ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Как видно из самого названия, двигатель внутрен­него сгорания представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топ­лива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях яв­ляется на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняю­щимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидко­го или газообразного топлива (бензин, керосин, соляровое масло .и Др.)- В газовых двигателях давления рабочего тела не слишком вы­соки и температуры его намного превышают критические, что позволяет с хорошим приближением рассматривать рабочее тело как идеальный газ; это существенно упрощает термодинамический анализ цикла.

Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей. Во-первых, благодаря тому что у двигателя внутреннего сгорания го­рячий источник теплоты находится как бы внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, че­рез которые осуществляется подвод теплоты от горячего источника к рабочему телу. Это приводит к большей компактности двигателей внут­реннего сгорания, например, по сравнению с паросиловыми установка­ми. Второе преимущество двигателей внутреннего сгорания состоит в следующем. В тех тепловых двигателях, в которых подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника, верхний предел температуры рабочего тела в цикле ограничивается темпе­ратурой, допустимой для конструкционных материалов (так, повышение температуры водяного пара в паротурбинных установках лимити­руется свойствами сталей, из которых изготовляются элементы паро­вого котла и паровой турбины; с ростом температуры, как известно, снижается предел прочности материала). В двигателях же внутреннего сгорания предельное значение непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего теплоту не через стенки двигателя, а за счет тепловыделений в объеме самого рабочего тела, может сущест­венно превосходить этот предел. При этом надо еще иметь в виду, что стенки цилиндра и головки блока цилиндров имеют принудительное ох­лаждение, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический КПД.

Двигатели внутреннего сгорания (поршневого типа) широко исполь­зуются в технике (в автомашинах, тракторах, самолетах старых типов и т. д.).

Основным элементом любого поршневого двигателя является ци­линдр с поршнем, соединенным посредством кривошипно-шатунного ме­ханизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасыва­ние рабочего тела (воздуха.или горючей смеси), а через другое — выб­рос рабочего тела по завершении цикла.

Различают три основных вида циклов поршневых двигателей внут­реннего сгорания: цикл Отто (сгорание при V=const); цикл Дизеля (сгорание при р —const); цикл Тринклера (сгорание при V=const и затем при p=const).

Рассмотрим цикл Отто (названный так по имени немецкого кон­структора Н. А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.). Схема дви­гателя, работающего по циклу Отто, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рис. 10.1.

 

 

Поршень 1 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженном всасывающим III и выхлопным IV клапанами. В про­цессе а-1поршень движется слева направо, в цилиндре создается раз­режение, открывается всасывающий клапан III и в цилиндр подается горючая смесь, приготовленная в специальном устройстве — карбюрато­ре. Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с некото­рым количеством паров бензина (или другого горючего). После того как поршень дойдет до крайнего правого положения, процесс заполнения цилиндра горючей смесью заканчивается и всасывающий клапан закры­вается, поршень начинает двигаться в обратном направлении — справа налево. При этом горючая смесь в цилиндре сжимается и ее давление возрастает (процесс 1-2). После того как давление смеси в цилиндре достигает определенного значения, соответствующего точке 2 на инди­каторной диаграмме, с помощью электрической свечи V производится поджигание горючей смеси. Процесс сгорания смеси происходит практи­чески мгновенно, поршень не успевает переместиться, и поэтому процесс сгорания можно считать изохорным. В процессе сгорания выделяется теплота, за счет которой рабочее тело, находящееся в цилиндре, нагре­вается и его давление повышается до значения, соответствующего точке 3 на индикаторной диаграмме. Под действием этого давления поршень вновь перемещается вправо, совершая при этом работу расширения, от­даваемую внешнему потребителю. После того как поршень дойдет до правой мертвой точки, с помощью специального устройства открывается выхлопной клапан IV и давление в цилиндре снижается до значения, не­сколько превышающего атмосферное (процесс 4-5); при этом часть газа выходит из цилиндра. Затем поршень вновь движется влево, выталкивая из цилиндра в атмосферу оставшуюся часть отработавших газов*.

После этого начинается новый цикл — всасывание следующей порции горючей смеси и т. д.

Таким образом, поршень в цилиндре двигателя, работающего по цик­лу Отто, в течение одного цикла совершает четыре хода (такта) — всасы­вание, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продук­тов сгорания в атмосферу.

