Лекции

11.1 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигателями внутреннего сгорания (д.в.с.) называются тепловые двигатели, рабочим телом которых служат газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри самого двигателя. Обычно это название применяется к двигателям, отличительной чертой которых является поршневая конструкция.

Поршневые д.в.с. по характеру рабочего цикла делятся на двигатели быстрого сгорания с искровым зажиганием топливно-воздушной смеси и двигатели постепенного сгорания, характеризующиеся самовоспламенением топлива.

К двигателям быстрого сгорания относится большинство двигателей, работающих на газообразном топливе, а в основном – карбюраторные двигатели, работающие на бензине и керосине.

К двигателям постепенного сгорания относятся дизели, работающие на соляровом масле (быстроходные дизели) или на тяжелых моторных топливах (тихоходные дизели).

Все поршневые д.в.с. делятся на двухтактные и четырехтактные. Двухтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, т. е. на один оборот вала. Четырехтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на четыре хода поршня, т. е. на два оборота вала.

Д ля выявления основных особенностей двигателей быстрого сгорания рассмотрим устройство и работу четырехтактного карбюраторного двигателя (рис. 11.1).

Рисунок 11.1

тот двигатель в общих чертах состоит из нескольких цилиндров 1, объединенных в единый блок. В каждом цилиндре находится поршень 2, совершающий возвратно-поступательное движение, которое шатуном 3 передается на коленчатый вал 4 и приводит его во вращение. В крышке цилиндра имеется всасывающий клапан 5, через который в цилиндр поступает смесь паров топлива с воздухом (горючая смесь), образующаяся в смесительном устройстве - карбюраторе, выхлопной клапан 6, через который из цилиндра удаляются отработавшие газы и запальное устройство (свеча) 7, искровой разряд которой поджигает в нужный момент рабочую смесь.

Рисунок 11.2

арактер реальных процессов в этом двигателе отражает его индикаторная диаграмма, (рис. 11.2), в которой точка 1 соответствует крайнему положению поршня. Когда поршень находится а этом положении, открывается всасывающий клапан в первый ход поршня (сверху вниз) сопровождается всасыванием рабочей смеси из карбюратора в цилиндр по линии 1-2. При подходе поршня к другому крайнему положению (точка 2) всасывающий клапан закрывается и второй ход поршня (снизу вверх) сопровождается сжатием рабочей смеси по линии 2-3. При подходе поршня к крайнему верхнему положению (точка 3) в свече происходит искровой разряд, смесь поджигается и практически мгновенно сгорает с резким повышением давления и температуры (линия. 3-4). Под давлением продуктов сгорания поршень совершает третий ход (сверху вниз), который является рабочим ходом. При этом продукты сгорания расширяются по линии 4-5. Когда поршень подходит к крайнему нижнему положению (точка 5), открывается выхлопной клапан и последний, четвертый ход поршня сопровождается выхлопом отработавших газов по линии 5-1, которая и замыкает рабочий цикл двигателя.

На горизонтальной оси индикаторной диаграммы откладывается объем цилиндра в данный момент, причем отрезок Vc представляет собой объем камеры сжатия, отрезок V_h – полезный объем цилиндра, а отрезок V– его полный объем.

Площадь верхней петли индикаторной диаграммы положительна, поскольку составляющие ее процессы направлены по часовой стрелке. Она представляет собой полезную работу двигателя за один цикл, называемую индикаторной работой.

Площадь нижней петли отрицательна, поскольку составляющие ее процессы направлены против часовой стрелки. Она представляет собой работу, затрачиваемую на всасывание смеси и выхлоп отработавших газов, которую условно относят к механическим потерям и при определении индикаторной мощности двигателя в расчет не принимают.

Рисунок 11.3

Идеализируя рабочий цикл двигателей быстрого сгорания как четырехтактных, так и двухтактных, получаем термодинамический цикл, назыв аемый циклом Отто

(рис. 11.3). В этом цикле адиабата 1-2 соответствует процессу сжатия рабочей смеси, изохора 2-3 – процессу горения топлива, адиабата 3-4 – расширению продуктов сгорания, наконец, изохора 4-1 соответствует в четырехтактном двигателе сразу двум процессам–выхлопу отработавших газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактном двигателе– выхлопу и продувке цилиндра.

Таким образом, идеализация работы двигателя сводится в основном к тому, что химическая реакция горения, сопровождающаяся выделением тепла, заменяется обратимым подводом тепла извне, а смена рабочего тела заменяется процессом, происходящим с одним и тем же рабочим телом, но сопровождающиеся отводом тепла.

