2.1. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания

Тепловой двигатель представляет собой установку, предназначенную для систематического превращения тепла внешних источников в работу без использования внутренней энергии рабочего тела, при помощи которого совершается вся совокупность процессов в установке.

Чтобы энергия самого рабочего тела не участвовала в этих процессах нужно, чтобы рабочее тело многократно совершало круговой процесс, периодически возвращаясь в исходное состояние.

Круговой процесс можно осуществить, подвергая рабочее тело двум видам воздействия – тепловому и механическому.

Согласно второму закону термодинамики в тепловом двигателе невозможно превратить в работу все тепло, подведенное к рабочему телу от горячего источника, так как часть тепла должна быть отдана холодному источнику (окружающей среде).

Условием, необходимым для работы теплового двигателя является следующее: рабочее тело должно совершать прямой, замкнутый круговой процесс (цикл) с подводом тепла Q₁ к нему при высокой температуре T_1ср и отводом тепла Q₂ от него при низкой температуре T_2ср.

Экономичность такого цикла определяется термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла

Термический КПД цикла с подводом тепла к рабочему телу и отводом тепла от него при переменных температурах не зависит ни от рода рабочего тела, ни от конфигурации цикла, а зависит от отношения средних температур в процессах подвода и отвода тепла к рабочему телу.

Отсюда следует практический вывод, что при конструировании и расчете реальных двигателей нужно стремиться осуществить в них подвод тепла к рабочему телу при возможно более высокой температуре, а отвод тепла от рабочего тела – при возможно более низкой температуре (температура окружающей среды).

Зададимся вопросом: из каких процессов должен состоять цикл, чтобы его термический КПД был максимальный при условии, что заданы крайние температуры подвода тепла к рабочему телу и отвода тепла от него? Такой цикл должен состоять из двух изотерм и двух адиабат, то есть цикл Карно.

До сих пор речь шла об идеальных циклах, но в реальных условиях цикл осуществляется в тепловом двигателе, который называется двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Одним из основных признаков, по которому классифицируются ДВС является способ воспламенения топлива. По этому признаку двигатели внутреннего сгорания делят на два класса:

- ДВС с воспламенением топлива от сжатия – дизели;

- ДВС с искровым зажиганием топлива – карбюраторные двигатели.

В данном пособии будут рассматриваться дизели, поскольку на морских судах устанавливаются в качестве главных и вспомогательных двигателей только дизели.

Двигателем внутреннего сгорания называется такой тепловой двигатель, в котором непосредственно в цилиндрах происходят сгорание топлива, то есть подвод тепла к рабочему телу и преобразование тепла в работу.

Преимуществами ДВС перед другими тепловыми двигателями являются:

- периодичность работы, которая позволяет кратковременно развивать высокую температуру подвода тепла к рабочему телу, а значит – высокий термический КПД;

- компактность (источник тепла находится внутри цилиндров).

В реальном ДВС рабочее тело совершает не круговой замкнутый цикл, а периодический разомкнутый процесс (его будем называть – рабочий цикл), а также сгорание топлива в цилиндрах и процессы газообмена являются не термодинамическими.

Но для анализа рабочего цикла реального двигателя можно принять допущения мало влияющие на процесс превращения тепла в работу, которые позволяют заменить разомкнутый процесс реального ДВС на идеальный теоретический цикл. К этим допущениям относятся:

- количество газа в цикле не меняется, то есть не учитываются процессы газообмена и протечки рабочего тела в картер;

- рабочее тело есть идеальный газ неизменного химического состава с постоянной теплоемкостью;

- процессы сгорания топлива и газообмена заменяются процессами подвода тепла к рабочему телу и отвода тепла от него;

- все процессы в цикле являются обратимыми (в том числе сжатие и расширение являются адиабатными).

Таким образом, индикаторную диаграмму цикла реального ДВС можно заменить диаграммой обратимого (идеального) цикла, происходящего под влиянием внешних тепловых и механических воздействий.

В технической термодинамике рассматриваются три основных вида теоретических циклов поршневых ДВС (рис. 2.3):

- цикл с подводом тепла Q₁ к рабочему телу при постоянном объеме (см. рис. 2.3а), то есть Q₁= Q₁^V. Этот цикл называется циклом Отто и является теоретическим циклом карбюраторного двигателя;

- цикл с подводом тепла Q₁ к рабочему телу при постоянном давлении (см. рис. 2.3б), то есть Q₁= Q₁^p. Этот цикл называется циклом Дизеля и является теоретическим циклом компрессорных ДВС (в настоящее время их не строят);

- цикл с подводом тепла Q₁ сначала по изохоре (Q₁^V) затем по изобаре (Q₁^p) (см. рис. 2.3в), так что Q₁= Q₁^V+ Q₁^p. Этот цикл называется циклом со смешанным подводом тепла к рабочему телу или циклом Тринклера и является теоретическим циклом всех современных ДВС с воспламенением топлива от сжатия.

Термический КПД цикла Тринклера занимает промежуточное положение между КПД цикла Отто и цикла Дизеля при условии сравнения Q₁ = idem и имеет вид

где ε - степень сжатия;

λ - степень повышения давления;

ρ - степень предварительного расширения;

к - показатель адиабаты (для идеального газа к = 1,41).

a)

б)

в)

Рис. 2.3. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

В этой формуле ε, λ и ρ являются безразмерными характеристиками цикла.

Есть четвертая характеристика цикла

δ - степень последующего расширения.

Существует зависимость (для случая V_a= V_b)

Степень сжатия ε является конструктивной характеристикой двигателя.

Характеристики λ и ρ определяют способ подвода тепла к рабочему телу.

Следует заметить, что как ρ, так и δ характеризуют степень расширения рабочего тела в цикле, однако между ними есть отличие: ρ оценивает расширение, сопровождающееся подводом тепла Q₁^p к рабочему телу, δ – только расширение без подвода тепла. Это отличие принципиально при оценке экономичности цикла.

Рассмотрим изменение эффективности использования тепла в цикле при следующих условиях: количество подводимого тепла в цикле не изменяется (Q₁=Q₁^V+Q₁^p=idem), но в разных случаях оно перераспределяется по-разному, то есть изменяется соотношение между долями тепла, подводимого по изохоре Q₁^V и по изобаре Q₁^p.

Процесс подвода тепла к рабочему телу в идеальном цикле соответствует процессам топливоподачи и выделения тепла при сгорании топлива в действительном цикле реального двигателя. Тогда применительно к действительному циклу Q₁= idem означает, что подача топлива в цилиндр за один цикл (цикловая подача) не изменяется q_ц= idem. Процессу подвода тепла в идеальном цикле Q₁= Q₁^V+ Q₁^p, в реальном двигателе будет соответствовать цикловая подача топлива q_ц общей продолжительностью φ_вп (угол впрыскивания топлива), распределяемая на φ_оп (угол опережения подачи топлива до ВМТ) и φ_k (угол конца впрыскивания после ВМТ)

Q₁ ~ q_ц ~ φ_вп= φ_оп+ φ_к= idem

что графически можно представить в виде рис. 2.4

Рис. 2.4. Фазы топливоподачи реального двигателя

z – подъем иглы форсунки

Изменение соотношения между Q₁^V и Q₁^p при Q₁= idem в действительном цикле соответствует изменению соотношения между углом φ_оп и углом φ_к при φ_вп= idem в цикле идеального двигателя. Увеличению Q₁^V в идеальном цикле будет соответствовать увеличение угла φ_оп в действительном цикле.

