 |
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
|
|
|
|
Анализ круговых процессов показывает, что термический КПД цикла - основная характеристика эффективности двигателя, зависит от средней температуры рабочего тела в процессе подвода теплоты. Поэтому в качестве рабочего тела в двигателе используются продукты сгорания, полученные при сжигании жидкого или газообразного топлива. Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых топливо сжигается в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень.
Несмотря на то, что цикл Карно имеет наивысший КПД, в реальных машинах он не реализуется. Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно растянутым в координатах р–v, связан с весьма большими значениями удельного объема и давления (рис. 46).
Рис. 1. 46. Цикл Карно в координатах p-v
Отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания 
= vc/va (эта величина в поршневых ДВС называется степенью сжатия), работающего по циклу Карно, достигает 400, а давление в
точке (а) – 
= 280 – 300 МПа. Двигатель с такими параметрами нереален, ибо давление в цилиндрах современных ДВС редко превышает 10 МПа, а степень сжатия 16 – 18. Кроме того, работа, совершаемая в цикле Карно, очень мала и двигатель практически будет работать только для самообслуживания (на себя).
Для снижения давления в точке (а) и степени сжатия цикл видоизменяют: отвод теплоты осуществляют не по изотерме с –d, а по изохоре c1 – d; подвод теплоты осуществляют не по изотерме a–b, а по изохоре
a1 – b или по изобаре a2 – b. В соответствии с этими изменениями, из цикла Карно, как эталонного, получают два термодинамических цикла ДВС: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) (рис. 43), состоящий из двух изохор и двух адиабат (a1-b-c1-d-a1) и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля), состоящий из изобары a2–b, изохоры с1–d и двух адиабат b–c1 и d–a2 (a2-b-c1-d- a2). Полученные циклы имеют КПД меньше, чем КПД цикла Карно. Однако, двигатели, которые работают по этим циклам, характеризуются меньшими потерями на трение и требуют более коротких цилиндров.
|
|
|
Работа поршневых ДВС обычно оценивается с помощью индикаторной диаграммы, которая показывает взаимосвязь давления и объема в цилиндре двигателя при движении поршня. При движении поршня от внутренней мертвой точки М1 к наружной мертвой точке М2 (рис. 44) клапан (I) открывается и в цилиндр двигателя засасывается заранее приготовленная в устройствах двигателя смесь воздуха и топлива (в карбюраторных двигателях) при давлении р1 (0–а) (рис. 1. 47).
| Рис. 1. 47. Теоретическая диаграмма цикла Отто |
При движении поршня в обратном направлении клапаны I и II закрыты и смесь сжимается по адиабате а – b до давления р2. Объем уменьшается до V0, равного объему камеры сгорания цилиндра. В точке M1 происходит воспламенение смеси от электрического разряда и, поскольку рабочая смесь уже заранее подготовлена и хорошо перемешана, она сгорает достаточно быстро и теоретически при постоянном объеме. Цикл Отто иногда называют циклом быстрого горения.
Выделившаяся теплота продуктов сгорания при v = idem вызывает резкое повышение давления и температуры в цилиндре (b–с). Образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются (с–d), совершая полезную работу. В точке М2 открывается выхлопной клапан II и продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Считают, что теоретически выхлоп осуществляется в процессе d–а. Оставшиеся в цилиндре двигателя газы при атмосферном давлении р1 выталкиваются поршнем в атмосферу, когда он идет от точки М2 до точки М1 (а–0). Затем цикл повторяется. Замкнутый контур a-b-с-d-а теоретически характеризует работу двигателя за один цикл при сгорании одной порции топлива. Эффективность циклов ДВС и факторов, влияющих на работу двигателей, удобно и наглядно оценивать в координатах p-v, Т–S на базе анализа работы термодинамических циклов тепловых двигателей, хотя реальные двигатели и не работают по таким циклам (рис. 1. 48).
|
|
|
| Рис. 1. 48. Цикл Отто в координатах p-v (а) и T-s (б) |
Процесс (1–2) в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс (2–3) - изохорный подвод теплоты q1, процесс (3–4) - адиабатное расширение и процесс (4–1) - изохорный отвод теплоты q2.
Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты 
и численно равна площади (1-2-3-4-1). Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чемвыше степень сжатия, тем выше КПД цикла. Действительно, если в цикле Отто сжатие вести до точки (2'), а подвод теплоты - по изохоре (2'–3'), то цикл 1-2'-3'-4 будет иметь большую степень сжатия, чем исходный цикл (рис. 48). При этом увеличивается количество теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле 
, при неизменном значении количества теплоты, отводимой от рабочего тела в цикле 
, что приведет к росту работы цикла, а, следовательно, и термического КПД цикла
. (1. 311)
Это значит, что КПД цикла Отто растет с увеличением степени сжатия. Однако возможности повышения степени сжатия в цикле Отто в настоящее время практически исчерпаны. Степень сжатия в таких циклах равна 
= 10 – 12 и дальнейшее ее повышение невозможно из-за самопроизвольного воспламенения топливной смеси на линии сжатия до того, как поршень подойдет к внутренней мертвой точке M1. Самопроизвольное воспламенение топлива возможно из-за чрезмерного повышения температуры смеси в процессе сжатия.
