5. Циклы двигателей внутреннего сгорания

5.1. Схема устройства и работа двигателей внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называется поршневой дви­гатель, рабочим телом в котором являются продукты сгорания топлива (жидкого или газообразного), сгорающего непосредствен­но в объеме цилиндра.

На рис. 5.1 показаны схема устройства двигателя и его инди­каторная диаграмма, т. е. графическое изображение зависимости давления в цилиндре р(в н/м² ) от хода поршня h ( в м) или от объема ци­линдра V (в м³). Различают теоретическую и действительную инди­каторные диаграммы. Индикаторной диаграммой весьма наглядно представляется рабочий цикл двигателя, т. е. некоторое вполне закономерное чередование различных процессов, протекающих в рабочем объеме цилиндра за один или, два оборота вала. При этом следует иметь в виду, что в число процессов, составляющих рабочий цикл реального двигателя, входят процессы, в течение которых количество рабочего тела меняется (впуск и выпуск), а также процессы изменения химического состава вещества (горе­ние). Поэтому рабочий цикл двигателя не следует смешивать с термодинамическим циклом, характеризуемым постоянным ко­личеством вещества, не изменяющегося химического состава.

Рассмотрение отдельных процессов, характеризующих работу двигателя внутреннего сгорания, обычно начинают, предполагая идеальные условий работы всех его органов. Эти условия подра­зумевают отсутствие гидравлических сопротивлений впускного и выпускного клапанов, полное сгорание топлива при любом желаемом характере изменения давления рабочего тела в цилиндре в процессе сгорания и адиабатное протекание процессов сжатия и расширения. При таких идеальных условиях ра­бочий цикл двигателя (здесь рассматривается дизель) будет характеризоваться теоретически ин­дикаторной диаграммой (сплошная линия на рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема устройства четырехтактного дизеля и его индикаторная диаграмма.

В течение хода поршня от верхней точки (точки 6) к нижней (точке 1) через открытый впускной клапан поступает воздух из атмосферы. Во время всасывания давление в цилиндре равно давлению той среды, откуда происхо­дит впуск рабочего тела. Последнее объясняется условно принятым отсутствием гидравлических сопротивлений клапана. В конце впуска закрывается впускной клапан, и при ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней сжимается свежая порция воздуха. При идеаль­ных условиях сжатие протекает адиабатно. К концу сжатия тем­пература повышается так, что подаваемое в цилиндр через форсунку мелко распыленное топливо смешивается с воздухом и сгорает. Часть топлива, введенного в цилиндр, сгорает мгновенно; при этом повышается давление в цилиндре от р₂ до р_г теоре­тически при постоянном объеме. Другая часть топлива сгорает постепенно, и давление в цилиндре в этот период остается постоянным, несмотря на движение поршня и увеличение объема от V₃ до V ₄. Следует оговориться, что наличие в одном цикле процессов сгорания топлива при p = const и при v = const осуществляется в смешанном цикле, характерном для дизеля. В бензиновых ДВС, в которых топливно-воздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания, топливо теоретически сгорает при v = const.

После полного сгорания всего топлива, образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются. При подходе поршня к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан, происходит выпуск по линии 5—1 и выталкивание газов поршнем по линии 1—6. B период выпуска давление в цилиндре падает практически мгновенно (при v = const), и в течение выталкивания давление остается постоянным и равным давлению той среды, куда произ­водится выпуск отработавших газов (атмосфера).

Так как рабочие циклы поршневых двигателей включают в себя процессы, в течение которых меняется количество рабочего тела и его химический состав, то непосредственный термодинамический анализ этих процессов невозможен.

Поэтому в термодина­мике рабочие циклы ре­альных двигателей заме­няют соответствующими идеальными термодинами­ческими циклами двигате­ля, предполагая, что при осуществлении цикла хи­мический состав рабочего тела не меняется. В таком цикле процессы сгорания топлива и выпуска про­дуктов сгорания заменяют соответственно процессами подвода и отвода теплоты. Само собой разумеется, что идеальный термодинамический цикл не может быть осуще­ствлен в реальном двигателе, даже если представить теоретиче­ские условия его работы. Идеальный термодинамический цикл можно осуществить в двигателе, если из крышки цилиндра уда­лить клапаны, между крышкой и поршнем поместить 1 кг рабочего тела, а процессы сгорания топлива и выпуска заменить соответ­ственно процессами подвода и отвода теплоты (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Термодинамическая схема поршневого двигателя и идеальный цикл со смешанным подводом теплоты.

Идеаль­ный термодинамический цикл должен в точности соответствовать теоретическому рабочему циклу, т. е. оба цикла должны пред­ставляться в координатах р — v совпадающими фигурами, а под­водимая в идеальном цикле теплота должна равняться теплоте, выделяемой при полном сгорании топлива.

Реальные условия работы двигателей резко отличаются от идеальных. Впускной и выпускной клапаны всегда оказывают гидравлические сопротивления проходящему через них газу. Про­цессы сжатия и расширения в реальных условиях не могут проте­кать адиабатно, так часть теплоты от рабочего тела отводится через охлаждаемые стенки цилиндра в систему охлаждения. Сгорание также не может происходить точно при v = const и при р = const и быть полностью завершенным. Отдельные порции топлива сгорают на линии расширения и даже в процессе выпуска. Нужно также иметь в виду, что в те­чение всего рабочего цикла некоторая часть рабочего тела утекает через поршневые кольца.

В ДВС используются в качестве рабоче­го тела газы, получающиеся при сгорании топлива непосредственно в его цилиндрах. Используя в качестве рабочего тела продукты сгорания, ДВС имеют самый высокий из всех тепловых машин КПД.

ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (прежде всего автомобили, тракторы, строительные машины, речные и морские суда, тепловозы, средства малой механизации, мотто-генераторы, небольшие са­молеты и др.) и применяются в качестве стационарных энергетических установок.