1. Теория рабочих процессов, происходящих в двс

Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания трудно сравнить в реальных условиях. В этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные показатели разных циклов на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине.

В теоретических циклах введены следующие допущения:

В цикле используется в качестве рабочего тела идеальный газ, состав которого в цикле не изменяется.

Циклы считаются замкнутыми, происходящими при постоянном количестве идеального газа.

Теплоемкость газа в течение всего цикла постоянна, т. е. не зависит от температуры.

Сгорание топлива в цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск – мгновенным отводом теплоты в холодный источник.

Процесс сжатия и расширения газа происходит без теплообмена с окружающей средой, и называются адиабатическими.

Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом соответствии со вторым законом термодинамики.

Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.

Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном объеме

Автомобильные карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме.

Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис.1.

Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме осуществляется следующим образом.

При движении поршня от НМТ (точка а диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. Чтобы довести потери тепла до минимума, стенки цилиндра должны быть абсолютно нетеплопроводными, т. е. покрытыми идеальной тепловой изоляцией. В этом случае процесс сжатия (линия ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим, а внешняя механическая работа, затрачиваемая на сжатие, полностью пойдет на увеличение внутренней энергии сжимаемого газа.

В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит не процесс сгорания, как в действительном цикле, а простое мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры и давления при постоянном объеме (изохоры сz). При положении поршня в ВМТ (точка z диаграммы) сообщение теплоты прекращается.

Рис 1. Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном объеме

Затем газ адиабатически расширяется, его внутренняя энергия частично превращается во внешнюю механическую работу. В НМТ (точка b диаграммы) процесс расширения, графически изображенный адиабатой zb, заканчивается.

Для повторения цикла надо вернуть газ в начальное состояние, характеризуемое точкой a индикаторной диаграммы. Для этого необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту, представляющую собой долю Q₂ от ранее введенной теплоты Q₁. Таким образом, даже при осуществлении теоретического цикла часть вводимой теплоты теряется и, следовательно, не может быть полного превращения теплоты в работу.

Степень преобразования теплоты в работу любого теоретического цикла оценивается термическим КПД, который представляет собой отношение теплоты, превращенной в полезную работу газов, к подведенной теплоте Q₁.

В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты Q₂, отсутствуют.

Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q₁ – Q₂, тогда термический КПД можно выразить формулой:

В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q₁ теплоты и отводимое Q₂ пропорциональны его изохорной теплоемкости С_ν и соответствующим разностям температур:

Согласно уравнению термического КПД, экономичность цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты идеального газа.

Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении.

В дизеле в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3–4 МПа, и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.

В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении. При движении поршня от НМТ (точка a диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. В этом случае процесс сжатия (линия ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим. Давление и температура в конце этого процесса определяется так же, как и при термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении.

Рис. 2 Диаграмма теоретического цикла с подводом тепла при постоянном давлении

В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит, как в ранее рассмотренном теоретическом цикле, сообщение теплоты Q₁ рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры при постоянном давлении (изобара сz).

При положении поршня, когда объем над поршневого пространства равен V_Z (точка z диаграммы), сообщение теплоты прекращается.

Для повторения цикла необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту Q₂ от введенной теплоты Q₁ при постоянном объеме V_a.

Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл).

Реальные тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.

Рис.3 Индикаторная диаграмма смешанного теоретического цикла

В теоретическом цикле кривая ас диаграммы изображает адиабатическое сжатие рабочего тела, заключенного в цилиндре, сz и zz' – сообщение теплоты, z'b – адиабатическое расширение и ba – отдачу части сообщенной теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.

Термический КПД теоретического цикла можно определить по разности количества теплоты: Q_1' + Q_1'', введенных соответственно при V = const (по изохоре сz) и при р = const (по изобаре zz') и Q2, отданного холодному источнику при V = const (по изохоре ba):

Можно утверждать, что использование тепла в смешанном цикле зависит от степени сжатия, предварительного расширения и повышения давления, а также показателя адиабаты.

В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений степени сжатия 10–12 становится мало ощутимым.

В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15 объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и засасываемого воздуха.