Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Во многих теплосиловых установках рабочим телом является газ. По способу использования энергии рабочего тела теплосиловые установки можно разделить на поршневые двигатели и турбины. В зависимости от того, каким образом подводится тепловая энергия к рабочему телу, двигатели делятся на две группы: внутреннего сгорания и внешнего сгорания.

Особенность поршневых двигателей внутреннего сгорания: подвод тепловой энергии к рабочему телу происходит за счет сжигания топлива внутри двигателя.

Рабочим телом поршневых двигателей внутреннего сгорания на первом этапе является воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся горючим, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива (бензин, керосин, соляровое масло, метан и т.д.). Само название «двигатель внутреннего сгорания» предполагает, что сгорание топлива происходит в двигателе.

В газовых двигателях давление рабочего тела не очень высоко, а его температура намного превышает критическую. Эти обстоятельства позволяют рассматривать рабочее тело как идеальный газ, что существенно упрощает термодинамический анализ цикла.

  • 1. Поскольку источник теплоты находится внутри двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях. Поэтому двигатели внутреннего сгорания более компактны по сравнению, например, с паросиловыми установками.
  • 2. В двигателях с подводом теплоты от внешнего источника верхний предел температуры рабочего тела в цикле ограничивается температурой, допустимой для конструкционных материалов. В частности, повышение температуры водяного пара ограничивается физико-химическими свойствами сталей, из которых изготавливаются элементы парового котла и турбины. В двигателе внутреннего сгорания температура непрерывно меняется, поэтому ее значение может быть существенно выше. Охлаждение стенок цилиндра позволяет расширить температурные границы цикла, а следовательно, увеличить сто термический КПД.

Эти особенности двигателей внутреннего сгорания обусловливают широкое использование их в тех случаях, когда нужен компактный, легкий двигатель, в частности, такие двигатели широко применяются на транспорте.

Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, который соединен посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр имеет два клапана — впускной и выпускной.

Индикаторная диаграмма — диаграмма, показывающая зависимость давления в цилиндре от переменного объема газа в нем, записывается с помощью динамометрического индикатора.

Важной характеристикой поршневого двигателя является среднее эффективное давление цикла (СЭД), которое определяется соотношением

т.е. это теоретическое давление, под действием которого поршень, перемещаясь, производит ту же работу, что и реальный двигатель.

Если два двигателя имеют одинаковый рабочий объем, то более эффективным будет тот из них, у которого выше среднее эффективное давление цикла.

Цикл Отто — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от свечи зажигания, был предложен в 1876 г. Назван в честь немецкого инженера Н. Отто.

Реальная н идеализированная индикаторные диаграммы цикла Отто изображены на рис. 13.1, 13.2. Поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре с впускным и выпускным клапанами. В процессе а— 1 в цилиндре создается разрежение, открывается впускной клапан и в цилиндр подается горючая смесь. В цикле Отто горючей смесью является смесь воздуха с парами бензина или другого горючего. Заполнение заканчивается в точке 1, впускной клапан закрывается. Поршень начинает двигаться справа налево, сжимая горючую смесь, давление под поршнем растет (участок 1—2). После достижения определенного давления смесь поджигается посредством электрической искры. Сгорание смеси происходит очень быстро, практически мгновенно, поэтому процесс можно считать изохорным. В процессе горения выделяется тепло, за счет которого рабочее тело нагревается, давление растет (точка 3). Под действием этого давления поршень вновь перемещается вправо, совершая работу расширения.

Индикаторная диаграмма цикла Отто

Рис. 13.1. Индикаторная диаграмма цикла Отто

Идеализированная индикаторная диаграмма цикла Отто

Рис. 13.2. Идеализированная индикаторная диаграмма цикла Отто

После того как поршень дойдет до точки 4, открывается выпускной клапан и давление в цилиндре снижается до величины, которая немного выше атмосферного давления (участок 4—5), при этом часть газа выходит из цилиндра. Затем поршень вновь движется влево, выталкивая из цилиндра оставшуюся часть отработанных газов (5—Ь). Цикл замыкается.

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

Детальный анализ работы поршневого двигателя должен учитывать много факторов, включая процесс горения и необратимость процессов. Однако если принять некоторые допущения, можно осуществить термодинамический анализ рабочего цикла.

Реальный цикл двигателя внутреннего сгорания — это разомкнутый цикл, рабочее тело поступает в двигатель извне, а после окончания цикла выбрасывается в атмосферу. Поскольку в воздушно-топливной смеси, подаваемой в цилиндр двигателя, количество горючего относительно невелико, для удобства анализа можно считать, что цикл двигателя внутреннего сгорания является замкнутым, рабочим телом является воздух, количество которого остается постоянным, а подвод теплоты qx к рабочему телу осуществляется от внешнего источника через стенку цилиндра в изохорном процессе 2—3 (рис. 13.3). Соответственно, отвод теплоты q2 производится в изохорном процессе 4—1.

p—v диаграмма модельного цикла Отто

Рис. 13.3. p—v диаграмма модельного цикла Отто

В отношении термодинамического анализа такой цикл эквивалентен разомкнутому циклу Отто:

  • • 1—2 — изоэнтропное сжатие;
  • • 2—3 — изохорный нагрев;
  • • 3—4 — изоэнтропное расширение;
  • • 4—1 — изохорное охлаждение.

