ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

Для анализа работы ДВС и определения основных показателей (индикаторная мощность, механический КПД) на работающем цилиндре записывают с помощью индикатора индикаторную диаграмму, представляющую собой действительный рабочий процесс в цилиндре двигателя.

Действительный рабочий процесс четырехтактного карбюраторного ДВС представлен на рисунке 11.

 

 

Рис. 11. Рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя.

 

Такт всасывания. В начале такта поршень находится в ВМТ. Камера сгорания заполнена продуктами сгорания с давлением, превышающим атмосферное (точка g¢). При движении поршня от ВМТ к НМТ открывается всасывающий клапан 2 и цилиндр заполняется топливовоздушной смесью; процесс всасывания (g-а) протекает при давлении меньше атмосферного (линия m-n).

Такт сжатия. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ; находящаяся в цилиндре топливовоздушная смесь (всасывающий 2 и выхлопной 1 клапаны закрыты) сжимается по политропе а – с. Давление в конце сжатия (точка с) в карбюраторных ДВС достигает 1,0…1,5 МПа, температура – 500…650 К. Этих параметров недостаточно для самовоспламенения смеси, поэтому до прихода поршня в ВМТ (угол опережения зажигания) в цилиндр подается электрическая искра.

Такт расширения. Рабочая (горючая) смесь у карбюраторных ДВС сгорает практически при постоянном объеме (линия c – z). В точке z давление в цилиндре достигает 3,0…5,0 МПа, а температура 2000…2500 К. Расширяясь (линия c-z-b), продукты сгорания перемещают поршень от ВМТ к НМТ, совершая при этом механическую работу, которая в виде крутящего момента передается маховику.

Такт выхлопа отработавших газов. Поршень движется от НМТ к ВМТ; процесс происходит по линии b- g¢ при давлении 0,105…0,115 МПа, то есть несколько выше атмосферного, а температура выхлопных газов достигает 900…1000 К.

Далее все процессы повторяются. Таким образом, рабочий процесс четырехтактного ДВС осуществляется за четыре хода поршня, то есть за два оборота коленчатого вала.

Рассмотренный рабочий процесс действительного ДВС протекает при потере теплоты, трении, реакции горения топлива и при переменной массе газов. Это затрудняет анализ работы ДВС с точки зрения термодинамики. В связи с этим рабочие процессы действительных ДВС заменяют идеальными циклами, которые отличаются введением следующих упрощений:

1) считается, что в цикле участвует одно и то же количество рабочего тела (1 кг);

2) считается, что теплота q₁ подводится от горячего источника, а не является результатом химических реакций (сгорания), происходящих внутри цилиндра двигателя;

3) не учитываются потери в окружающую среду, а учитывается только одна основная потеря теплоты q₂ и процессы сжатия и расширения принимаются адиабатными;

4) все процессы цикла принимают равновесными, обратимыми.

Для того чтобы результаты исследования идеальных циклов можно было перенести на действительные рабочие процессы, в расчеты вводят опытные коэффициенты.

 

Рис. 12. rJ(а)- и Ts(б)-диаграммы цикла ДВС с подводом теплоты при J = const.

 

 

По способу подвода теплоты к рабочему телу различают три идеальных цикла ДВС: при J = const; при r = const; при J = const и r = const, или цикле со смешанным подводом теплоты.

1. Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (J = const) является теоретической основой действительного рабочего процесса карбюраторного двигателя. Цикл состоит из двух адиабатных и двух изохорных термодинамических процессов. Графическое изображение идеального цикла в rJ- и Ts-координатах приведено на рисунке 12, а, б.

Отношение начального объема J₁ к конечному J₂ называется степенью сжатия e:

 

e = J₁/J₂. (96)

 

Степень сжатия определяет величину термического КПД цикла, ограничивается в карбюраторных ДВС самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9…10.

Работа сжатия в адиабатном процессе 1-2, как указывалось ранее, отрицательна.

В изохорном процессе 2-3 к рабочему телу подводится теплота q₁, эквивалентной теплоте, выделяющейся при сгорании топлива

 

q₁ = c_J (T₃ – T₂). (97)

По адиабате 3-4 газ расширяется до объема J₄ = J₁, совершая при этом положительную работу. Результирующая работа цикла ℓ₀ равна разности работ адиабатных процессов расширения и сжатия и изображается в rJ-диаграмме площадью цикла 1-2-3-4-1.

В изохорном процессе 4-1 от рабочего тела отводится теплота q₂.

