5.10. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания (двс)

Существует два основных обратимых цикла ДВС (как правило, поршневых, но не только). Это цикл с теплоподводом (сгоранием) при постоянном объёме, называемый циклом Отто, и цикл с теплоподводом (сгоранием) при постоянном давлении, называемый циклом Дизеля. Существует также цикл, в котором сгорание начинается при постоянном объёме и завершается при постоянном давлении. Этот цикл, называемый циклом Тринклера или Сабатэ, по своим показателям занимает промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля.

5.10.1. Идеальный цикл двс с подводом тепла

при постоянном объёме (цикл Отто)

Начнем с цикла Отто, который приведён на рис. 5.18. в диаграммах состояния. Одновременно рассмотрим также рабочий процесс этого ДВС, для чего под циклом изображён цилиндр с поршнем, который может перемещаться внутри цилиндра в обе стороны от крайнего левого положения, называемого верхней мёртвой точкой (ВМТ), до крайне правого, называемого нижней мёртвой точкой (НМТ), и обратно. Возвратно – поступательное движение поршня (3) осуществляется кривошипно – шатунным механизмом (1). С помощью этого механизма работа цикла преобразуется в механическую энергию вращательного движения, используемую потребителем. У левого основания цилиндра (2) вблизи ВМТ расположены два клапана – впускной (5) и выхлопной (4), которые могут открываться и закрываться специальным механизмом, называемым механизмом газораспределения. Так же установлена электрическая свеча зажигания (6).

Рабочий процесс начинается при движении поршня от ВМТ к НМТ вправо при открытом впускном клапане. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь (воздух с испарившимся бензином), которая предварительно образуется в карбюраторе. Вместо карбюратора применяется также непосредственный дозированный впрыск бензина в воздушный поток. В идеальном представлении процесс заполнения О – Н на рис. 5.18. происходит при постоянном давлении, но в действительности давление несколько пониженное. Процесс О – Н не входит в состав цикла, осуществляется не в закрытой, а в открытой термодинамической системе с переменной массой рабочего тела. Процесс заканчивается в точке “Н” при положении поршня в НМТ, и впускной клапан закрывается.

Цикл начинается в точке “Н” и происходит при постоянной массе рабочего тела. От точки “Н” осуществляется процесс сжатия по обратимой адиабате до точки “К” при движении поршня влево от НМТ к ВМТ. Оба клапана впускной и выпускной закрыты. В точке “К” от разряда в свече зажигания бензино– воздушная смесь воспламеняется и происходит её сгорание в течение очень короткого времени. Осуществляется подвод теплоты q₁ в идеальном представлении в изохорном процессе υ_К = υ_Г = const, давление и температура газа резко повышаются.

Рис. 5.18. Изображение идеального цикла ДВС с подводом тепла при постоянном объёме в диаграммах состояния: 1 – кривошипно-шатунный механизм; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – выхлопной клапан; 5 – впускной клапан; 6 – свеча зажигания

В реальном цикле зажигание смеси осуществляется ещё до подхода поршня к ВМТ, а процесс сгорания заканчивается после начала движения поршня вправо. Таким образом, реальный процесс теплоподвода не является строго изохорным.

От точки “Г” до точки “С” происходит расширение рабочего тела по обратимой адиабате при перемещении поршня вправо ВМТ к НМТ (рис. 5.18.). В точке “С” в идеальном представлении открывается выпускной клапан, и продукты сгорания выбрасываются в окружающую среду, где отводимая теплота q₂ рассеивается. Процесс теплоотвода происходит в изохорном процессе υ_С = υ_Н = const, температура и давление рабочего тела резко снижаются. Рабочее тело возвращается в исходное состояние в точке “Н”, и обратимый цикл завершается. В реальном цикле выпускной клапан открывается ещё до подхода поршня к НМТ, а выхлоп продолжается при движении поршня влево от НМТ, т.е. процесс теплоотвода далеко не является строго изохорным.

После завершения идеального цикла рабочий процесс ДВС ещё продолжается при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытом выпускном клапане. Происходит выброс продуктов сгорания из цилиндра в атмосферу. В точке “О” на рис. 5.18. выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. Только после этого завершается рабочий процесс ДВС, и вновь начинается процесс всасывания бензино–воздушной смеси. Процесс Н – О не входит в состав процессов идеального цикла и в реальных условиях происходит при несколько избыточном давлении.

Таким образом, идеальный цикл Отто состоит из двух обратимых адиабат Н – К и Г – С и двух изохор К – Г и С – Н и осуществляется за два хода поршня – от НМТ к ВМТ (сжатие) и от ВМТ к НМТ (расширение), т.е. за один оборот вала кривошипно–шатунного механизма. Рабочий процесс ДВС включает еще два процесса – всасывания О – Н и выталкивания Н – О, также осуществляемых за один оборот вала. Таким образом, весь рабочий процесс ДВС совершается за два оборота вала кривошипно–шатунного механизма, а поршень перемещается от ВМТ к НМТ и обратно 4 раза. Одно перемещение поршня называют тактом ДВС. Поэтому описанный рабочий процесс ДВС называют четырехтактным. (Заметим, что существуют и двухтактные ДВС, у которых за один такт или ход поршня осуществляются сразу по два процесса: в одном – всасывание и сжатие, а в другом – расширение и выхлоп).

Из всех 4-х тактов рабочего процесса ДВС только в одном из них – в процессе расширения Г – С на рис. 5.18. происходит передача механической энергии потребителю. Поэтому этот процесс или такт называют рабочим ходом поршня от ВМТ к НМТ. В остальных 3-х тактах энергия на движение поршня только затрачивается в основном в такте сжатия рабочего тела в процессе Н – К. Эта энергия поступает от накопленного маховиком кривошипно–шатунного механизма за единственный такт – рабочий ход поршня, имея в виду, что энергия направляется и потребителю, ради чего собственно и осуществляется цикл ДВС.

Заметим, что ДВС, работающие по циклу Отто иногда называют карбюраторными (что не совсем справедливо) или двигателями легкого топлива, поскольку они используют бензин, более “легкий” по сравнению с дизельным топливом.

Перейдём к рассмотрению энергетических показателей обратимого цикла Отто. Количества подведённой и q₁ и отведённой q₂ теплоты в изохорных процессах К – Г и С – Н определяются уравнением (q_υ = c_υ·∆T), которое с учётом обозначений на рис. 5.18. запишется в виде

^{, (5.59)}

^{. (5.60)}

Отсюда получим уравнение для термического КПД, используя исходное уравнение (4.4)

. (5.61)

Из уравнения обратимой адиабаты , заменив отношение давлений обратным отношением удельных объёмов по уравнению , с учётом обозначений на рис. 5.18. получим для обратимых адиабат Н – К и Г – С следующие соотношения

или ^{. (5.62)}

В теории ДВС сжатие рабочего тела принято оценивать отношением максимального и минимального удельных объёмов (или объёмов цилиндра), которое называется степенью сжатия:

^{. (5.63)}

(В отличие от степени повышения давления _К, как отношения давлений в конце и в начале сжатия в теории ГТД). С учётом соотношений (5.62), (5.63) уравнение (5.61) приобретает следующий вид:

^{. (5.64)}

Как видно, термический КПД зависит только от одного параметра цикла – степени сжатия . С ростом  термический КПД непрерывно повышается, и выгодно осуществлять, возможно, большие значения . Однако, в двигателях Отто из-за сжатия не воздуха, а бензино–воздушной смеси и увеличения её температуры максимальные значения  ограничиваются возникновением детонации (взрывного горения), что недопустимо. В зависимости, главным образом, от качества бензина (его антидетонационных свойств) в двигателях Отто значения лежат в диапазоне   7…12. Как показывает практика, большие значения исключены. Например, при  = 10, _t = 0,521, T_К = 691 K. Степень ^{повышения давления .}

Характерной особенностью ДВС (в отличие от ГТД) является возможность осуществить предельно высокую температуру в процессе сгорания К – Г. Процесс сгорания весьма кратковременный (доли секунды), а затем следуют 3 хода поршня и процесс выхлопа С – Н. Конструктивные элементы в зоне горения успевают охладиться к началу следующего процесса горения. Кроме того, цилиндр снаружи охлаждается либо водой, либо воздухом, для чего предусматривается внешнее оребрение. Но это охлаждение гораздо менее существенно, чем периодичность сгорания. В результате с самого начала появления ДВС вопрос о повышении температуры не возникал, а для ГТУ с непрерывным процессом горения был и остаётся одним из основных.

Теплота, подводимая в изохорном процессе q_υ = q₁ в двигателе Отто, по существу является заданной. Она определяется как максимально возможная при сгорании топлива в количестве, необходимом для полного сгорания, т.е. при использовании всего кислорода, содержащегося в воздухе. На 1 кг бензино–воздушной смеси выделяемая теплота составляет q₁  2 600 кДж/кг. Уравнение (для изохорного процесса q_υ = С_υ·∆T) для q_υ = q₁ используется для определения максимальной температуры

^{. (5.65)}

Эта температура получается очень высокой, порядка 2800...3000 К и совершенно недоступна для ГТД.

Полезную работу цикла можно определить по исходному уравнению (4.11). С учётом уравнения (5.64) получим

. (5.66)

Поскольку и q₁ = const, то зависимости _t и L_ц от  идентичны. В отличие от ГТУ максимума L_ц по степени сжатия или степени повышения давления нет.

В Теме 4 было показано, что полезная работа равна площади цикла. Реальный цикл ДВС в диаграмме состояния “p-υ” на рис. 5.18. может быть представлен индикаторной диаграммой. Она легко снимается и изображается на дисплее вместе с линиями всасывания и выхлопа О – Н и О – Н непосредственно на работающем двигателе. По отклонениям реальной индикаторной диаграммы от идеального цикла судят о качестве реальных процессов и вносят необходимые изменения в их организацию.