1.3. Параметры и процессы изменения состояния рабочего тела

Напомним, что величины, характеризующие физические свойства рабочего тела в данный момент, называются параметрами состояния рабочего тела, и непосредственному измерению поддаются три параметра состояния: давление р, удельный объем v и температура T, которые называются основными или термическими параметрами. Поэтому состояние судовой энергетической установки контролируется, в первую очередь, по показаниям манометров и термометров. Удельный объем же служит одной из координат при графическом изображении процессов, происходящих с рабочим телом. В частности, в технике принято пользоваться p–v координатами, удобство которых заключается в их наглядности и в том, что площади под линиями, изображающими процессы, в масштабе показывают работу.

Основными процессами изменения состояния рабочего тела являются изохорный (при v =const), изобарный (при p =const), изотермный (при T = const) и адиабатный (происходящий без теплообмена с окружающей средой) процессы.

Одним из примеров изохорного процесса является процесс взрывообразного горения паров бензина в карбюраторном двигателе, и этот процесс в p–v диаграмме изображается вертикальной линией (практически в цилиндре при подаче искры происходит взрыв смеси паров бензина с воздухом, что сопровождается резким ростом давления).

В то же время изобарный процесс изображается в p–v диаграмме горизонтальной линией и может служить иллюстрацией “медленного” горения топлива в цилиндре дизельного двигателя.

Изотермический процесс мы знаем по процессу кипения воды в чайнике, где температура не меняется. В технике этот процесс сопровождает подготовку рабочего тела в парогенераторе. Касательно же поршневых двигателей этот процесс мог бы описывать бесконечно медленное сжатие рабочего тела в цилиндре ДВС (рис. 1), т.е. изотерма представляет собой равнобокую гиперболу – с уменьшением объема давление повышается (процесс сжатия 1-2), а с увеличением объема давление уменьшается (процесс расширения 2-1).

Адиабатным процессом считается любой настолько быстротекущий процесс, что теплообмен при его течении не успевает произойти. В технике любой процесс сжатия и расширения считается адиабатным (рис. 2), который, в отличие от изотермического процесса, изображается неравнобокой гиперболой, расположенной несколько более круто по сравнению с изотермой (что и понятно, так как при быстром сжатии газа его давление растет быстрее по сравнению с медленным сжатием).

1.4. Циклы двигателей внутреннего сгорания

Цикл быстрого горения был построен немецким инженером Отто после изобретения им в 1876 г. четырехтактного ДВС (по принципу, предложенному французским инженером Бо-де-Роша в 1862 г). Цикл Отто в р-v диаграмме изображен на рис. 3.

Из рисунка видно, что цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – сжатие; 2-3 – взрывообразное (быстрое) горение (подвод теплоты q₁); 3-4 – расширение продуктов сгорания (рабочий ход); 4-1 – выхлоп (отвод теплоты q₂).

Цикл Дизеля был построен после изобретения в 1897 г. немецким инженером Дизелем своего двигателя. В этом двигателе горение нефти осуществлялось в результате ее “распыления” струей воздуха и самовоспламенения в результате сжатия в цилиндре воздуха (топливо с “распыливающим” воздухом подавалось в цилиндр в конце сжатия). Цикл Дизеля показан на рис. 4, где 1-2 – процесс сжатия; 2-3 – медленное горение (сжатый воздух не мог распределить нефть в виде достаточно мелких капель, поэтому горение происходит плохо, т.е. медленно); 3-4 – рабочий ход и 4-1 – выхлоп.

Следует отметить, что в последнее время ни один так называемый “дизель” по циклу Дизеля не работает, т.к. после усовершенствований, выполненных русским инженером Г.В. Тринклером (и получившим в 1904 г. патент на свой бескомпрессорный двигатель), они работают по циклу Тринклера (рис. 5). На этом рисунке: 1-2 – сжатия; 2-3 – быстрое горение; 3-4 – медленное горение; 4-5 – рабочий ход; 5-1 – выхлоп.

Характеристиками циклов являются следующие:

–степень сжатия;

–степень повышения давления;

–степень предварительного расширения.

Анализ циклов (рисунки 3, 4, 5) показывает, что в цикле Дизеля λ=1 (давление в цилиндре при самовоспламенении и горении топлива не меняется), а в цикле Отто (т.е. нет фазы медленного горения топлива).

Анализ процессов, происходящих с рабочим телом при работе ДВС, позволяет оценить влияние характеристик циклов на КПД двигателя. Для этого необходимо вспомнить цикл и выводы Карно, касающиеся способов повышения КПД любого теплового двигателя.