Циклы двигателей внутреннего сгорания

В качестве первого примера рассмотрим цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, к которому довольно близок действительный цикл работы, бензинового двигателя. Этот цикл представлен на рис. 1, где показано изменение давления p в цилиндре в зависимости от объема газа V. Для наглядности в нижней части рисунка схематически изображен цилиндр с поршнем. Диаметр цилиндра D, ход поршня Z. Пунктиром показано верхнее (ВМТ) и нижнее (НМТ) положения поршня. Объем камеры сгорания — V₂, а степень сжатия

ε = V₁/V₂.

Рис. 1. p—V- и T—S-диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Q_p и отводимой Q₀ теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

η = (Q_p – Q₀)/Q_p.

Начнем наблюдать за ходом цикла на рис. 1 от точки 1, соответствующей нижнему положению (НМТ) поршня. При его движении вверх происходит адиабатическое сжатие вплоть до точки 2, соответствующей верхнему положению (ВМТ) поршня. От точки 2 до точки 3 при неподвижном поршне к газу подводится теплота Q_pV и давление газа растет. От точки 3 поршень передвигается к точке 4 (НМТ) и происходит адиабатическое расширение. На участке от точки 4 до точки 1 при неподвижном поршне теплота Q_0V от газа отводится к стенкам цилиндра. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы обозначает выполненную работу A_t.

Кроме описанной p—V-диаграммы на рис. 1 изображен тот же цикл в координатах температура Т — энтропия S.

Для нашего анализа достаточно определить, что понимается под величинами энтропии S. Энтропию невозможно измерить прямым путем, поэтому условимся, что если к веществу подводится теплота, энтропия растет, а при отводе от него теплоты — уменьшается. Диаграммы в координатах Т—S будут служить лишь для сравнения с циклом Карно, представляющим максимально достижимый по эффективности цикл.

Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 2. Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения. Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре при сгорании почти постоянным.

Рис. 2. p—V- и T—S-диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

По сравнению с предыдущим рисунком диаграмма на рис. 2 отличается тем, что после завершения хода сжатия в точке 2 впрыск топлива происходит при уже начавшемся ходе расширения таким образом, чтобы давление газов при сгорании оставалось постоянным вплоть до точки 3, после которой начинается адиабатическое расширение.

В действительности подвод теплоты не протекает лишь при постоянном объеме или только при постоянном давлении. К реальным условиям ближе всего цикл со смешанным подводом теплоты, изображенный на рис. 3. В этом случае подвод теплоты начинается в точке 2 после завершения сжатия, и количество теплоты QpV подводится при постоянном объеме до точки 2, 3, а дальнейшее ее поступление в количестве Q_pp происходит при постоянном давлений вплоть до точки 3. После этого от точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение.

Рис. 3. p—V- и T—S-диаграммы цикла со смешенным подводом теплоты

Рис. 4. p—V- и T—S-диаграммы цикла Карно

Описанные выше термодинамические циклы в действительности не выдерживаются. Для сравнения приведем еще цикл Карно (рис. 4), обеспечивающий максимальное использование подводимой теплоты. Этот цикл начинается, как и другие, с адиабатического сжатия от точки 1 до точки 2. На диаграмме T—S это адиабатическое сжатие изображено вертикальной прямой, так как энтропия при этом не изменяется, а повышается только температура от T₂ до T₁. В точке 2 начинается изотермический подвод теплоты, продолжающийся до точки 3. Так как температура не изменяется, то, следовательно, должен увеличиваться объем. На диаграмме T—S этот процесс изображен горизонтальной прямой при постоянной температуре T₁. Энтропия газа на этом участке увеличивается.

От точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение, изображенное на диаграмме T—S вертикальным отрезком 3—4. Затем следует отвод теплоты при постоянной температуре до точки 1. Работа, выполненная в этом цикле, на T—S-диаграмме показана прямоугольником 1—2—3—4 и представляет собой максимально возможное использование теплоты в диапазоне температур от T₁ до T₂. Однако реализовать на практике такой цикл невозможно.

В двигателе внутреннего сгорания после расширения газов из цилиндра вместе с ними отводится и содержащаяся в них теплота. В цилиндр затем поступает холодный воздух из окружающей атмосферы. У четырехтактного двигателя это достигается прибавлением такта выпуска и такта впуска, а у двухтактного — продувкой цилиндра при положении поршня в НМТ.

У газотурбинного двигателя сжатие и расширение газа протекает во вращающихся компрессоре и турбине. Давление газа в камере сгорания, если пренебречь потерями от завихрений, почти не меняется, так что давление на выходе компрессора практически равно давлению на входе турбины. Подробнее об этом рассказано в статье «Газотурбинный двигатель».

.........

В теоретическом цикле процесс сгорания топлива условно заменен мгновенным подводом тепла от постороннего источника, а процесс выпуска из цилиндра продуктов сгорания – мгновенным отводом тепла на сторону.

В действительном цикле рабочая смесь качественно изменяется – превращается в продукты сгорания. В теоретическом же цикле этот процесс заменен сжатием и расширением постоянного по количеству и по качеству рабочего тела (газа) в цилиндре условного двигателя, стенки которого считаются не теплопроводными. Различают два основных теоретических цикла: а) с подводом тепла при постоянном объеме рабочего тела и б) с подводом части тепла при постоянном объеме и части тепла – при постоянном давлении. Тепло из цилиндра в обоих циклах отводится при постоянном объеме.

Теоретические циклы графически изображаются в виде pV- диаграмм.

На рисунке 2 приведены диаграммы теоретических циклов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания: диаграмма цикла с подводом тепла при постоянном объеме (Рисунок 2, а) и диаграмма цикла со смешанным подводом тепла (Рисунок 2, б).

Рассмотрим первую диаграмму. В начале цикла поршень находится в н.м.т., что соответствует точке адиаграммы. При перемещении поршня и сжатии газа, находящегося в цилиндре, повышаются его температура и давление, что находит отражение на линии ас диаграммы. В точке с топливо воспламеняется и при постоянном объеме продолжает гореть до точки z (cz). По zb происходит расширение сгоревших газов, по ba – уравнивание давлений с выпуском продуктов сгорания и, наконец, по ar – выталкивание оставшихся продуктов сгорания в атмосферу.

а) с подводом тепла при постоянном объеме; б) со смешанным подводом тепла.

Рисунок 2 – Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания