2.3. Поршневые двигатели внутреннего сгорания .

Двигатели внутреннего сгорания. Известно, что тепловые двигатели, работа которых происходит за счет энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС). В них применяется жидкое и газообразное топливо.

ДВС получили очень широкое распространение на транспорте (автомобили, тепловозы, судовые установки и пр.). Кроме того, они применяются при создании передвижных электростанций различной мощности, в стационарных электроустановках малой и средней мощности, а также различных хозяйственных и коммунальных объектах в качестве резервных и аварийных источником электроснабжения.

В зависимости от принципа действия ДВС принимают, что его сгорание топлива в них теоретически происходит или при постоянном объеме (v =const), или при постоянном давлении (р = const) а в некоторых случаях сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.

В двигателях со сгоранием топлива при постоянном объеме в цилиндр поступает горючая смесь — смесь воздуха с топливом. Смесь сжимается движущимся поршнем, в конце сжатия подвигается электрической искрой и сгорает. Образующиеся продуктам сгорания — газы, имея высокое давление, расширяются, перемещают поршень и совершают работу, после чего выбрасываются из цилиндра, и рабочий процесс двигателя повторяется.

Если горючая смесь, поступающая в двигатель, представляет собой смесь жидкого топлива с воздухом и образуется в карбюраторе, двигатель называется карбюраторным. Если же горючая смесь является смесью газообразного топлива с воздухом, то двигатель называется газовым.

В двигателях со сгоранием топлива при постоянном давлении в цилиндр поступает чистый воздух, который затем сжимается дви­жущимся поршнем, при этом температура воздуха повышается до 600...650 °С. Теоретически в конце сжатия в цилиндр впрыскива­ется мелко распыленное жидкое топливо, которое воспламеняет­ся и сгорает вследствие высокой температуры воздуха. Сгорание топлива происходит при движении поршня, поэтому давление в цилиндре в процессе сгорания теоретически не изменяется. Про­дукты сгорания расширяются и производят работу. После этого отработавшие газы удаляются из цилиндра и рабочий процесс двигателя повторяется. По такому принципу работают компрессор­ные дизели.

В современных бескомпрессорных дизелях часть топлива, впрыс­киваемого в сжатый до температуры 600...650 °С воздух, воспла­меняется и сгорает теоретически при постоянном объеме. Другая же часть впрыскиваемого топлива сгорает при постоянном давле­нии. Продукты сгорания расширяются, производят работу, а за­тем удаляются из цилиндра.

Как видно из изложенного, в ДВС не осуществляются замкну­тые процессы (циклы). Кроме того, процессы, происходящие в двигателях, не являются обратимыми (реальное сгорание, рас­ширение и сжатие с конечными скоростями и т. п.). Поэтому рас­сматриваются воображаемые идеальные двигатели, все процессы в которых принимаются обратимыми и образующими в совокуп­ности идеальный цикл.

Цикл со смешанным подводом теплоты — цикл Тринклера. Этот цикл характерен для бескомпрессорных дизелей с механическим распыливанием горючего, внутренним смесеобразованием и са­мовоспламенением от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее (жидкое топливо) подается с помощью особого плун­жерного насоса под давлением в несколько сотен бар через форсунку.

На рис. 2.14 процесс 1—2 представляет собой адиабатное

сжатие воздуха; 2—3' — подвод теплоты при постоянном объеме

(быстрое сгорание порции хоро­шо подготовленной смеси в

«предкамере» или иным спосо­бом); З'—З — подвод

теплоты при постоянном давлении (сгорание горючей смеси

по мере поступления в камеру сгорания); 4 — адиабатное

расширение продуктов сгорания (в основном газа СО₂ и пара Н₂О); 4— 1 отвод теплоты (выпуск газа). Рассмотренные процессы являются идеальным циклом бескомпрессорных дизелей.

Термический КПД цикла

Рис. 2.14. Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты .

р, V- и Т, ^-диаграммах

Так как подводимое в этом цикле к рабочему телу количество теплоты , то

Считая теплоемкости идеального газа постоянными величина­ми, можно записать:

;;.

Следовательно,

;. (2.5)

В качестве характеристик циклов ДВС вводятся следующие по­нятия.

Отношение объема в начале сжатия к объему в конце сжатия называется степенью сжатия,.

Отношение объема в конце подвода теплоты к объему в начале подвода теплоты называется степенью предварительного расшире­ния, = V₃/V₂.

Отношение давления в конце подвода теплоты к давлению в начале подвода теплоты называется степенью повышения давле­ния,.

Подставив в выражение (2.5) значения ,,и k можно по­лучить:

(2.6)

Рис. 2.15. Термический КПД цикла ДВС со смешанным подводом теплоты.

Из уравнения (2.6) видно, что возрастает с увеличением иk. Зависимость отипри = 16 и k =1,4 приведена на рис. 2.15.

Рассмотренный цикл является теоретическим циклом всех современных транспортных и стандартных дизелей. В реальных условиях в бескомпрессорных дизелях основные параметры состав­ляют: = 6,0…11,0 МПа; = 1500... 2000 °С;= 1,2...2,2; =1,4...2,2.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении — цикл Дизеля. Это цикл характерен для компрессорных дизелей — ДВС тяжелого топлива (дизельного, солярового масла и др.) с внут­ренним (в цилиндре) смесеобразованием и самовоспламенением горючего от сжатого до высокой температуры воздуха (рис. 2.16). Горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр специ­альным компрессором. Из-за больших габаритов и массы комп­рессорные дизели применяются только на некоторых судах и в качестве стационарных установок электростанций.

На рис. 2.16, процесс 1—2 представляет собой адиабатное сжатие рабочего тела (в реальном двигателе — воздуха); 2—3 — подвод теплоты при постоянном давлении (постепенное горение по мере впрыскивания горючего); 3—4 — адиабатное расширение рабочего тела (в основном СО₂ и паров Н₂О); 4—1 — отвод тепло­ты при постоянном объеме (выпуск отработавших газов).

Основными параметрами характеристики цикла являются:

; ;;.

Количество подведенной в цикле теплоты определяется урав­нением

(Т₃ - Т₂), Дж/кг.

Величина на рис. 2.16 выражается площадью1’— 2—3—3'. Если в формуле (2.6) принять

= 1, то для данного цикла

.

На рис. 2.16, б показан характер этой зависимости. По мере совершенствования процессов смесеобразования и горения

аб

Рис. 2.16. Цикл поршневых двигателей с изобарным подводом теплоты - компрессорных двигателей (а) и характеристики его экономичности (б).

Рис. 2.17. Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном

объеме

значение уменьшается. Верхний предел величины е ограничивает­ся в дизелях быстрым увеличением давления, увеличением массы двигателя, механическими потерями, а нижний — температурой самовоспламенения горючего. Средние значения =14...25.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме — цикл Отто. Этот цикл характерен для бензиновых ДВС с внешним смесеоб­разованием в карбюраторе и принудительным искровым зажиганием горючей смеси (рис. 2.17). Их называют карбюраторными двигателями и применяют главным образом на автотранспорте (особенно легковом). На рис. 2.17 процесс 1—2 представляет собой адиабатное сжатие рабочего тела (смесь бензина с возду­хом); 2—3 — подвод теплоты при постоянном объеме (быстрое сгорание смеси, зажигаемой электрической искрой); 3—4 —расширение рабочего тела или рабочий ход (расширяются продук­ты сгорания, в основном СО₂ и пары Н₂О); 4—1 — отвод теплоты в окружающую среду (выпуск в атмосферу отработавших в цилиндре газов).

Основными параметрами характеристики цикла являются: ;=1;. Термический КПД определяется обычнымспособом:

.

На рис. 2.18 показан характер этой зависимости. Увеличение вкарбюраторных двигателях ограничивается наступлением

д етонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры сгорания (форма, расположение свечи и т.п.). Детонация повышает износ и снижает мощность двигателя, поэтому имеет невысокиезначения (6...12), а величина k≈1,3, как уже отмечалось, определяется видом топлива (бензин с воздухом) и из- менению не поддается.

_{Рис. 2.18.Изменение цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном обьеме в зависимости от}