Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

ЦИКЛЫ  ПОРШНЕВЫХ  ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

1.  Краткие  исторические  сведения    

Вся история  развития двигателей внутреннего сгорания подвержена основной движущей силе - увеличение КПД ДВС.   

 Первым, кто  указал на возможность создания  двигателей внутреннего сгорания, является Сади Карно. Идеи, высказанные  им в работе «Размышления о  движущей силе огня», в дальнейшем  были полностью реализованы.     

 В 1860 г.  Француз Ленуар построил двигатель  внутреннего сгорания (ДВС), работавший  на газе. Однако он не получил  широкого распространения ввиду  того, что имел низкий кпд (не  выше, чем кпд паровых машин).   

 В 1862 г.  французский инженер Бо-де-Роша  предложил (запатентовал) двигатель,  принципы создания которого совпадали  с идеями Карно. Эти принципы  были осуществлены немецким инженером  Отто в созданном им в 1877 г. бензиновом двигателе.     

 В 1897 г.  немецким инженером Дизелем был  разработан двигатель высокого  сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось  воздухом высокого давления, полученного  от компрессора.     

 В 1904 г.  русский инженер Г.В.Тринклер  построил бескомпрессорный двигатель  со смешанным сгоранием топлива  - сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в  настоящее время широкое распространение.    
 

2.  Классификация  ДВС     

 Все современные  двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы:

1.    Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто).

2.    Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля).

3.    Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const  (цикл Тринклера).     

 При исследовании  идеальных термодинамических циклов  поршневых двигателей внутреннего  сгорания к числу определяемых  величин относятся: количество  подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла.  

3.  Циклы  ДВС  с  подводом  теплоты при постоянном объеме       

 Исследование  работы реального поршневого  двигателя целесообразно производить  по так называемой индикаторной  диаграмме (снятой с помощью  специального прибора - индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя,  работающего со сгоранием топлива  при постоянном объеме, представлена  на рис.1.



Рис.1

Рис.1 

При движении поршня от верхней мертвой точки к  нижней происходит всасывание горючей  смеси (линия 0-1). Эта линия не является термодинамическим процессом, так  как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Кривой 1-2 (линия сжатия) изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры  происходит мгновенное воспламенение  горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается кривой 2-3. В ходе этого процесса температура  и давление резко возрастают. Процесс  расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного  давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки  к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении несколько  большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа.      

 В данном  случае рабочий процесс совершается  за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это  время два оборота. В связи  с чем, рассмотренные двигатели  называются четырехтактными.     

 Из анализа  работы реального двигателя видно,  что рабочий процесс не является  замкнутым и в нем присутствуют  все признаки необратимых процессов:  трение, теплообмен при конечной  разности температур, конечные скорости  поршня и проч.     

 Так как  в термодинамике исследуются  лишь идеальные обратимые циклы,  то для исследования цикла  ДВС примем следующие допущения:  рабочее тело -идеальный газ с  постоянной теплоемкостью; количество  рабочего тела постоянно; между  рабочим телом и источниками  теплоты имеет место бесконечно  малая разность температур; подвод  теплоты к рабочему телу производится  не за счет сжигания топлива,  а от внешних источников теплоты.  То же самое справедливо и  для отвода теплоты.     

 Принятые  допущения приводят к изучению  идеальных термодинамических циклов  ДВС, что позволяет производить  сравнение различных двигателей  и определять факторы, влияющие  на их кпд. Диаграмма, построенная  с учетом указанных выше допущений,  будет уже не индикаторной  диаграммой двигателя, а  pv - диаграммой его цикла.     

 Рассмотрим  идеальный термодинамический цикл  ДВС с изохорным подводом теплоты.  Цикл в pv координатах представлен на рис. 2.     

 Идеальный  газ с начальными параметрами  p₁, v₁,T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q₁. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема v₄=v₁. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются:

- Степень сжатия;

-Степень повышения давления;

 Рис. 2

Количество подведенной  и отведенной теплоты определяются по формулам:

 

Подставляя эти  значения теплот в формулу для  термического кпд, получим:

 

Найдем параметры  рабочего тела во всех характерных  точках цикла.

Точка 2.

     

откуда получаем

  

Точка 3.

   

откуда получаем  

Точка 4.

   

откуда получаем  

 

С учетом найденных  значений температур формула для  кпд примет вид                                               

             

Формула 1.

И з последнего соотношения следует, что термический  кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия e и показателя адиабаты k.     

 Однако повышение  степени сжатия в двигателях  данного типа ограничивается  возможностью преждевременного  самовоспламенения горючей смеси.  В связи с чем, рассматриваемые  типы двигателей имеют относительно  низкие кпд. В зависимости от  рода топлива степень сжатия  в таких двигателях изменяется  от 4 до 9.

Работа цикла  определяется по формуле:

 

Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются  в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного  воспламенения от электрической  искры.

4.  Циклы  ДВС  с  подводом  теплоты

при   постоянном  давлении     

 Двигатели,  в основу работы которых положен  цикл с подводом теплоты при  постоянном давлении (с постепенным  сгоранием), имеют ряд преимуществ  по сравнению с двигателями,  работающими по циклу с подводом  теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в  двигателях с постепенным сгоранием  осуществляется раздельное сжатие  топлива и воздуха. Поэтому  здесь можно достигать значительно  более высоких степеней сжатия.     Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут, смолы и проч.     

 В двигателях  с постепенным сгоранием топлива  воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется  сжатым воздухом от компрессора.  Раздельное сжатие позволяет  применять высокие степени сжатия (до e =20 ), исключая преждевременное  самовоспламенение топлива. Постоянство  давления при горении топлива  обеспечивается соответствующей  регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя  впервые была разработана немецким  инженером Дизелем.           

 Рассмотрим  идеальный цикл двигателя с  подводом теплоты при постоянном  давлении в pv- диаграмме рис.3

 Рис.3

Этот цикл осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее  тело с начальными параметрами  p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты  q₁. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты q₂. Характеристиками  цикла являются :

Степень сжатия -

 Степень предварительного расширения -

Количество подведенной  и отведенной теплот определяются по формулам:

Термический кпд  цикла в предположении постоянства  теплоемкостей c_p  и  c_v  и их отношения  k=c_p /c_v будет:

Параметры рабочего тела в характерных точках цикла  будут:

Точка 2.

 

откуда получаем:

 

Точка 3.

откуда получаем:  

Точка 4.

Так как 

то

Подставляя полученные значения температур в формулу для  кпд, получим

Формула 2

Отсюда следует, что с увеличением e и k кпд увеличивается, а с увеличением r - уменьшается.

Работа цикла  определяется по формуле:

Сравнения кпд  циклов ДВС с подводом теплоты  при p = const и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных  e  показывают, что

При этом степень  сжатия e  в цикле с подводом теплоты при p = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при  v = const  .

Величина  e  в цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует e = 14 -18.

5.  Цикл  ДВС  со  смешанным  подводом  теплоты     

  Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя.     

 С целью  упрощения конструкции и увеличения  экономичности двигателя русский  инженер Г.В.Тринклер разработал  проект бескомпрессорного двигателя  высокого сжатия. Этот двигатель  лишен недостатков рассмотренных  выше двух типов двигателей. Основное  его отличие в том, что жидкое  топливо с помощью топливного  насоса подается через форсунку  в головку цилиндра, где оно  воспламеняется и горит вначале  при постоянном объеме, а потом  при постоянном давлении. На рис. 4 представлен идеальный цикл  двигателя со смешанным подводом  теплоты в pv - координатах.