 

q₂ = c_J (T₄ – T₁). (98)

 

Полезно используемая теплота в цикле q₀ равна разности подводимой и отводимой теплоты:

 

q₀ = ℓ₀ = q₁ – q₂. (99)

 

В Ts-диаграмме (рис. 12, б) теплота q₀ изображается площадью 1-2-3-4.

Найдем по общему уравнению термический КПД цикла:

 

(100)

 

После выполнения необходимых преобразований получаем следующую расчетную формулу:

 

.

 

Из данной формулы видно, что h_t цикла ДВС с подводом теплоты при J = const возрастает при увеличении степени сжатия e и зависит от физических свойств рабочего тела (коэффициент k).

2. В идеальном цикле ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (r = const) сжимается не топливовоздушная смесь, а воздух, поступающий из атмосферы. Для повышения термического КПД в двигателях этого типа применяют высокие степени сжатия (e = 14…20). Поэтому в цилиндре двигателя в конце сжатия давление воздуха достигает 4,0…4,8 МПа, а температура – 900 ⁰С, что значительно превышает температуру самовоспламенения впрыскиваемого распыленного топлива. Цикл предложен в 1897 г. инженером Дизелем и носит его имя. Жидкое топливо при реальном цикле распиливается воздухом, сжатым специальным компрессором.

Данный цикл в rJ- и Ts-диаграммах показан на рисунке 13, а, б.

В этом цикле рабочее тело из начального состояния 1 адиабатно сжимается (кривая 1-2) до объема J₂ в точке 2. Степень сжатия

 

e = J₁/J₂.

 

В изобарном процессе расширения 2-3 подводимую теплоту q₁ можно вычислить по уравнению

 

q₁ = c_р (T₃ – T₂). (101)

 

 

Рис. 13. rJ(а)- и Ts(б)-диаграммы цикла ДВС с подводом теплоты при r = const.

 

 

Отношение объема J₃ (в точке 3) к объему J₂ (в точке 2) называется степенью предварительного расширения и обозначается r:

 

r = J₃ / J₂ = Т₃ / Т₂. (102)

 

Дальнейшее расширение рабочего тела осуществляется по адиабате (rJ^k = const) 3-4, а в изохорном процессе 4-1 отводится теплота q₂:

 

q₂ = c_J (T₄ – T₁). (103)

 

Термический КПД цикла определяется из общего выражения:

 

(104)

 

После несложных преобразований получаем окончательное выражение термического КПД рассматриваемого цикла:

 

(105)

 

Из данного уравнения следует, что h_t тем выше, чем больше степень сжатия e и чем меньше степень предварительного расширения r.

3. Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (при J = const и r = const) лежит в основе работы всех современных бескомпрессорных дизелей. Этот цикл предложен в 1904 г. русским инженером Тринклером Г. В. и называется циклом Тринклера. В ДВС, работающих по данному циклу, как и в предыдущем случае (в цикле с подводом теплоты при r = const), в цилиндре сжимается воздух, поэтому допускаются те же степени сжатия e » 14…20.

В rJ- и Ts-координатах цикл со смешанным подводом теплоты изображен на рисунке 14, а, б.

Отношение давления r₃ к давлению r₂ называется степенью повышения давления и обозначается l:

 

l = r₃ / r₂. (106)

 

Термический КПД цикла определяется из выражения:

 

h_t = 1 – q₂/q₁ = 1 – q₂ / (q¢₁ + q²₁). (107)

 

После подстановки в данную формулу выражений для q¢₁, q²₁, q₂ и выполнения необходимых преобразований получим расчетное уравнение термического КПД в виде:

 

(108)

 

 

Рис. 14. rJ(а)- и Ts(б)-диаграммы цикла ДВС с подводом теплоты при r = const и при J = const.

 

Рис. 15. Сравнение циклов ДВС при одинаковых максимальных и минимальных температурах и давлениях.

 

 

Из этого выражения видно, что термический КПД цикла повышается с увеличением степени сжатия e и степени повышения давления l; увеличение степени предварительного расширения r отрицательно влияет на величину термического КПД.

Сравнив экономичность рассмотренных выше идеальных циклов ДВС при одинаковых параметрах рабочего тела в конце процессов подвода теплоты, видим, что термический КПД идеального газа цикла ДВС с подводом теплоты при r = const теоретически несколько больше, чем в идеальном цикле со смешанным подводом теплоты, и значительно больше, чем в цикле с подводом теплоты при J = const, то есть:

 

h^(p)_t> h _t^{(p, J)} > h^(J)_t.

 

Это положение наглядно показано на рисунке 15, а, б.