Термодинамический анализ цикла Отто удобно проводить, рассмат­ривая идеализированный цикл, соответствующий рассмотренной инди­каторной диаграмме. Такой идеализированный цикл Отто представлен в р, у-диаграмме на рис. 10.2, построенной для единицы массы рабочего тела.

Реальный цикл двигателя внутреннего сгорания — это разомкнутый цикл, рабочее тело засасывается извне и по окончании цикла выбрасыва­ется в атмосферу; таким образом, в каждом цикле участвует новая пор-

* Как видно из индикаторной диаграммы, давление в цилиндре в процессе всасыва­ния несколько меньше, а в процессе выхлопа—несколько больше атмосферного в ре­зультате аэродинамического сопротивления обоих клапанов и соответствующих подво­дящих патрубков..

 

ция рабочего тела. Поскольку в горючей смеси, подаваемой в цилиндр двигателя (воздух + топливо), количество топлива относительно невели­ко по сравнению с количеством воздуха, для удобства анализа можно считать, что цикл двигателя внутреннего сгорания является замкнутым, рабочим телом цикла является воздух, количество которого в двигателе остается неизменным, а подвод теплоты q\ к рабочему телу осущест­вляется от внешнего горячего источника через стенку цилиндра в изохорном процессе 2-3 и соответственно отвод теплоты qz от рабочего тела к холодному источнику — в изохорном процессе 4-1. В отношении термо­динамического анализа такой замкнутый цикл не отличается от разомк­нутого цикла Отто.

Поскольку процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) в этом цикле происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой, с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными.

Таким образом, идеализированный замкнутый цикл, термодинамиче­ски эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабата сжа­тия 1-2 и адиабата расширения 3-4) и двух изохор (изохора подвода теплоты 2-3 и изохора отвода теплоты 4-1). Работа, производимая дви­гателем за один цикл, изображается площадью 2-3-4-1-2.

Определим термический КПД цикла Отто.

Количество теплоты, подводимой к рабочему телу в изохорном про­цессе 2-3, определяется уравнением (7.6):

q₁ = c_υ (Т₃-Т₂),

(10.1)

где t₂ и Т₃—температуры рабочего тела соответственно до подвода теп­лоты и после него, a c_υ — средняя теплоемкость рабочего тела в рассмат­риваемом интервале температур (если считать рабочее тело идеальным газом с постоянной теплоемкостью, то тогда c_υ — постоянная теплоем­кость такого газа).

Количество теплоты, отводимой от рабочего тела в изохорном про­цессе 4-1, составляет:

 

q₂ = c_υ (Т₄-Т₁),

(10.2)

где Т4 и Т1 — температуры рабочего тела до отвода теплоты и после него.

Отсюда следует, что в соответствии с общим определением η_т = 1— q₁ /q₂ термический КПД цикла Отто может быть выражен уравнением

 

(10.3)

При условии Cy=const это выражение может быть приведено к сле­дующему виду:

 

(10.4)

Для идеального газа отношение 7УГ2 в адиабатном процессе опре­деляется соотношением (7.60а):

 

Обозначим s отношение удельных объемов рабочего тела до сжатия и после него:

 

ε = υ₁/υ₂

(10.5)

Величина е носит название степени сжатия. С учетом (10.5) уравнение (7.60а) может быть записано следующим образом:

 

(10.6)

 

 

 

 

Для адиабат 1-2 и 3-4 можно написать уравнения Пуассона:

(10.7)

(10.8)

Деля почленно (10.8) на (10,7) и учитывая при этом, что υ₂= υ₃ и υ₄= υ₁, получаем:.

(10.9)

или

(10.10)

 

С учетом (10.10) и (10.6) уравнение (10.4) для термического КПД цикла Отто принимает вид:

(10.11)

Зависимость цикла Отто от ε для κ=1,40 представлена на рис. 10.3.

По уравнению (10.11) термический КПД цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатном процессе 1-2, причем чем больше степень сжатия е, тем выше термический КПД цикла.

Вывод о том, что благодаря применению предварительного сжатия рабочего газа возрастает термический КПД двигателя, весьма важен; в дальнейшем будет показано, что этот вывод справедлив для любых двигателей внутреннего сгорания.

Говоря о циклах двигателей внутреннего сгорания, следует в этой связи упомя­нуть о двигателе, созданном в 1859 г. французским изобретателем Э. Ленуаром. В этом цикле сжигание топлива (светильного газа) в камере сгорания осуществлялось при атмосферном давлении. Термический КПД этого двигателя был весьма мал (3— 4 %).