Термический к.п.д. цикла Отто составляет

Разделив и умножив числитель дроби на Т₁, а знаменатель на Т₂, получим

Сравнив адиабаты 1-2 и 3-4, можно показать, что

и, следовательно,

. (11.1)

Основной характеристикой цикла Отто является степень сжатия , т. е. отношение всего объема цилиндра к объему камеры сжатия. Чтобы найти зависимость термического к.п.д. oт степени сжатия, используем формулу (4.16)

откуда получаем

. (11.2)

Из этого выражения видно, что термический к.п.д. цикла Отто зависит только от степени сжатия и с ее, увеличением возрастает.

П редел повышению степени сжатия в двигателе быстрого сгорания ставится тем условием, что в конце сжатия температура в цилиндре не должна достигать температуры самовоспламенения топлива Это обстоятельство ограничивает степень сжатия величиной от 4 до 10, в зависимости от характеристик сжигаемого топлива. Поэтому такие двигатели называют двигателями низкого сжатия.

Переходя к циклам двигателей постепенного сгорания рассмотрим устройство и работу четырехтактного дизеля (рис. 11.4). Главные части этого двигателя – цилиндр 1, поршень 2, шатун 3 и коленчатый вал 4. В крышке имеются всасывающий клапан 5, выхлопной клапан 6 и форсунка 7.

Рисунок 11.4

а индикаторной диаграмме двигателя (рис. 11.5) точка 1 соответ- ствует крайнему верхнему положению поршня. Когда поршень подходит к этому положению, открывается всасывающий клапан и начинается первый ход поршня сверху вниз со всасыванием наружного воздуха. Этот процесс идет при небольшом разрежении в цилиндре и изображается линией 1-2. Перед началом следующего хода поршня всасывающий клапан закрывается и второй ход поршня (снизу вверх) сопровождается сжатием воздуха по линии 2-3.

С тепень сжатая в этих двигателях бывает высокой (ε = 12÷20), поэтому при сжатии воздуха сильно повышается давление, а вместе с ним и температура, которая в конце сжатия получается на 200 – 300°С выше температуры самовоспламенения топлива. Поэтому, когда в начале третьего хода (сверху вниз) через форсунку впрыскивается порция топлива, последнее по мере поступления в цилиндр воспламеняется и сгорает.

Рисунок 11.5

а время сгорания топлива поршень успевает отойти от своего крайнего положения на некоторую часть хода, поэтому при горении давление не возрастает резко, как в двигателях быстрого сгорания, а остается более или менее постоянным и процесс горения изображается линией 3-4, близкой к горизонтали.

Остальная часть третьего хода поршня сопровождается расширением продуктов сгорания по линии 4-5, поэтому этот ход является рабочим.

Перед началом следующего хода открывается выхлопной клапан и во время четвертого хода (снизу вверх) отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Этот процесс происходит при давлении в цилиндре несколько большем, чем атмосферное, и изображается линией 5-1.

Рабочий цикл двухтактных дизелей отличается от описанного в основном тем, что процессы всасывания воздуха и выхлопа отработавших газов заменяются продувкой цилиндра воздухом.

Рисунок 11.6

деализируя рабочий цикл двигателей постепенного сгорания как четырехтактных, так и двухтактных, получаем термодинамический цикл, н азываемый циклом Дизеля (рис. 11.6). В этом цикле адиабата 1-2 соответствует сжатию воздуха в цилиндре, изобара 2-3 – горению топлива, адиабата 3-4 – расширению продуктов сгорания и, наконец, изохора 4-1 соответствует в четырехтактных двигателях выхлопу отработавших газов и всасыванию новой порции воздуха, а в двухтактных – продувке цилиндра.

Общее выражение для термического к.п.д. в данном случае принимает вид

или после деления и умножения числителя дроби на Т₁, а знаменателя на Т₂

Основными характеристиками цикла Дизеля являются степень сжатия и степень предварительного расширения . Чтобы выразить η_Т как функцию этих характеристик, установим следующие соотношения.

Для изобары 2-3 имеем

;

для адиабаты 1-2

Наконец, для изохоры 4-1, поскольку , имеем

Из приведенных соотношений окончательно получим

. (11.3)

Из этого выражения видно, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия ε, с увеличением которой термический к.п.д. цикла возрастает. В данном случае предел повышению степени сжатия устанавливается, допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к чрезмерному утяжелению двигателя и увеличению потерь на трение. Исходя из этих соображений, а также учитывая условие, что в конце сжатия температура в цилиндре должна значительно превышать температуру самовоспламенения топлива, обычно и выбирают степень сжатия в указанных выше пределах.

Вторым фактором, влияющим на экономичность рассматриваемых двигателей, является степень предварительного расширения ρ. Величина ее зависит от количества топлива, вводимого в цилиндр за один рабочий цикл, т.е. от нагрузки двигателя, с увеличением которой увеличивается и ρ. Как видно из последнего выражения, термический к. п. д. с увеличением ρ уменьшается, поскольку ρ >1 и k>1, а следовательно, числитель, второго члена с увеличением ρ возрастает больше, чем знаменатель. Отсюда следует вывод, что с увеличением нагрузки двигателя термический к. п. д. его цикла уменьшается, что и следует учитывать наряду с другими обстоятельствами, не paccматриваемыми здесь, при установлении оптимального режима работы двигателя.

Произведем сравнение циклов Отто и Дизеля, воспользовавшись методом среднеинтегральных температур.

Сначала рассмотрим случай, когда в этих циклах одинаковы степени сжатия и максимальные температуры.

Рисунок 11.7

ля удобства совместим сравниваемые циклы в Ts-диаграмме, как показано на рис. 11.7, приняв одинаковыми исходные параметры рабочего тела. При этом цикл Отто изображается фигурой 1-2-3-4-1, а цикл Дизеля – фигурой 1-2-3^/-4^/-1. Исходя из формулы (5.26) и обозначая среднеинтегральную температуру подвода тепла через Т ^/, а среднеинтегральную температуру отвода тепла через Т ^//, получаем в рассматриваемом случае , поэтому

т.е. термический к.п.д. цикла Отто больше, чем термический к.п.д. цикла Дизеля.

Теперь произведем сравнение для того случая, когда в этих циклах одинаковы м аксимальные температуры и давления. Совмещая цикл Отто 1-2^/ -3-4-1 и цикл Дизеля 1-2-3-4-1 в Ts –диаграмме (рис. 11.8), получаем, что , откуда

Рисунок 11.8

.е. термический к.п.д. цикла Дизеля больше, чем термический к.п.д. цикла Отто.

Анализируя полученные выводы, можно прийти к заключению, что было бы целесообразным построить цикл таким образом, чтобы подвод тепла в нем происходил бы сначала при = const, а затем, когда давление дойдет до поставленного предела, подвод тепла продолжался бы при

р= const. Таким образом, в заданном пределе механических напряжений будет максимально использован более выгодный процесс подвода тепла при пос тоянном объеме. По такому циклу, носящему название цикла Тринклера (рис. 11.9), paботают современные бескомпрессорные дизели.

Рисунок 11.9

этом цикле адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре чистого воздуха с повышением его температуры выше температуры самовоспламенения топлива. Изохора 2-3 соответствует практически мгновенному сгоранию первой части порции топлива, поступающей в цилиндр в мелкодисперсном виде и уже успевшей к моменту самовоспламенения образовать с частью воздуха горючую смесь. Изобара 3-4 соответствует горению остальной части порции топлива, сгорающей постепенно по мере поступления из форсунки. Адиабата 4-5 соответствует расширению продуктов сгорания, а изохора 5-1, как и в цикле Дизеля,– смене рабочего тела.

Термический к.п.д. цикла Тринклера можно определить в общем виде из формулы

К основным характеристикам цикла Тринклера относится, помимо степени сжатия ε и степени предварительного расширения ρ, еще и степень повышения давления . Для того, чтобы выразить термический к. п. д. цикла через указанные характеристики, предварительно разделим и умножим числитель второго члена на Т₁, а знаменатель на Т₂. Тогда получим

Далее, с целью замены отношений температур на выражения, содержащие только ε, λ и ρ, установим следующие соотношения.

Для адиабаты 1-2 имеем

Для изохоры 2-3 и изобары 3-4 имеем

откуда получаем

Для изохоры 5-1, учитывая, что , ,

, имеем

Соответственно полученным соотношениям выражение для термического к.п.д. цикла Тринклера принимает вид

. (11.4)

Легко заметить, что выражения для термических к. п. д. циклов Дизеля и Отто являются частными случаями этого более общего выражения. Действительно, если положить λ =1 , то из него получится формула для термического к. п. д. цикла Дизеля, а при ρ =1 получится формула для термического к. п. д. цикла Отто.

Содержание