3175

110

Процесс сгорания топлива внутри цилиндра или в специальных камерах сгорания является необратимым. Кроме того, работа реальных ДВС и ГТ сопровождается трением, лучеиспусканием, потерями теплоты в окружающую среду; химические свойства и количество рабочего тела на всех стадиях кругового процесса меняются. Мы рассмотрим циклы, являющиеся идеализацией действительных процессов, протекающих в реальных двигателях. Сущность идеализации состоит в том, что действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами идеальных газов, что дает возможность использовать при их анализе необходимые закономерности, полученные нами ранее, в расчет же вводятся различные поправочные коэффициенты.

ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей.

Во-первых, компактность, как следствие того, что источник тепла находится внутри двигателя и, следовательно, нет необходимости в больших теплообменных поверхностях.

Во-вторых, значительное превышение известных предельных величин непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, т.к. тепловыделение идет в объѐме самого рабочего тела и, кроме того, стенки цилиндра и головки блока цилиндров имеют

принудительное охлаждение.

Работа поршневых ДВС совершается в результате того, что возвратно-поступательное движение поршня 2, совершаемое им в цилиндре 1 двигателя, при помощи шатуна 6, колена 7 и вала 8 реобразуется во вращательное

движение этого вала. Создаваемый на этом валу крутящий момент используется для вращения рабочих элементов механизма (электродвигателя или машины), соединенного о ДВС, или передается на трансмиссию.

Поршень совершает возвратно-поступательное движение в результате давления, оказываемого на него продуктами сгорания вводимого в цилиндр газового или мелкораспылѐнного жидкого топлива, отталкивающими при расширении поршень по направлению к валу, и под действием надетого на вал двигателя маховика, силы инерции которого заставляют поршень возвращаться в исходное положение.

Крайние положения поршня называют мертвыми точками: верхней мертвой точкой (в. м. т.) у крышки 3 цилиндра и нижней мертвой точкой (н. м. т.) в противоположном

конце. Объем V2 цилиндра двигателя, ограниченный с одной стороны крышкой, а с

другой - поршнем, находящимся в в. м. т., называют объѐмом камеры сжатия. Все существующие поршневые ДВС разделены на две основные группы по типу идеального цикла:

1)ДВС, для которых идеальным является цикл с изохорно-изобарным подводом

теплоты;

2)ДВС, для которых идеальным является цикл с изохорным подводом теплоты.

Кроме того принято рассматривать еще идеальный цикл с изобарным подводом теплоты.

Цикл со смешанным подводом тепла

Наиболее общий случай. Называется ещѐ циклом Г. В. Тринклера (русский инженер, впоследствии профессор Горьковского института водного транспорта, в 1904 г.

111

получил патент на подачу топлива к форсунке специальным топливным насосом под высоким давлением в десятки МПа и упразднил необходимость компрессора для распыливания топлива - бескомпрессорный дизель). Называется также цикл Сабатэ.

При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. открывается впускной клапан 4 через который засасывается воздух, постепенно заполняющий цилиндр (линия 2"- I).

При достижении поршнем н.м.т. клапан 4 закрывается и поршень начинает двигаться обратно во направления к в.м.т, и при этом сжимает засосанный воздух, чему соответствует адиабатный процесс 1-2. Температура воздуха при этом повышается сверх температуры воспламенения топлива. Когда поршень приходит в в.м.т. специальным топливным насосом (чаще плунжерным) в цилиндр под высоким давлением (30 - 40 МПа) впрыскивается мелко распыленное жидкое топливо ( дизельное, моторное) которое самовоспламеняется, в результате чего давление ТРГ увеличивается настолько быстро, что объем его практически не изменяется и соответствующий процесс отображается изохорой 2-3; затем при обратном ходе поршня к н.м.т. горение топлива на некотором участке хода поршня (до точки 3' ) происходит при неизменном давлении, чему в цикле соответствует изобарный процесс 3-3'. По достижении поршнем положения, соответствующего на диаграмме точке 3', подача топлива прекращается и дальнейшее движение

поршня к н.м.т. происходит под действием расширяющихся продуктов сгорания (в основном газа CO2 и пара Н2О), чему соответствует адиабатный процесс 3'- 4.

