3.3.2 Цикли двигунів внутрішнього згорання (двз)

Машини, в яких паливо спалюється безпосередньо в циліндрі під поршнем, називаються двигунами внутрішнього згорання (ДВЗ). Їх досить широко використовують на транспорті, на електростанціях для приводу насосних установок, на нафто- і газопереробних і бурових установках, у сільському господарстві, на металургійних заводах. Це пояснюється наявністю певних переваг:

1. відсутність громіздкої котельної установки, а отже, невеликі розміри приміщень для розміщення силової установки;

2. постійна готовність до пуску і негайного прийому навантаження, а також відсутність витрати пального в неробочий період двигуна; 3) мала потреба у воді.

До недоліків варто віднести:

1. обмеженість запасів рідкого і газоподібного палива в порівнянні з твердим паливом, що застосовується переважно в паросилових установках;

2. труднощі використання теплоти газів, що відробили;

3. неможливість одержання високої потужності в одному агрегаті через великі інерційні зусилля, що виникають від деталей, що рухаються зворотно-поступово, при підвищенні частоти обертання колінчатого вала (гранична потужність сучасних ДВЗ, як правило, не більше 3500…4000 кВт).

Принцип роботи поршневого ДВЗ полягає в тому (рис. 3.12), що під впливом тиску газів рух поршня в циліндрі через шатун передається на колінчатий вал. Робочий циліндр і його головка, де розміщаються клапани і свіча запалювання, мають сорочки при рідинному охолодженні або ребра при повітряному охолодженні, щоб уникнути перегріву і руйнування стінок під впливом високих температур і тиску робочого тіла. Для забезпечення рівномірності обертання колінчатого вала і зменшення інерційних зусиль, а також для можливості здійснення холостих ходів поршня в циліндрі і виводу його з крайніх положень на хвостовику колінчатого вала розміщається маховик, а двигун має декілька циліндрів (2, 4, 6, 8, 12, 16 циліндрів і більш). В останньому випадку порядок роботи циліндрів вибирається так, щоб по можливості у двох сусідніх циліндрах не відбувалося однакових тактів; тоді навантаження на колінчатий вал виходять більш рівномірними і можливо здійснення холостих ходів поршнів в одних циліндрах за рахунок робочих ходів поршнів в інших циліндрах. Органи впуску і випуску робочого тіла в поршневих ДВЗ найчастіше виконують у виді тарілчастих клапанів, що відкриваються в потрібні моменти за допомогою важелів, штанг і штовхачів, що приводяться до руху від кулачків. Кулачки знаходяться на розподільному валі, який має привід від колінчатого вала двигуна.

З опису принципу роботи поршневих ДВЗ видно, що в них, власне кажучи, не відбувається кругових процесів, тому що газоподібні продукти горіння після розширення і віддачі енергії за допомогою поршня на колінчатий вал віддаляються з циліндра двигуна, а на їх місце надходить свіжа порція пальної суміші, хімічний склад якої в результаті наступного процесу згорання змінюється. Однак умовно можна говорити про круговий процес роботи двигуна внутрішнього згорання, якщо не брати до уваги хімічних змін і визначати його ККД за рівнянням (1.94)

t  lö , q₁

підставляючи роботу l_ц і витрату теплоти q1, які дорівнюють їх теоретичним значенням для двигуна. Неточність, що допускається при цьому, мала, тому що, незважаючи на зміну хімічного складу робочого тіла при згоранні, газові постійні пальної суміші і продуктів горіння незначно відрізняються одна від одної.

1 – кулачковий вал; 2 – штовхач; 3 – карбюратор; 4 – клапан;

5 – головка циліндра; 6 – циліндр; 7 – сорочка циліндра; 8 – поршень; 9 – шатун; 10 – маховик; 11 – колінчатий вал Рисунок 3.12 – …………..

Існує декілька різних класифікацій ДВЗ:

1. за способом запалення пальної суміші двигуни зі змушеним запалюванням палива і двигуни з запалюванням пальної суміші в атмосфері стиснутого повітря;

2. за способом підготовки пальної суміші розрізняють двигуни з зовнішньою (карбюратори) і з внутрішньою підготовкою пальної суміші;

3. за кількістю тактів розрізняють 2 типи поршневих ДВЗ: чотиритактні і двотактні (за один такт приймають хід поршня від верхньої мертвої точки до нижньої, причому всі типи двигунів можуть виконуватися як чотиритактними, так і двотактними).

Основними характеристиками циклу теплового двигуна в залежності від способу підводу теплоти можуть бути наступні безрозмірні величини:

1. ступінь стиску (відношення питомих об’ємів робочого тіла на початку v₁ і наприкінці v₂ стиску):

 = v₁ / v₂ ; (3.26)

2. ступінь підвищення тиску (відношення тисків наприкінці Р3 і на початку Р2 ізохорного процесу підведення теплоти):

 = Р₃ / Р₂; (3.27)

3. ступінь попереднього розширення чи ступінь ізобарного розширення (відношення питомих об’ємів наприкінці v3 і на початку v2 ізохорного процесу підведення теплоти):

 = v₃ / v₂. (3.28)

Усі сучасні поршневі двигуни внутрішнього згорання підрозділяють на три групи:

1. зі швидким згоранням палива з підводом теплоти при постійному об’ємі (карбюраторні ДВЗ);

2. з поступовим згоранням палива з підводом теплоти при

постійному тиску (компресорні дизелі);

3. зі змішаним згоранням палива з підводом теплоти частково при постійному об’ємі і частково при постійному тиску (безкомпресорні дизелі).

Віддача теплоти холодному джерелу q₂ у всіх цих циклах здійснюється тільки в ізохорному процесі.

Ці три види циклів складаються з термодинамічних оборотних процесів. При дослідженні цих циклів прагнуть визначити умови для одержання максимального ККД.

Розглянемо цикл ДВЗ з підводом теплоти при постійному об’ємі на прикладі чотиритактного двигуна. Діаграму ідеального циклу двигуна з підводом теплоти при постійному об’ємі наведено на рисунку 3.13.

а б

Рисунок 3.13 – Цикл ДВЗ з підводом теплоти при постійному об’ємі в Pv- (а) і Тs- (б) діаграмах

Ідеальний газ з початковими параметрами Р1, v1 і Т1 стискується за адіабатою 1-2 до точки 2. За ізохорою 2-3 до робочого тіла підводиться певна кількість теплоти q1. Від точки 3 робоче тіло розширюється за адіабатою 3-4. І нарешті, за ізохорою 4-1 робоче тіло повертається в початковий стан, при цьому відводиться теплота q2 у теплоприймач.

Характеристиками цього циклу є ступінь стиску ε (див. рівняння (3.26)) і ступінь підвищення тиску λ (див. рівняння (3.27)).

Якщо вважати, що теплоємність С_v і величина k є постійними, то термічний ККД цього циклу можна визначити за рівнянням (1.94)

t  q¹ - q²  1_ q² . q1 q1

Кількість підведеної теплоти згідно з рівнянням (1.68) дорівнює

q₁=C_v(T₃–T₂), (3.29)

а кількість відведеної теплоти

q₂=C_v(T₄–T₁). (3.30)

Тоді термічний ККД циклу дорівнює

t  1 q2  1 Cv(T4 T1 )  1 T4 T1 . (3.31) q1 Cv(T3 T2 ) T3 T2

Якщо значення температур виразити через ε, то рівняння (3.31) набуде виду

1

_t  1 _k1 . (3.32)



З рівняння (3.32) випливає, що термічний ККД такого циклу залежить від ступеня стиску ε і показника адіабати k або від природи робочого тіла. ККД збільшується зі зростанням ε і показника адіабати k.

Від ступеня підвищення тиску λ термічний ККД не залежить.

