6.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Для того чтобы исключить потери за счет неравновесного теплообмена с горячим источником теплоты, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы, получающиеся при сгорании топлива. Это удается осуществить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в его цилиндрах.
Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1-2 рабочего тела в цилиндре, изохорного 2-3 или изобарного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 3-4 или 7-4 и изохорного отвода теплоты 4-1 (рис. 6.3). В реальных двигателях подвод теплоты осуществляется путем сжигания топлива. Если пары бензина перемешаны с необходимым для горения воздухом до попадания в цилиндр, смесь сгорает в цилиндре практически мгновенно, подвод теплоты оказывается близким к изохорному. Если же в цилиндре сжимается только воздух и уже затем впрыскивается топливо, то его подачу можно отрегулировать таким образом, чтобы давление в процессе сгорания оставалось приблизительно постоянным, и условно можно говорить об изобарном подводе теплоты.
Для того чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгорания в ДВС осуществляют не до атмосферного давления р1, а до более высокого давления р4, а затем открывают выпускной клапан и выбрасывают горячие (с температурой Т4) продукты сгорания в атмосферу. Избыточное давление р4–р1 при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется изобарным отводом теплоты 4-1.
Рис. 6.3. Циклы ДВС:
а- вp,v - координатах;
б– вТ, s - координатах;
в– схема цилиндра с поршнем
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя . Применительно к идеальному циклу (рис. 6.4)
.
(6.3)
Степень сжатия
является основным параметром, определяющим
термический КПД цикла. Рассмотрим два
цикла с одинаковыми точками 1 и 4, один
из которых (1–2–3–4)
имеет большую степень сжатия ,
чем другой (1–2–3–4). Большему значению
соответствует более высокая температура
в конце сжатия 1-2. Следовательно, изохора
2–3
расположена в T, s - диаграмме
выше, чем изохора 2–3. Из рис. 6.3, б
видно, что количество теплоты q1,
подведенной в цикле 1–2–3–4
(площадь 2–3–5–6),
больше, чем количество теплоты, подведенной
в цикле 1–2–3–4 (площадь 2–3–5–6).
Количество отведенной теплоты q2
в обоих циклах одинаково (площадь
4–5–6–1). Следовательно, термический
КПД
больше в цикле 1–2–3–4.
В качестве примера получим формулу для КПД цикла со сгоранием при v = const. Для простоты будем считать теплоемкость сv постоянной. Тогда
.
При одинаковых показателях адиабаты k процессов сжатия и расширения в соответствии с (4.14)
;
.
Тогда для рассматриваемого цикла
.
(6.4)
На рис. 6.4 приведены кривые зависимости термического КПД цикла со сгоранием при v = const от степени сжатия при различных показателях адиабаты.
Рис. 6.4. Изменение tДВС с подводом теплоты приv =constв зависимости от степени сжатия при
различных значениях показателя
адиабаты k
Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9 … 10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, 18, что позволяет существенно повысить КПД цикла. Однако при одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты при р = const, реализуемый в дизелях, имеет меньший КПД, чем цикл с подводом теплоты при v =const, поскольку при одинаковом количестве отданной холодному источнику теплоты количество подведенной при v = const (по линии 2–3 на рис. 6.3) теплоты больше, чем при р = const (линия 2–7).
Используя в качестве рабочего тела неразбавленный продукты сгорания, ДВС имеют самый высокий из всех тепловых машин КПД . Однако инерционные силы, связанные с возвратно-поступательным движением поршня, возрастают с увеличением как размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС очень большой мощности. Большим их недостатком являются и высокие требования к качеству потребляемого топлива (жидкого или газа).
ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (прежде всего автомобили, тепловозы и небольшие самолеты) и применяются в качестве стационарных двигателей.