По достижении поршнем н.м.т. открывается выпускной клапан 5 и давление газов в цилиндре выравнивается с давлением окружающей среды. В цикле этот процесс отображается изохорой 4-1. При обратном ходе поршня к в.м.т. происходит выталкивание продуктов сгорания из цилиндра через клапан 5 (линия 1-2"). После того, как поршень достигнет в.м.т. начинается повторение описанных выше процессов. Рассмотренный процесс работы ДВС происходит за четыре хода поршня (два оборота вала). Поэтому они называются четырехтактными. Можно осуществить его и за два хода поршня (один оборот) путем

установки специального продувочного насоса 2 соответствующего конструктивного оформления цилиндра. Такие двигатели называются двухтактными. Используются, например в мотоциклам, где такты всасывания и выталкивания заменяются поступлением рабочего тела и удалением его из цилиндра через специальные окна, заменяющие всасывающие и выхлопной клапаны и не закрываемые движущимся поршнем.

Считается, что различие природы воздуха и продуктов сгорания несущественно и его не учитывают.

Кроме того из рисунка следует, что численно работа всасывания и выталкивания, выражаемые одной и той же площадью 2"- 1 -1' - 2' равны, но обратны по знаку, и, т.к. процессы впуска воздуха и выпуска отработавших газов (насосные ходы поршня,

112

первый и четвертый также) являются процессами чисто механическими, а не термодинамическими, то их также не учитывают.

Что же касается совокупности остальных процессов, то их мы будем рассматривать как идеальный цикл с рабочим телом в виде 1 кг идеального газа, происходящий с подводом и отводом тепла в условиях равновесных процессов, образующих цикл.

Тогда можно считать, что идеальный цикл двигателя складывается из следующих процессов:

а) адиабатного, при котором в результате сжатия давление ТРТ изменяется от p1

до p2 , удельный объем от 1 до 2 и температура от T1 до T2 . Этот процесс на

диаграмме выражается площадью 1' - 2 – 3 - 3". Этот процесс характеризуется отношением давлений в начале и в конце изохорного процесса 2-3, которое называют

степенью повышения давления

в) изобарного (процесс 3 - 3' ), при котором удельный объем изменяется от 3 до

3' , а температура - от T3 до T3' . Этот процесс характеризуется отношением объемов, соответствующих его началу и концу, которое называют степенью предварительного расширения :

На ТS - диаграмме этому количеству тепла соответствует площадь 4 - 4' - 1' - 1.

114

Полезная работа l идеального цикла определяется заштрихованной на рисунке площадью. Видно, что эта площадь складывается из работы изобарного расширения (площадь 3 - 3' - 3'" - 2') и работы адиабатного расширения (площадь 3' - 4 - 1' - 3'"), за вычетом работы адиабатного сжатия (площадь 1 - 2- 2' - 1' ). Если подставить ранее приведѐнные аналитические выражения работы указанных выше процессов, то можно просто получить уравнения для выражения работы цикла для 1 кг и для М кг рабочего тела.

Количество тепла q1 ' q1 ' ' q2 , полезно использованного в цикле на совершение

полезной работы, определяется заштрихованной на TS - диаграмме площадью.

Количество подводимого в цикле тепла:

q1 q1 ' q1 ' ' c (T3 T2 ) cp (T4 T3 ) c T1 k 1 1 k ( 1) отводимого

q2 c (T4 T1 ) c T1 ( k 1)

Теоретически полезная работа, получаемая в результате совершения смешанного цикла, может быть рассчитана как:

t зависит от физических свойств рабочего тела, на что указывает присутствие в

формуле коэффициента k , однако он изменяется в узких пределах, и его влияние невелико. В этой формуле по уравнениям (10) и (13)

Подставив найденные значения T1 , T2 и T4 , выраженные через T3' , в уравнение (д) получим:

и после умножения числителя и знаменателя второго члена на k 1 и сокращения дроби на T3' , получим

достигают 0.65 0.70.

