6.5. Циклы поршневых двигателей

Поршневые двигатели в настоящее время широко используются на лёгких самолётах. Рабочими элементами поршневого двигателя (рис. 6.12) являются цилиндр и поршень, соединённый через шатун и коленчатый вал с потребителем мощности (винтом). При перемещении поршня изменяется объём цилиндра от максимального V до минимального V, и наоборот. Положение поршня, соответствующее V, называют нижней мёртвой точкой (НМТ), а соответствующее V верхней мёртвой точкой (ВМТ). Одно перемещение поршня между этими крайними точками называется ходом (тактом). В цилиндре имеются клапаны для впуска (всасывания) рабочего тела (воздуха или топливо-воздушной смеси) в начале цикла и выпуска (выхлопа) продуктов сгорания в его конце.

Наибольшее распространение получили два типа поршневых двигателей: с принудительным зажиганием топливо-воздушной смеси (цикл Отто) и с самовоспламенением от сжатия (цикл Дизеля). Рассмотрим идеальные циклы этих поршневых двигателей.

6.5.1. Цикл Отто

Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 6.13).

Цикл применяется в поршневых двигателях с принудительным зажиганием (например, бензиновых) и протекает следующим образом. От исходного со-

Рис. 6.12. Схема поршневого Двигателя

стояния 1 при движении поршня вверх (рис. 6.12) в адиабатном процессе 1-2 сжимается заранее подготовленная топливо-воздушная смесь. Её зажигание в точке 2 (например, с помощью электрической свечи) приводит к практически мгновенному сгоранию с выделением теплоты . За это время поршень практически не перемещается. Поэтому в идеальном цикле процесс2-3, в котором к рабочему телу подводится теплота q, считается изохорным. Далее происходит адиабатное расширение рабочего тела (продуктов сгорания) в процессе 3-4, поршень движется вниз. Этот процесс в теории поршневых двигателей называется рабочим ходом. В точке 4 открывается выпускной клапан и происходит истечение (выброс)

горячих продуктов сгорания в атмосферу. Этот процесс в цикле Отто изображается изохорным процессом 4-1, замыкающем цикл. В процессе 4-1 происходит отвод теплоты q от рабочего тела в окружающую среду и возвращение его в исходное состояние 1.

В четырёхтактном поршневом двигателе дополнительно осуществляются два вспомогательных такта, показанных на рис. 6.13 штриховой линией:

1-а  опорожнение цилиндра от остатков продуктов сгорания (выхлоп);

а-1  заполнение цилиндра свежей топливовоздушной смесью (всасывание).

Эти процессы в двухтактных поршневых двигателях отсутствуют, а при анализе идеального цикла не рассматриваются.

Для исследования цикла Отто необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры p, Тв исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабат

ном процессе v/v и степень повышения давления p/p в изохорном процессе подвода теплоты

Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла, используя соотношения параметров в соответствующих процессах.

В адиабатном процессе 1-2 , откуда ,

Рис. 6.13. Цикл Отто	Рис. 6.14. Зависимость КПД цикла Отто от степени сжатия

в изохорном процессе 2-3 , откуда,

в адиабатном процессе 3-4 , тогда.

Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изохорного процесса 2-3 , для изохорного процесса4-1

Следовательно, работа цикла Отто равна

, а термический КПД = 1 = 1 .

Термический КПД цикла Отто (при данном значении k) зависит только от степени сжатия  (рис. 6.14). Как видно, с увеличением  термический КПД цикла существенно увеличивается.

В реальных двигателях, работающих по циклу Отто, увеличение ограничено возможностью появления взрывного сгорания топливовоздушной смеси (детонации) при высоких значениях. Детонация в условиях эксплуатации поршневых авиационных двигателей недопустима, так как может привести к выходу двигателя из строя. При ухудшении качества применяемого топлива (бензина) значения , при которых возможна детонация, уменьшаются. У современных поршневых двигателей с циклом Отто, использующих высококачественное топливо, значение  достигает 8…10.