Степень сжатия можно значительно увеличить, если в цилиндре двигателя сжимать не топливоздушную смесь, а чистый воздух, а необходимое количество топлива вводить в цилиндр в конце процесса сжатия, когда температура воздуха становится уже достаточно высокой ( 
500 – 600 º С), обеспечивая самовоспламенение впрыскиваемого топлива, исключая необходимость иметь запальное устройство. Такой идеализированный цикл называется циклом Дизеля или циклом медленного сгорания. Такое название связано с тем, что подача топлива, его перемешивание с воздухом и сам процесс сгорания требуют определенного времени. Цикл Дизеля состоит из процесса адиабатного сжатия (1–2), изобарного подвода теплоты (2–3), адиабатного расширения (3–4) и изохорного отвода теплоты (4–1) (рис. 1. 49). Степень сжатия в двигателях, работающих по циклу Дизеля, составляет 
= 14 – 18.
|
|
|
а б
| Рис. 1. 49. Циклы Отто и Дизеля в координатах p-v (а) и T-s (б) |
Сравним между собой циклы Отто и Дизеля при одинаковых параметрах точек (1)и (4) с помощью диаграммы Т–s (рис. 1. 49). Если в этих циклах будет одинаковая степень сжатия ε и одинаковое количество отводимой теплоты q2, то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля. Действительно, так как изохора в координатах Т–s идет круче изобары, то количество теплоты q1, подводимой по изохоре (2–3'), будет больше количества теплоты, подводимой по изобаре (2–3). Следовательно, КПД цикла, определяемый уравнением η t= 1- q2/q1, получается тем выше, чем больше величина q1 при постоянном значении q2.
Сравним теперь эти циклы при одинаковых максимально возможных давлениях в цилиндрах двигателя, что соответствует равенству максимальных температур в конце процесса сгорания топлива, когда общей у них оказывается не точка (2), а точка (3)(циклы 1-2'-3-4 и 1-2-3-4). Количество отведенной теплоты q2 в сопоставляемых циклах опять одинаково и определяется
площадью 1-4-6-5 (рис. 1. 49б). В этом случае количество теплоты q1, подводимой в цикле Дизеля по изобаре (2–3), будет больше, чем количество теплоты, подводимой в цикле Отто по изохоре (2'–3)и, следовательно, КПД цикла Дизеля, в условиях одинакового максимально возможного давления, больше, чем КПД цикла Отто.
Подачу топлива можно осуществлять так, что одна его часть будет сгорать при постоянном объеме, а другая – при постоянном давлении. Такой цикл называется циклом смешанного сгорания топлива или циклом Тринклера (рис. 1. 50). Из сопоставления рассмотренных циклов видно, что циклы со сгоранием при постоянных объеме и давлении являются частными случаями смешанного цикла.
|
|
|
Из диаграммы (рис. 1. 50) видно, что цикл со смешенным подводом теплоты занимает по эффективности промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля как в условиях сравнения при одинаковой степени сжатия ε, так и при сравнении по условию одинакового максимального давления в цилиндре двигателя.
а б
| Рис. 1. 50. Цикл смешанного сгорания в координатах p-v (а) и T-s (б) |
Выведем уравнение для определения термического КПД смешанного цикла. Количество подводимой теплоты на изохоре (2–3) равно 
, а в изобарном процессе (3–4) – 
. Количество отводимой теплоты q2 на изохоре (5–1) по абсолютной величинесоставляет 
. Следовательно, термический КПД цикла, определяемый как отношение полученной работы lц к количеству подведенной теплоты q1, равен
(1. 312)
Сокращая на сvm и вынося Т1 и Т2 за скобку, получаем
. (1. 313)
Рассмотрим следующие характеристики цикла: степень повышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре λ = р3/p2 и степень расширения рабочего тела в процессе подвода теплоты по изобареρ = v4/v3. С учетом выражения для степени сжатия (ε = v1/v2) и уравнения состояния идеального газа (pv=RT)можно полуить следующие соотношения:
; 
. (1. 314)
Используя уравнение адиабаты, соотношения температур Т5/T1 и Т1/T2 можно привести к следующему виду:
; 
; 
. (1. 315)
Подставляя соотношения (1. 314 и 1. 315) в выражение (1. 313), находим
. (1. 316)
Из уравнения (1. 316) видно, что КПД цикла со смешанным подводом теплоты растет с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ. Если ρ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, термический КПД которого находится из соотношения
(1. 317)
Если λ = 1, то смешанный цикл превращается в цикл Дизеля, термический КПД которого находится из выражения
. (1. 318)
Анализ циклов поршневых ДВС позволяет сравнивать их между собой, определять перспективу повышения эффективности циклов, оценивать характер изменения эффективности циклов при изменении внешней нагрузки, степени сжатия и т. д.
|
|
|