Иногда цилиндр двигателя имеет специальную предкамеру (форкамеру), расположенную в торцевой части его и соединѐнную с рабочим объѐмом цилиндра одним или несколькими узкими каналами.

Во время сжатия воздуха давление p1 в цилиндре

возрастает быстрее, чем давление p2 в форкамере; за

счет разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра в форкамеру, который распиливает впрыскиваемое сюда топливо. При достижении температуры самовоспламенения сильно обогащѐнная топливовоздушная смесь вспыхивает, направление потока меняется и смесь продуктов сгорания, воздуха и

несгоревших в форкамере паров топлива (Т = 1500 - 180О°С) устремляется в цилиндр. Сильное вихреобразование обеспечивает хорошее перемешивание топлива с воздухом,

образуя однородную смесь, сгорающую в цилиндре при p const .

Цикл с подводом тепла при постоянном объёме

Называется ещѐ цикл Отто, является теоретическим циклом двигателей с низкой степенью сжатия. Многочисленный класс карбюраторных и газовых двигателей, нашедших широкое распространение в установках на самолетах, автомобилях, на катерах и мотолодках, в маломощных стационарных установках (например, для приведения в действие небольших электродвигателей и т.п.). Впервые построен немецким изобретателем Н. А. Отто в 1876 г. (топливо - горючий газ), а сам цикл был предложен еще в 1862 г. Бо де Роше. В 1879 г. И. С. Костович впервые построил карбюраторный ДВС

116

на легком жидком топливе.

Отличие этого рабочего процесса, идеальный цикл которого изображѐн на рисунках, от рабочего процесса двигателя, рассмотренного выше, состоит в следующем:

а) в цилиндр засасывается не воздух, а горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха (или из горючего газа и воздуха);

б) процесс сжатия 1-2 горючей смеси доводится до меньшего давления, поскольку двигатель работает с меньшей степенью сжатия ( 6 12 ), и вследствие этого называется работающим с низкой степенью сжатия;

в) вследствие малой в конце процесса сжатия не достигается температура, при которой происходит самовоспламенение горючей смеси; это обусловлено тем, что если в этом двигателе принять для слишком большое значение, то горючая смесь в результате чрезмерного повышения ее температуры может самовоспламениться до того, как поршень дойдѐт до в.м.т. Такое предварительное воспламенение горючей смеси обусловливает возникновение резких толчков двигателя, опасных для его работы;

г) процесс подвода тепла и увеличения давления происходит в результате зажигания смеси пропускаемой через нее электрической искрой (свеча), что приводит к практически мгновенному сгоранию ее, которому соответствует изохора 2-3;

д) процесс изобарного расширения отсутствует и продукты сгорания от состояния, отображенного на рисунках точкой 3, начинают расширяться (в идеале адиабатно) до состояния, отображаемого на диаграммах точкой 4, после чего следует открытие клапана 5 и выпуск в атмосферу продуктов сгорания. После этого процессы цикла возобновляются.

Для определения характерных точек цикла служат те же уравнения, что и для предыдущего цикла при тех же буквенных обозначениях. Поскольку для данного цикла1 уравнения (16) и (17) приобретают соответственно вид

Тепло в цикле подводится только в изохорном процессе 2-3, сообразно с чем количество его выражается уравнением

и на рисунке изображается площадью 2 – 3 - 3' - 1'.

117

Количество отведенного тепла определяется по той же формуле, что и в случае цикла Тринклера.

Для определения работы цикла следует поступить также, как и в предыдущем случае.

Термический к.п.д. цикла можно определить, если в уравнении (18) положить1. Тогда получаем

века p2 в конце сжатия составляло всего 2 - 2,5 бар, то в настоящее время оно достигает уже 6 - 12 бар, а - соответственно 5 - 9 для карбюраторных двигателей и 6 - 10 для газовых двигателей. Практически повышение в двигателях, работающих по циклу Отто, ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси. Повышение температуры смеси, вызываемое адиабатическим сжатием, нагреванием от стенок цилиндра, а также от остаточных газов, при высоких могут привести к самовоспламенению смеси еще в процессе сжатия. Следствием этого будет возникновение

большого усилия на поршень и другие детали кривошипно –шатунного механизма, что может привести к поломке двигателя, т.к. по линии З'-3 происходит сжатие сгоревшей смеси.

Кроив того создаются условия, когда скорость сгорания сильно возрастает, а процесс сгорания приближается к взрыву. Это явление называется детонацией, оно сопровождается мгновенным повышением давления, приводит к повреждению отдельных деталей, или даже аварии двигателя и резко снижает его экономичность, когда детонация возникает еще в процессе сжатия смеси.

Возникновение совершенно недопустимой детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива. Поэтому для различных топлив имеют различные предельные значения. Для того, чтобы сделать возможной работу двигателя с большими степенями сжатия, приходится идти на применение «бедных смесей», с большим избытком воздуха, а в некоторых случаях добавлять к топливу специальные вещества, называемые антидетонаторы (напр., тетраэтилсвинец), которые повышают детонационную стойкость топлива.

118

двигателей во избежание преждевременного воспламенения смеси 4 7 ; для газовых - до 8.

Работа этого цикла может быть найдена по зависимости: l g1 t или как разность работ расширения и сжатия

pi представляет собой условное постоянное

давление, под действием которого поршень за один ход совершает работу, равную работе, получаемой за четыре такта (площадь abcd равна площади 1234 на рис.).

Цикл с подводом тепла при постоянном давлении

Называется ещѐ цикл Дизеля, является теоретическим циклом двигателей с высокой степенью сжатия. Первый компрессорный дизель (топливо-керосин) был построен в 1895 г, немецким инженером Р. Дизелем, а дизель, работавший на тяжѐлом топливе (сырая нефть) с процессом сгорания при р= сопst , был построен в 1899 г. на заводе «Русский дизель».

Невозможность применения высоких в двигателях легкого топлива, из-за самовоспламенения, привела к идее раздельного ввода в цилиндр воздуха и топлива, когда в цилиндре сжимается чистый воздух. Это позволяет работать с большими . В конце сжатия давление воздуха достигает 30 - 40 бар, а температура 600 – 800 °С, что выше температуры самовоспламенения даже тяжелых топлив: масла, мазута.

Отличается от работы двигателя со смешанным подводом тепла следующими особенностями:

а) в цилиндр двигателя при ходе поршня от в.м.т. к н.м.т, засасывается воздух, который затем сжимается до высокого давления теоретически по адиабате (процесс 1-2 на рисунках). По завершении этого процесса в цилиндр впрыскивается через форсунку мелко распылѐнное сжатым воздухом ( р = 50 – 60 бар) от специального компрессора жидкое топливо, которое самовоспламеняется вследствие высокой температуры предварительно сжатого в цилиндре воздуха (величина доводится иногда до 20, рассматриваемые двигатели называют работающими с высокой степенью сжатия);

б) процесс горения топлива происходит постоянно, до мере поступления его из форсунки, поэтому давление в течение его изменяется мало и в идеальном цикле этому процессу соответствует изобара 2 - 3. В положении поршня, соответствующем на p -

диаграмме точке 3, впуск топлива прекращается и начинается расширение продуктов сгорания, которому соответствует адиабата 3-4, после чего открывается выпускной

клапан, давление изохорно падает до p1 (изохора 4 - 1) и продукты сгорания

выталкиваются при открытом клапане 5 в атмосферу. Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе.

119

Как видно из рисунков, в цикле отсутствует процесс изохорного подвода тепла,

Для этого цикла все характерные точки можно определить по формулам для цикла Тринклера, учтя при этом следующее:

а) формулы (9), (10) и (11) к циклу не относятся, т. к. в нем нет изохорного процесса с подводом тепла;

б) нужно учесть, что на диаграммах процесс изохорного сжатия отсутствует и заменяется изобарным расширением, обозначаемым линией 2-3 и заменить в соответствующих формулах индексы 3 и 3' соответственно на индексы 2 и 3".

Количество подведѐнного в цикле тепла:

жесткостью работы (быстрым увеличением давления), увеличением веса двигателя, механическими потерями, нижний - температурой самовоспламенения горючего.

Надо отметить, что двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном