ЦИКЛЫ  ПОРШНЕВЫХ  ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

1.  Краткие  исторические  сведения

    Вся история развития двигателей внутреннего сгорания подвержена основной движущей силе - увеличение КПД ДВС.  

  Первым, кто указал на возможность создания двигателей внутреннего сгорания, является Сади Карно. Идеи, высказанные им в работе «Размышления о движущей силе огня», в дальнейшем были полностью реализованы.

      В 1860 г. Француз Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работавший на газе. Однако он не получил широкого распространения ввиду того, что имел низкий кпд (не выше, чем кпд паровых машин).

    В 1862 г. французский инженер Бо-де-Роша предложил (запатентовал) двигатель, принципы создания которого совпадали с идеями Карно. Эти принципы были осуществлены немецким инженером Отто в созданном им в 1877 г. бензиновом двигателе.

      В 1897 г. немецким инженером Дизелем был разработан двигатель высокого сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось воздухом высокого давления, полученного от компрессора.

      В 1904 г. русский инженер Г.В.Тринклер построил бескомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива - сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в настоящее время широкое распространение.

2.  Классификация  ДВС

      Все современные  двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы:

1.    Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто).

2.    Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля).

3.    Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const  (цикл Тринклера).

      При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла.

3.  Циклы  ДВС  с  подводом  теплоты при постоянном объеме

      Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора - индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис.1.



Рис.1

При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (линия 0-1). Эта линия не является термодинамическим процессом, так как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Кривой 1-2 (линия сжатия) изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается кривой 2-3. В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают. Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении несколько большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа.

      В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с чем, рассмотренные двигатели называются четырехтактными.

      Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня и проч.

      Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: рабочее тело -идеальный газ с постоянной теплоемкостью; количество рабочего тела постоянно; между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты.

      Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их кпд. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а  pv - диаграммой его цикла.

      Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv координатах представлен на рис. 2.

      Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁,T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q₁. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема v₄=v₁. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются:

- Степень сжатия;

-Степень повышения давления;

 Рис. 2

Количество подведенной и отведенной теплоты определяются по формулам:

 Подставляя эти значения теплот в формулу для термического кпд, получим:

Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.

Точка 2.

откуда получаем

  Точка 3.

откуда получаем

Точка 4.

откуда получаем

С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид

Формула 1.

И з последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия e и показателя адиабаты k.

      Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.

Работа цикла определяется по формуле:

 Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.

4.  Циклы  ДВС  с  подводом  теплоты

при   постоянном  давлении

      Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия.     Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут, смолы и проч.

      В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до e =20 ), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.

            Рассмотрим идеальный цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении в pv- диаграмме рис.3

 Рис.3

Этот цикл осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты  q₁. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты q₂. Характеристиками  цикла являются :

Степень сжатия -

 Степень предварительного расширения -

Количество подведенной и отведенной теплот определяются по формулам:

Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей c_p  и  c_v  и их отношения  k=c_p /c_v будет:

Параметры рабочего тела в характерных точках цикла будут:

Точка 2.

откуда получаем:

 Точка 3.

откуда получаем:

Точка 4.

Так как

то

Подставляя полученные значения температур в формулу для кпд, получим

Формула 2

Отсюда следует, что с увеличением e и k кпд увеличивается, а с увеличением r - уменьшается.

Работа цикла определяется по формуле:

Сравнения кпд циклов ДВС с подводом теплоты при p = const и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных  e  показывают, что

При этом степень сжатия e  в цикле с подводом теплоты при p = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при  v = const  .

Величина  e  в цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует e = 14 -18.

5.  Цикл  ДВС  со  смешанным  подводом  теплоты

      Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя.

      С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении. На рис. 4 представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv - координатах.

  Рис 4.

В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты q1 штрих , а в изобарном процессе 3-4 - вторая - q1 два штриха. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты  q₂ в теплоприемник.

Характеристиками  цикла являются :

Степень сжатия -

 Степень  повышения давления -

Степень предварительного расширения -

Количества подведенной

и отведенной q₂ теплот определяются по формулам:

Термический кпд цикла будет:

Найдем параметры рабочего тела в характерных точках цикла.

Точка 2.

откуда получаем

Точка 3.

Точка 4.

Точка 5.

Подставив найденные значения температур в формулу для кпд, будем иметь:

Формула 3

Отсюда следует, что с увеличением k, e и l кпд цикла возрастает, а с увеличением r уменьшается.

            Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты. Если положить что лямбда = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном объеме ( P2 =P3 )),  то формула (3) приводится к формуле (2), т.е. к формуле для кпд цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Если принять p=1(что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном давлении ( V3 = V4 )), то формула (3) приводится к формуле (1) для кпд цикла с изохорным подводом теплоты.

Цикл со смешанным подводом теплоты лежит в основе работы большинства современных дизелей.



PS

1. В тексте обнаружены не точности в описание формул связанные с изменением символов при переносе в HTML - будьте осторожны . В ближайшее время текст будет проверен и исправлен.

2. Информация взята с моих личных лекций по Термодинамике (вроде бы О_о)

Ключевые слова: Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, рабочие циклы двс, циклы поршневых двс, термодинамические циклы двс, теоретические циклы двс, классификация ДВС, циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме, циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении, циклы ДВС со смешанным подводом теплоты, теория работы ДВС.

Последний раз редактировалось 12.08.2011г