Различают также анализ цикла с учетом зависимости теплоемкости воздуха от температуры и анализ с использованием постоянной теплоемкости. В последнем случае в расчете используется воздух с теплоемкостью при комнатной температуре, так называемый «холодный воздух».

Разумеется, анализ с использованием таких допущений позволяет получить только качественные оценки реальных процессов.

T—s диаграмма модельного цикла Отто изображена на рис. 13.4. Поскольку модельный цикл Отто состоит из внутренне обратимых процессов, площади циклов на р—v и T—s диаграммах можно интерпретировать как суммарную работу и теплоту цикла соответственно.

Площадь под кривой 2—3 на T—s диаграмме равна количеству теплоты, подведенной к системе, а площадь под кривой 4—1 равна теплоте, отведенной от системы, на единицу массы рабочего тела. Площадь под кривой 1—2 на р—v диаграмме равна работе сжатия, а площадь под кривой 3—4 равна работе расширения на единицу массы рабочего тела.

T—s диаграмма модельного цикла Отто

Рис. 13.4. T—s диаграмма модельного цикла Отто

Модельный цикл Отто включает два процесса, в которых совершается работа, но отсутствует теплообмен, — процессы 1—2 и 3—4, и два процесса, в которых присутствует теплообмен, но работа не совершается, — процессы 2—3 и 4—1. Соответствующие выражения для расчета работы и количества переданной теплоты для последующего использования удобно представить в виде

Очевидно, что в данной форме записи и работа и количество переданной теплоты положительны.

Работа цикла на единицу массы равна

В то же время

Термический КПД цикла равен

Полагая k = c / cv = const, для изоэнтропного процесса справедливо

где r = v{ /v2=vA /vз — степень сжатия.

Как следует из приведенных соотношений, Т2 / Тх = Г3 / Г4 и ТАХ3 / Т2. Таким образом, термический КПД цикла Отто, в котором теплоемкость рабочего тела постоянна, можно рассчитать по формуле

Зависимость термического КПД цикла Отто от степени сжатия представлена на рис. 13.5, рабочее тело — воздух с постоянной теплоемкостью, k - 1,4.

Зависимость термического КПД цикла Отто от степени сжатия

Рис. 135. Зависимость термического КПД цикла Отто от степени сжатия

Итак, для увеличения термического КПД цикла Отто желательно повышать степень сжатия. Однако при адиабатическом сжатии газа его температура повышается, и при определенной степени сжатия происходит самовоспламенение горючей смеси. Как правило, этот процесс сопровождается детонацией, которая приводит к разрушению элементов двигателя. Поэтому степень сжатия в обычных карбюраторных двигателях не превышает 7—12. Для предотвращения самовоспламенения в бензин иногда добавляют метил- третбутиловый эфир (МТБЭ), тетраэтил свинец и другие антидетонаторы.

Среднее эффективное давление модельного цикла Отто равно

Температура в начальной точке цикла Отто равна 300 К, степень сжатия г = 8, давление — 1 бар, объем цилиндра — 600 см3. Максимальная температура цикла 2000 К. Определите

  • • температуру и давление в конце каждого процесса цикла;
  • • термическую эффективность цикла;
  • • среднее эффективное давление.

Решение

Молярная масса воздуха М = 0,029 кг/моль. Будем считать, что все процессы являются обратимыми, процессы сжатия и расширения происходят в адиабатических условиях, рабочим телом является воздух, поведение которого описывается уравнением состояния идеального газа, р—v и Т— s диаграммы цикла Отто приведены на рис. 13.6.

p—v и T—s диаграммы цикла Отто

Рис. 13.6. p—v и T—s диаграммы цикла Отто

Из таблиц термодинамических свойств воздуха находим

Из таблиц находим

Цикл Дизеля - степень сжатия г в цикле поршневого двигателя внутреннего сгорания можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух. При этом горючее вводится в цилиндр под поршень после окончания процесса сжатия. Эта идея положена в основу цикла Дизеля, который был предложен в 1897 г. p—v диаграмма цикла Дизеля показана на рис. 13.7 (слева).

Схематическое изображение цикла Дизеля и идеализированный цикл Дизеля

Рис. 13.7. Схематическое изображение цикла Дизеля и идеализированный цикл Дизеля

а—1 — в цилиндр поступает воздух извне; 1—2 — адиабатическое сжатие до давления р2, степень сжатия г варьируется в пределах 12—20; 2—3 — расширение и одновременный впрыск топлива (керосин, соляровое масло), за счет высокой температуры топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении; 3—4 — адиабатное расширение, в точке 4 открывается выхлопной клапан и газ выталкивается

из цилиндра, процесс 5—Ь

Так же, как и в случае цикла Отто, для удобства анализа открытый цикл Дизеля заменяется эквивалентным ему закрытым циклом (рис. 13.7 (справа)).