На рис. 2.5 а,б показаны идеальные циклы 1 (исходный), 2 (при увеличенной доле Q₁^V), 3 (при уменьшенной доле Q₁^V) в координатах p--V (рис. 2.5а) и T-S (рис. 2.5б), а на рис. 2.5в – соответствующие им углы подачи топлива φ_оп и φ_к в действительном цикле. Наименьшее количество тепла Q₂, отводится от рабочего тела в цикле 2 (площадь под кривой ab₂ на рис. 2.5б), а наибольшее – в цикле 3 (площадь под кривой ab₃ на рис. 2.5б), то есть

Q₂² < Q₂¹ < Q₂³

Рис. 2.5. Сравнение экономичности идеальных циклов ДВС при Q₁= idem и перераспределении долей тепла Q₁^V и Q₁^p

Так как

а по условию Q₁= idem, то

η_t² < η_t ¹ < η_t³

Таким образом, перераспределение количества подводимого тепла Q₁ в сторону увеличения Q₁^V и сокращения Q₁^p приводит к росту термического КПД идеального цикла η_t. В реальном двигателе этому соответствует увеличение угла опережения подачи топлива φ_оп. Отсюда следует, что повысить экономичность работы реального двигателя можно путем более ранней подачи топлива в цилиндр относительно ВМТ. Однако, при этом увеличение Q₁^V (φ_оп) сопровождается ростом максимального давления цикла (максимального давления сгорания p_z). В двигателе это может отрицательно отразиться на надежности работы подшипников и росте механических напряжений в конструктивных элементах, испытывающих давление газов.

Все эксплуатационные факторы, вызывающие уменьшение скорости сгорания топлива или смещение сгорания на линию расширения снижают экономичность двигателя.

На реальном двигателе снимают индикаторные диаграммы преимущественно на режиме полной (номинальной) нагрузки, то есть при полной подаче топлива. При меньших (частичных) нагрузках индикаторные диаграммы значительно изменяют свой вид. Иначе выглядит и идеальный цикл. В нем отражаются реальные условия регулирования величины цикловой подачи топлива. Такое регулирование цикловой подачи в судовых дизелях осуществляется за счет изменения фаз начала (φ_оп) или конца (φ_к) или начала и конца подачи, что в идеальном цикле можно представить изменением количества подведенного тепла Q₁, либо за счет Q₁^V, либо Q₁^p, либо совместным изменением Q₁^V и Q₁^p.

Поэтому рассмотрим второй важный для практики случай: влияние на экономичность цикла изменения количества подведенного тепла (Q₁= Q₁^V+ Q₁^p= varia). Применительно к действительному циклу, Q₁= varia означает, что цикловая подача топлива переменная, то есть нагрузка двигателя изменяется. Изменение долей подводимого в идеальном цикле тепла Q₁^V, Q₁^p или Q₁^V и Q₁^p одновременно, в действительном цикле соответствует (условно) изменению углов топливоподачи φ_оп, φ_к или φ_оп и φ_к одновременно, то есть определяется способом регулирования цикловой подачи топлива (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Сравнение экономичности идеальных циклов ДВС при Q₁= varia и реальных циклов при различных способах регулирования цикловой подачи топлива.

При уменьшении количества подведенного в идеальном цикле тепла от Q₁ до Q₁^' за счет пропорционального уменьшения долей тепла Q₁^V и Q₁^p (цикл acy₁z₁b₁a), количество отведенного тепла уменьшится от Q₂ до Q₂^'. Поэтому термический КПД цикла не изменится. Следовательно, при уменьшении нагрузки реального двигателя, имеющего топливные насосы высокого давления со смешанным регулированием цикловой подачи топлива, его экономичность не изменяется.

При уменьшении доли тепла Q₁^V при Q₁^'= idem количество отведенного тепла увеличивается от Q₂^' до Q₂^'′ (цикл acy₂z₂b₂a). Так как Q₂^'′ > Q₂^', то термический КПД цикла уменьшается. Отсюда следует, что экономичность реального двигателя, имеющего топливные насосы с регулированием по началу подачи, при уменьшении нагрузки ухудшается.

Уменьшение доли тепла Q₁^p при Q₁^'= idem вызывает уменьшение количества отведенного тепла от Q₂^' до Q₂^''' (цикл асуz₃b₃a) При этом Q₂^'''< Q₂^' и термический КПД цикла возрастает. В связи с этим, можно заключить, что при уменьшении нагрузки двигателя, имеющего топливные насосы с регулированием по концу подачи, его экономичность повышается.