Вывод о том, что применение предварительного сжатия воздуха позволит резко увеличить термический КПД двигателя, был огромным шагом вперед в развитии тео­рии двигателей внутреннего сгорания. Интересно отметить, что впервые мысль о целе­сообразности предварительного сжатия воздуха перед подачей его в камеру сгорания была высказана С. Карно еще в 1824 г. Впервые схема двигателя со сжатием воздуха и сгоранием при постоянном объеме была предложена в 1862 г. Бо де Роше; впослед­ствии Отто построил двигатель, в котором был осуществлен этот цикл.

Итак, для увеличения т)т выгодно всячески увеличивать степень сжатия. Одна ко практически осуществить сжатие до слишком высоких значений е, сопровождающееся значительным повышением температуры и давления, не удается по той причине, что по достижении определен­ного значения е часто еще до прихода поршня в левое крайнее положе­ние происходит самовоспламенение горючей смеси; как правило, этот процесс носит детонационный характер и разрушает элементы двигателя. Поэтому степень сжатия в обычных карбюраторных двигателях не пре­вышает 7—12. Степень сжатия зависит от качества топлива, повышаясь с улучшением его антидетонационных свойств, характеризуемых октано­вым числом.

 

Теплота q₁, подводимая к рабочему телу в цикле Отто (Г, s-диаграм-ма на рис. 10.4), изображается в Г, s-диаграмме площадью а-2-З-b-а, теплота q₂, отводимая от рабочего тела, — площадью a-l-4-b-a, а рабо­та цикла — площадью 1-2-3-4-1*.

Карбюраторные двигатели, работающие по циклу Отто, широко рас­пространены в технике: они применяются в легковых и многих грузовых автомашинах, на самолетах (с поршневыми двигателями).

Степень сжатия е в цикле может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжа­тия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (названный по имени немецкого инженера Р. Дизеля, постро­ившего в 1897 г. двигатель, работавший по этому циклу). Схема двига­теля, работающего по циклу Дизеля, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рис. 10.5. В процессе а-1 в цилиндр двига­теля засасывается чистый атмосферный воздух; в процессе 1-2 осущест­вляется адиабатное сжатие этого воздуха до давления р₂ (степень сжа­тия в двигателях с циклом Дизеля обычно достигает ε=15-:-16). Затем начинается процесс расширения воздуха и одновременно через специаль­ную форсунку впрыскивается топливо (керосин, соляровое масло). За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от υ₂ к υ₃ при p=const. Поэтому цикл Дизеля называют циклом со сгоранием при постоянном давлении.

После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение рабочего тела происходит по адиа­бате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлоп­ной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-5) и газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (линия 5-b); таким образом, цикл Дизеля — это четырехтактный цикл.

Для удобства анализа заменяем рассмотренный цикл Дизеля термо­динамически эквивалентным ему идеализированным замкнутым цик­лом, осуществляемым с чистым воздухом; р, и-диаграмма этого цикла представлена на рис. 10.6. Как видно из этой диаграммы, идеализиро­ванный цикл Дизеля состоит из двух адиабат (адиабаты сжатия 1-2 и адиабаты расширения 3-4), изобары 2-3, по которой осуществляется под­вод тепла q₁ от горячего источника, и изохоры 4-1, по которой осущест­вляется отвод теплоты q₂ к холодному источнику.

Вычислим термический КПД этого цикла (по-прежнему считая воз­дух, используемый в качестве рабочего тела этого цикла, идеальным га­зом с постоянной теплоемкостью).

* Для Идеального газа любые две изохоры, так же как и любые две изобары, в Т, s-диаграмме эквидистантны; в самом деле, поскольку тангенс угла наклона изохоры в Т, s-диаграмме есть (dT/ds)v=Tlc_υ, c_υ≠f(υ), при данной температуре все изохоры иденального газа имеют одинаковый наклон (аналогично и изобары).

 

Введем еще одно обозначение — степень предварительного расширения ρ:

(10.12)

Из общего выражения для термического КПД любого цикла η_т = 1— q₂ /q₁ с учетом того, что в изохорном процессе 4-1 [см. (10.2)] q₂= c_v(T₄ — T₁), а в изобарном процессе 2-3

(10.13)

получаем:

(10.14)

 

или с учетом (7.55)

(10.15)

 

В изобарном процессе идеального газа

(10.16)

Из уравнений адиабаты для процессов 1-2 и 3-4 имеем:

с учетом того, что υ₄ = υ₁ и ρ₂= ρ_{3 ,} получаем, почленно деля (10.8) на (10.7):

(10.17)

 

Заменяя в этом соотношении p₁ и р₄ на изохоре υ₄ = υ₁ по уравнению Клапейрона, получаем с учетом (10.12):

(10.18)

Подставляя (10.18) и (10.16) в (10.15), получаем следующее выра­жение для термического КПД цикла Дизеля:

(10.19)

 

 

Это соотношение показывает, что термический КПД цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия е (как и в цикле Отто) и чем меньше величина р.

Зависимость η_т цикла Дизеля от е для разных значений р при k= 1,40 представлена на рис. 10.7.

Цикл Дизеля в Т, s-диаграмме представлен на рис. 10.8. Величина q₁ изображается площадью а-2-З-b-а, величина q₂ — площадью a-l-4-b-а, работа цикла /_ц — площадью 1-2-3-4-1.

Сравним между собой значения термических КПД циклов Отто и Дизеля, принимая в обоих циклах одинаковой либо степень сжатия е, либо наивысшую температуру рабочего тела в цикле T₃; разумеется, исходные параметры рабочего тела в начальной точке цикла (р₁, υ₁, T₁) считают одинаковыми для обоих циклов.

Если принять, что степень сжатия в обоих циклах одна и та же, то из (10.11) и (-10.21) очевидно, что термический КПД цикла Отто выше термического КПД цикла Дизеля. Однако сравнение КПД этих циклов при условии одинаковых значений е вряд ли правомерно, так как пре­имуществом цикла Дизеля по сравнению с циклом Отто является, как отмечалось выше, именно возможность достижения более высоких сте­пеней сжатия.

Сравнение значений η_т циклов Отто и Дизеля при условии одинако­вой наивысшей температуры цикла Т₃ показывает, что в этом случае термический КПД цикла Дизеля будет выше, чем термический КПД

 

цикла Отто. В частности, это видно и из Т, s-диаграммы на рис. 10.8; поскольку с_р>с_υ т. е.

T(ds/dT) _р>T(ds/dT) _υ, следовательно, в Т, s-диаграмме изохора идет более круто, чем изобара (на рис. 10.8 штрихо­вой линией нанесена изохора цикла Отто 2а-3), и, значит, степень за­полнения цикла Дизеля выше, чем цикла Отто. При сравнении обоих циклов при равных работах цикла

I_ц=q_l–q₂ и максимальном давле­нии легко заметить, что теплота q₂ в цикле Отто больше, чем в цикле Дизеля, а термический КПД меньше. Подобное сравнение наиболее оп­равдано и дает основание считать цикл Дизеля более экономичным чем цикл Отто.

Надо при этом отметить, что двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе.

Основным недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность, обусловленная бо­лее медленным сгоранием топлива.

Своего рода «гибридом» циклов Отто и Дизеля является цикл со смешанным сгоранием, или цикл Тринклера* (иногда называе­мый также циклом Сабатэ). Двигатели, работающие по этому типу (рис. 10.9), имеют так называемую форкамеру, соединенную с рабочим цилиндром узким каналом. На рис. 10.10 показан цикл такого двигате­ля в р, υ-диаграмме. В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжима­ется за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкого топ­лива, подаваемого в формкамеру (процесс 1-2). Форма и расположение последней способствуют наилучшему смешению топлива с воздухом, в результате чего происходит быстрое сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (процесс 2-5).

Благодаря возрастанию давления в форкамере образовавшаяся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания протал­кивается в рабочий цилиндр, где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся перемещением поршня слева направо при приблизительно постоянном давлении (процесс 5-3). По окончании сго­рания топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания (рабочий ход) происходит адиабатически (процесс 3-4), после чего отработавшие газы удаляются из цилиндра (процесс 4-1).

Таким образом, в цикле со смешанным сгоранием подвод теплоты q₁ осуществляется вначале по изохоре (q₁’), а затем по изобаре (q₁”).

Особенность двигателя со смешанным сгоранием состоит в том, что в отличие от двигателя Дизеля он не нуждается в компрессоре высоко­го давления для распыления жидкого топлива. Жидкое топливо, введен­ное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе

* Пo имени русского инженера Г. В. Тринклера, впервые предложившего этот цикл в 1904г.

 

с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто — часть процесса сгорания осущест­вляется при постоянном давлении.

