ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

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, получаемого 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.

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.

§ 9.3. ЦИКЛЫ ДВС С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЁМЕ

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. 9.1.

Рис. 9.1

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, a pv - диаграммой его цикла.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным под­золом теплоты. Цикл pv - координатах представлен на рис. 9.2.

Идеальный газ с начальными параметрами р₁, v₁, T₁сжимается 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 q₂в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются: - степень сжатия; - степень повышения давления.

Рис. 9.2

Количество подведенной и отведенной теплоты определяется по формулам

;

.

Подставляя эти значения теплоты в формулу для термического кпд, получим

.

Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.

Точка 2.

;

;

.

Отсюда

.

Точка 3.

;

;

.

Отсюда

.

Точка 4.

;

;

.

Отсюда

.

С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид

. (9.1)

Из последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия ε 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.