Идеализированный цикл Дизеля состоит из двух адиабат (1—2 и 3—4), изобары 2—3 и изохоры 4—1.

Анализ цикла Дизеля. На участке 2—3 совершается работа и к рабочему телу подводится тепло:

Термический КПД цикла

Эффективность цикла Дизеля также растет с увеличением степени сжатия. Приближенный вид этой зависимости можно получить, предполагая, что теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры, т.е. ср = const; cv = const;

Обозначим v3 / v2с степень предварительного расширения. Поскольку процессы 1—2 и 3—4 — адиабатические, отношения температур можно представить в виде

Кроме того, для процессов 1—2 и 3—4 справедливы соотношения

Почленно разделив второе равенство на первое, получим

Таким образом,

Зависимость термических КПД циклов Отто и Дизеля от степени сжатия г показана на рис. 13.8. Как видно из этого рисунка, при одной степени сжатия г КПД цикла Дизеля меньше КПД цикла Отто. Если же сравнивать циклы при условии равенства максимальной температуры цикла Г3, то термический КПД цикла Дизеля будет выше термического КПД цикла Отто. В частности, это видно из Т— s диаграммы (рис. 13.9). Штриховой линией —3 нанесена изохора цикла Отто. Объяснить эго можно так. Поскольку cp>cv, т.е. T(ds/dT)p>T(ds/ЭГ)?|, а значит (ЭТ/ds)v>(dTs)p, в Т— s диаграмме изохора проходит более круто, чем изобара. Это означает, что степень заполнения цикла Дизеля выше, чем цикла Отто.

Зависимость термических КПД циклов Отто и Дизеля от степени сжатия г

Рис. 13.8. Зависимость термических КПД циклов Отто и Дизеля от степени сжатия г

T—s диаграмма циклов Дизеля и Отто

Рис. 13.9. T—s диаграмма циклов Дизеля и Отто

Поскольку топливо в камеру подается под давлением, двигатель, работающий по циклу Дизеля, потребляет дополнительную мощность. Кроме того, используемое в дизельных двигателях топливо сгорает относительно медленно, поэтому такие двигатели относительно тихоходны.

Цикл со смешанным сгоранием, или цикл Тринклера можно рассматривать как гибрид циклов Отто и Дизеля. По одной из версий этот цикл был предложен Г. В. Тринклером, сотрудником Путиловского завода в конце 1890-х гг. Особенностью цикла Тринклера является наличие форкамеры (рис. 13.10).

Схема двигателя со смешанным сгоранием

Рис. 13.10. Схема двигателя со смешанным сгоранием

р—v и T—s диаграммы цикла двигателя со смешанным сгоранием представлены на рис. 13.11.

p—v и T—s диаграммы цикла двигателя со смешанным сгоранием

Рис. 13.11. p—v и T—s диаграммы цикла двигателя со смешанным сгоранием:

1—2 — изоэнтропное сжатие; 2—3 — нагрев при постоянном объеме; 3—4 — нагрев при постоянном давлении; 4—5 — изоэнтропное расширение; 5—1 — охлаждение при постоянном объеме

Впрыск топлива осуществляется в форкамеру. При сжатии воздуха в цилиндре под поршнем его температура повышается, и топливо в фор- камсрс воспламеняется (процесс 2—3). Давление в форкамере возрастает и часть несгоревшсго топлива с продуктами сгорания поступает в рабочий цилиндр, где происходит изобарное догорание смеси на участке расширения 3—4. Далее следует обычный участок адиабатического расширения

4—5, а затем — удаление продуктов сгорания 5—1.

В отличие от дизельного двигателя, двигатель со смешанным сгоранием не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Введенное в форкамеру при сравнительно низком давлении топливо распыляется струей сжатого воздуха, который поступает из основного цилиндра.

Термодинамический анализ цикла со смешанным сгоранием.

Термический КПД цикла со смешанным сгоранием

Полагая, что теплоемкость рабочего тела постоянна, получим

Т п-

Для изохорного процесса 5—1 — = —.

т Р

Для изоэнтропных процессов 1—2 и 4—5

Разделив почленно второе равенство на первое, получим с учетом того, что п, - v5,

Ра i * * * va

Ра Щ

где а = — — степень повышения давления; г = —— степень предваритель-

ного расширения.

Для того чтобы рассчитать термический КПД цикла, найдем отношения температур в характерных точках цикла:

Таким образом,

Если сравнить термические КПД циклов Отто, Дизеля и Тринклера, полагая, что они имеют одинаковую степень сжатия г, то получим

Если же сравнивать эти циклы в предположении о равенстве максимальной температуры цикла Г3, то окажется, что

В реальных циклах поведение рабочего тела не описывается моделью идеального газа с постоянной теплоемкостью. Протекание процессов происходит необратимо, существенное влияние на эффективность работы двигателя оказывают процессы трения и тепловые потери. Поэтому для перехода от идеальных термодинамических циклов к реальным необходимо использовать дополнительные коэффициенты, которые определяются путем сравнения результатов моделирования с данными эксперимента.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >