Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Первые поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) работали на газообразном топливе, используя светильный газ. Значительный вклад в развитие таких двигателей внес немецкий изобретатель Н.Отто, разработавший двигатель с предварительным сжатием и искровым зажиганием.

Несколько позднее Рудольф Дизель разработал двигатель, до сих пор носящий его имя, в котором используется специальное дизельное топливо. Благодаря высокой концентрации энергии в единице объема, оно практически вытеснило газообразное топливо в двигателях внутреннего сгорания.

Рассмотрим следующие основные циклы ДВС, работающие на жидком топливе при различных способах воспламенения топлива или при различных способах подвода теплоты.

Различают следующие циклы ДВС. Двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (Р = const) и двигатели, работаю-

щие по смешанному циклу.

Идеальный цикл ДВС при подводе теплоты V = const (цикл Отто) в P-V и T-S диаграммах представлен на рис.7.1.

Рис.7.1. Идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при V = const в P-V и T-S диаграммах

В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламеняемого от электрической искры и подводу теплоты q_1. Рабочий ход поршня осуществляется при адиабатическом расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты q₂ осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей выхлопу отработанных газов в атмосферу.

Термический КПД рассматриваемого цикла, характеризующий эффективность использования теплоты сжигаемого топлива, вычисляется следующим образом:

. (7.1)

Сравнение адиабат 1-2 и 3-4 позволяет сделать вывод, что

(7.2)

и, следовательно, получить

. (7.3)

Отношение всего объема рабочего цилиндра V₁ к объему камеры сжатия V₂ называется степенью сжатия и является основной характеристикой цикла Отто

. (7.4)

Для адиабатического процесса справедливо следующее соотношение, устанавливающее связь между V и Т:

, (7.5)

которое позволяет записать уравнение для термического КПД в следующем виде:

. (7.6)

Из последнего соотношения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия и с ее увеличением возрастает. При этом температура в конце сжатия Т₂ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10 и зависит от характеристик применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле может быть повышена, ес­ли сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем, полу­чив высокие давление и температуру, обеспечить само­воспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеальный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеляи осуществляется следую­щим образом (рис. 7.2). Рабочее тело (воздух) сжи­мается по адиабате 1-2, изобарный процесс 2-3 соот­ветствует процессу горения топлива, т.е. подводу теп­лоты q₁ а рабочий ход выражен адиабатным расшире­нием продуктов сгорания 3-4. Наконец, изохора 4-1характеризует отвод теплоты q₂, заменяя для четырех­тактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и вса­сывание новой порции воздуха.

Формула для расчета термического КПД в этом слу­чае принимает вид

. (7.7)

Кроме степени сжатия , у цикла Дизеля имеется еще одна характеристика - степень предварительного расширения :

. (7.8)

Рис.7.2. Идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при Р = const (цикл Дизеля) в P-V и T-S диаграммах

Для изобары 2-3 можно записать V₃/V₂=Т₃/Т₂. Рас­сматривая изохору 4-1 и учитывая, что P₄V^k₄=P₃V^k₃, P₁V^k₁=P₂V^k₂ и V₄=V₁ , получаем

. (7.9)

Окончательно с учетом соотношения (7.9) формула для расчета термического КПД цикла Дизеля имеет вид:

. (7.10)

Выражение (7.10) показывает, что основным факто­ром, определяющим экономичность двигателей, рабо­тающих по циклу Дизеля, также является величина степени сжа­тия , с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Как указывалось, нижний предел опреде­лен необходимостью получения в конце сжатия темпе­ратуры, значительно превышающей температуру само­воспламенения топлива. Верхний предел (до 20) огра­ничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увели­чению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения вызывает снижение термиче­ского КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать наряду с другими обстоятельствами при определении оптималь­ного режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные беском­прессорные дизели (рис.7.3), осуществляется по сле­дующей схеме. Адиабата 1-2соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей тем­пературу самовоспламенения топлива. Изохора 2-3 со­ответствует процессу горения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки. Расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5, а изохора 5-1соответствует выхлопу отработавших газов в атмосферу. Таким образом, теп­лота q₁подводится в двух процессах 2-3 и 3-4.

q₁= q₁¹ + q₁² . (7.11)

Рис.7.3. Идеальный цикл Тринклера со смешанным подводом теплоты в P-V и T-S диаграммах

Выражение для термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты записывается в следующем виде:

. (7.12)

Параметр называется степенью повышения давления в изохорном процессеи рассчитывается по формуле

= Рз/Р₂ . (7.13)

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, рас­пыление топлива производится топливным насосом высоко­го давления, а компрессор, применяемый при пневма­тическом распылении топлива, отсутствует. Степень сжатия в рассматриваемом цикле может достигать 18.

Выражение (7.12) является об­щим для циклов поршневых ДВС и при =1 и =1 пе­реходит в соответствующие формулы для термического КПД циклов с подво­дом теплоты при постоян­ном давлении или посто­янном объеме. Сравнение эффектив­ности рассмотренных цик­лов проведем с помощью T-S диаграммы (рис. 7.4), пред­положив, что в каждом из них достигается одинако­вая максимальная темпе­ратура Т₃. Одинаковы и количества отведенной теплоты q₂в каждом цикле (площадь 14ав). При таких условиях полезно используемая теплота цикла, равная полезной ра­боте цикла, будет наибольшей для цикла Дизеля 12'34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 1dс34занимает промежуточное положение.

Рис.7.4. Идеальные циклы ДВС при V=const, P=const и цикл Тринклера с одинаковой температурой Т₃

Таким образом, термический КПД, характеризую­щий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла с под­водом теплоты при постоянном объеме.