Определим термический КПД цикла со смешанным сгоранием.

В общем соотношении η_т = 1— q₂ /q₁ величина q₂(теплота, отводи­мая по изохоре 4-1) по-прежнему определяется соотношением (10.2): q₂ =c_υ(T₄–T₁), тогда как величина q₁ складывается из теплоты q₁’, подводимой в изохорном процессе 2-5, и теплоты q₁”, подводимой в изо­барном процессе 5-3:

 

(10.20)

Очевидно, что

;

(10.21)

.

(10.22)

 

Отсюда для термического КПД цикла со смешанным сгоранием по­лучаем:

 

(10.23)

или

 

(10.24)

Для изохоры 4-1 имеем из уравнения Клапейрона:

 

(10.25)

Уравнения для адиабат 1-2 и 3-4 можно записать в виде

;

Почленно деля (10.8) на (10.7) и учитывая, что υ₁ = υ₄, получаем:

(10.26)

Поскольку р₃=p₅ (изобара 5-3), a υ₂ = υ₅ (изохора 2-5), это соотно­шение можно преобразовать к виду

 

(10.27)

где λ=p₅/p₂ — степень повышения давления в изохорном процессе сго­рания, а р = υ₃/ υ₅ — степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорания. С учетом этого соотношения получаем из (10.26):

(10.28)

Для изохоры 2-5 имеем:

(10.29)

а для изобары 5-3

(10.30)

Наконец, в соответствии с (10.6) . С учетом (10.28) — (10.30) и (10.6) получаем из (10.24):

При ρ = 1 (это соответствует отсутствию изобарного процесса) урав­нение (10.31) превращается в уравнение (10.11) для термического КПД цикла Отто, а при λ = 1 (отсутствие изохорного процесса) уравнение (10.41) превращается в уравнение (10.19) для η_T цикла Дизеля.

Сравнение значения η_T для цикла со смешанным сгоранием со значе­ниями η_T цикла Отто и цикла Дизеля показывает, что при одинаковых степенях сжатия ε

(10.32)

а при одинаковых наивысших температурах цикла (Т₃)

(10.33)

Указанные неравенства наглядно иллюстрируются Т, s-диаграммой (рис. 10.11); в частности, соотношение (10.33) вытекает из равенства для всех трех циклов теплоты q₂, равной площади a-1-4-b-a при наи­большем значении работы цикла в цикле Дизеля (площадь l-2b-3-4-1), среднем значении работы цикла в смешанном цикле (площадью 1-2-5-3-4-1) и наименьшем значении работы цикла в цикле Отто (площадь 1-2а-3-4-1).

Попутно отметим, что в четырехтактных двигателях в течение тактов всасывания и выталкивания продуктов сгорания, протекающих при дав­лении, близком к атмосферному, двигатель выполняет не свойственную ему работу, поэтому современные быстроходные поршневые двигатели, например мотоциклетные, работают в два такта, а такты всасывания и выталкивания заменяются поступлением рабочего тела и удалением его из цилиндра через специальные окна, заменяющие всасывающий и выхлопной клапаны и не закрываемые движущимся поршнем. Двухтак­тные двигатели имеют такие же циклы, как и четырехтактные.

Результаты приведенного в этом параграфе анализа эффективности циклов двигателей внутреннего сгорания справедливы лишь для идеа­лизированных циклов без учета необратимости и других факторов. В реальных циклах рабочее тело (в первых двух тактах — это воздух в цикле Дизеля и в цикле со смешанным сгоранием или горючая смесь в цикле Отто, в последующих тактах — это воздух и продукты сгорания) по своим свойствам отличается от идеального газа с постоянной тепло­емкостью; вследствие неизбежного трения процессы адиабатного сжатия и расширения происходят не по изоэнтропе, а с ростом энтропии; при­нудительное охлаждение стенок цилиндра еще больше увеличивает от­клонение этих процессов от изоэнтропных; сгорание происходит за ма­лые, но все же конечные промежутки времени, в течение которых пор­шень успевает несколько переместиться, так что условие изохорности процесса сгорания выполняется не совсем строго; имеют место механи­ческие потери в механизме и т. д.

Это же относится к процессу выхлопа при открывании выхлопного клапана.

Поэтому для перехода от идеальных термодинамических циклов, ис­следованных выше, к реальным циклам необходимо вводить внутренний относительный КПД двигателя, который определяется эксперименталь­но при испытании последнего.