расчетного давления в конце сжатия (точка С).

3-й такт – горение-расширение. Происходит при движении поршня от ВМТ (точка С) к НМТ (точка В). Начавшаяся топливоподача продолжается 30…35^○ п.к.в. и заканчивается в точке 4 за ВМТ. Горение начинается в точке 3. Через 10…15^○ п.к.в. после ВМТ достигается максимальная температура Тz. Фактически окончание горения затягивается до точки 5; расширение продолжается до точки 6 – момента открытия выпускного клапана.

4-й такт – выпуск. Происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытии выпускного клапана. Процесс выпуска начинается с момента открытия выпускного клапана в точке 6. Благодаря перепаду давлений происходит быстрое истечение газов в выпускной коллектор. Закрытие выпускного клапана происходит в точке 8 за ВМТ.

Фаза перекрытия клапанов используется для продувки цилиндра. Цель продувки – очистка камеры сгорания (КС) от остаточных продуктов сгорания, а также охлаждение воздухом клапанов и днища поршня.

Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и впуск заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около НМТ.

Рассмотрим работу двухтактного двигателя (Рис.5).

1-й такт – сжатие. При восходящем движении поршня заканчиваются процессы выпуска, продувки и наполнения цилиндра воздухом. С момента закрытия выпускного клапана и продувочных окон поршнем в цилиндре происходит сжатие, и за 15…20^○ п.к.в. до ВМТ впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.

2-й такт – горение, расширение и продувка. При нисходящем движении поршня заканчиваются топливоподача и горение топлива, после чего процесс расширения продолжается до момента открытия выпускного клапана. После открытия продувочных окон верхней кромкой поршня начинаются продувка и наполнение цилиндра. Рабочий цикл повторяется.

При одинаковых значениях D, S, i, n, Pe в двухтактном двигателе теоретически можно получить вдвое большую мощность, чем в четырехтактном. В действительности, мощность возрастает в 1,7…1,85 раза, так как часть хода поршня из-за наличия окон теряется. Худшая очистка цилиндра, потери воздушного заряда и др. снижают мощность двухтактных дизелей. У двухтактных двигателей большая равномерность крутящего момента, ввиду того, что рабочий ход приходится на каждый оборот коленчатого вала.

Рис. 5. Диаграмма рабочего процесса двухтактного двигателя

Процессы впуска, выпуска, горения-расширения в четырехтактных дизелях протекают более эффективно, так как на них отводится больший угол п.к.в., чем в двухтактных, тогда как процесс топливоподачи у двухтактных дизелей заметно короче, чем у четырехтактных.