3. Основна частина

3.1. Характеристика двигунів

Поршневі двигуни, в яких згоряння палива і перетворення енергії продуктів згоряння на механічну енергію виконується у циліндрі двигуна, називають двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ). Аналогічні двигуни турбінного типу називаються газовими турбінами.

По суті ДВЗ не працюють замкненими циклами, тому що гази в них після розширення виводяться в атмосферу, а на їх мiсце надходить свіжа порція горючої сумiшi. Отже, внаслiдок здiйснення робочого циклу, робоче тiло в початковий стан не повертається. Тому графічне зображення такого циклу не є правомiрним з термодинамічної точки зору, тож для аналізу циклів використовується термодинамічний метод дослідження. Він полягає в тому, що процеси, які вiдбуваються в цилiндрi двигуна, ототожнюють з оборотними термодинамiчними процесами, що складають теоретичний цикл ДВЗ. При цьому процес горiння горючої сумiшi розглядають, як термодинамiчний процес, в якому пiдводиться теплота, процес виштовхування вiдпрацьованих газiв до атмосфери – процес вiдведення теплоти. Процеси стиснення газів вважають адiабатними.

Розглядаючи такий цикл, отримують найбільше можливе значення теплоти, перетвореної на роботу, тобто теоретичний ККД.

За дiйсних умов менша кiлькiсть теплоти перетворюється на роботу, i дiйсний ККД менший за теоретичний. Це пояснюється тим, що пiд час аналізу теоретичного циклу не враховано ряд явищ, наприклад, тертя, що має мiсце в дiйсних умовах. Зниження ККД у дійсних умовах під час розрахункiв враховується відповідними коефiцiєнтами. В основу класифікації циклів покладено характер підведення в них теплоти до газу.

За цiєю ознакою цикли ДВЗ, що мають різні принципи роботи, можна звести до трьох основних видів:

1. Цикли з пiдведенням теплоти до робочого тiла при сталому об’ємi V = соnst (цикл Отто).

2. Цикли з пiдведенням теплоти при сталому тиску P =соnst (цикл Дизеля).

З. Змiшанi цикли – пiдведення теплоти проводять спочатку за V = соnst, а потiм за P = соnst (цикл Трінклера).

Цикл з пiдведенням теплоти до робочого тiла при сталому об’ємi V = соnst (карбюраторні ДВЗ) є прототипом робочого процесу в двигунах з вимушеним запалюванням. Особливістю таких двигунів є стиснення пальної суміші (суміші парів бензину з повітрям). Цей цикл складається з двох адіабат і двох ізохор (рис. 3.1.1).

Характеристиками циклу є:

Ступінь стиснення ;

Ступінь підвищення тиску ;

Кількість підведеної теплоти ;

Кількість відведеної теплоти (абсолютне значення): ;

Робота циклу:

Термічний ККД циклу:

Рис.3.1.1 – Цикл Отто (V=const)

а-1 (1 такт) – в циліндр через усмоктувальний клапан надходить суміш повітря і парів пального (нетермодинамічний процес);

1-2 (2 такт) – адіабатне стискання суміші (підвищуються температура, тиск);

2-3 – згоряння пальної суміші, тиск швидко зростає за постійним об’ємом (підведення теплоти q₁);

3-4 (3 такт) – адіабатне розширення (робочий процес, виконується корисна робота); 4-а – відкривається вихлопний клапан і відпрацьовані гази залишають циліндр тиск у циліндрі падає (відведення теплоти q₂). 1-а (4 такт) – виштовхування газів, що залишилися у циліндрі.

Цикл з пiдведенням теплоти при сталому тиску P =соnst (цикл Дизеля) скдадається з двох адіабат, ізобари та ізохори. Використовується у двигунах важкого палива, які називаються компресорними дизелями.

Характеристиками циклу є:

Ступінь стиснення ;

Ступінь попереднього розширення ;

Кількість підведеної теплоти ;

Кількість відведеної теплоти (абсолютне значення): ;

Робота циклу:

Термічний ККД циклу: _.

Цикл зі змiшаним підведенням теплоти характерний для так званих безкомпресорних двигунів важкого палива з механічним розпилюванням палива – пiдведення теплоти проводять спочатку за V = соnst, а потiм – за P = соnst (рис.3.1.2).

Рис. 3.1.2 – Цикл Трінклера (V = соnst та P = соnst)

а-1 – у циліндр через усмоктувальний клапан надходить повітря (нетермодинамічний процес);

1-2 – чисте повітря з температурою Т₁ стискається до температури Т₂, яка більша за температуру запалення палива. В цей момент у циліндр через форсунки під тиском упорскується паливо.

2-3 – пальна суміш самозаймається і до робочого тіла підводиться теплота q₁^/=q_v, тиск підвищується до Р₃.

3-4 – поршень переміщується назад, надходження і згоряння палива продовжується при постійному тиску і підводиться теплота q₁ ^//=q_р.

4-5 – поршень продовжує переміщуватися до нижньої мертвої точки, тиск падає (адіабатне розширення);

5-1 – процес відводу теплоти q₂ при постійному об'ємі (через випускний клапан відводяться відпрацьовані гази).

Характеристиками циклу ДВЗ є:

Ступінь стиснення ;

Ступінь підвищення тиску ;

Ступінь попереднього розширення .