Розглянемо тепер цикл ДВЗ з підводом теплоти при постійному тиску. Вивчення циклів з підводом теплоти при постійному об’ємі показало, що для підвищення економічності двигуна, що працює за цим циклом, необхідно застосовувати високі ступені стиску ε. Але це збільшення обмежується температурою самозапалювання горючої суміші. Якщо ж робити роздільний стиск повітря і палива, то це обмеження відпадає. Повітря при великому стиску має настільки високу температуру, що паливо, яке подається в циліндр, самозапалюється без усяких спеціальних запальних пристосувань. І нарешті, роздільний стиск повітря і палива дозволяє використовувати будь-яке рідке важке і дешеве паливо: нафту, мазут, смоли, кам'яновугільні олії й ін.

Такі високі достоїнства мають двигуни, що працюють з поступовим згоранням палива при постійному тиску. У них повітря стискується в циліндрі двигуна, а рідке паливо розпорошується стисненим повітрям від компресора. Роздільний стиск дозволяє застосовувати високі ступені стиску (до ε = 20) і виключає передчасне самозапалювання палива. Процес горіння палива при постійному тиску забезпечується відповідним регулюванням паливної форсунки. Створення такого двигуна зв'язують з ім'ям німецького інженера Дизеля, який вперше розробив конструкцію подібного двигуна.

Розглянемо ідеальний цикл двигуна з поступовим згоранням палива при постійному тиску, тобто цикл із підводом теплоти при постійному тиску. На рисунку 3.14 зображено цей цикл у Рv- і Ts-діаграмах. Здійснюється він у такий спосіб. Газоподібне робоче тіло з початковими параметрами Р1, v₁ і Т1 стискується за адіабатою 1-2; потім до тіла за ізобарою 2-3 підводиться деяка кількість теплоти q₁. Від точки 3 робоче тіло розширюється за адіабатою 3-4. І нарешті, за ізохорою 4-1 робоче тіло повертається в початковий стан, при цьому в теплоприймач відводиться теплота q₂.

Характеристиками циклу є ступінь стиску ε (див. рівняння (3.26)) і ступінь попереднього розширення ρ (див. рівняння (3.28)).

Якщо вважати, що теплоємності С_v, С_р і величина k є постійними, то термічний ККД цього циклу можна визначити за рівнянням (1.94)

t  q¹ - q²  1_ q² . q1 q1

а б

Рисунок 3.14 – Цикл ДВЗ з підводом теплоти при постійному тиску в Pv- (а) і Тs- (б) діаграмах

Кількість підведеної теплоти згідно з рівнянням (1.72) дорівнює

q₁=C_р(T₃–T₂), (3.33)

а кількість відведеної теплоти згідно з рівнянням (1.68)

q₂=C_v(T₄–T₁). (3.34)

Тоді термічний ККД циклу дорівнює

t  1 q2  1 Cv(T4 T1 )  1 T4 T1 . (3.35) q₁ C_p(T₃ T₂ ) k(T₃ T₂)

Якщо значення температур виразити через ε і ρ, то рівняння (3.35) набуде виду

^k - 1

_t  1 k_k₁(₁₎. (3.36)

З рівняння (3.36) випливає, що термічний ККД цього циклу залежить від ступеня стиску ε, величини показника k і ступеня попереднього розширення ρ. Зі збільшенням ε і k ККД збільшується, а зі збільшенням ρ – зменшується.

Розглянемо цикл ДВЗ зі змішаним згоранням палива з підводом теплоти частково при постійному об’ємі і частково при постійному тиску. Двигуни з поступовим згоранням палива при Р=const мають деякі недоліки. Одним з них є наявність компресора, який застосовується для подачі палива, на роботу якого витрачається 6…10% від загальної потужності двигуна, що ускладнює конструкцію і зменшує економічність двигуна. Крім того, необхідно мати складні пристрої насоса, форсунки й ін. Установка має велику вагу.

Прагнення спростити і поліпшити роботу таких двигунів викликало створення безкомпресорних двигунів, у яких здійснюється механічне розпилювання палива при тисках 50…70 МПа. Проект безкомпресорного двигуна високого стиску зі змішаним підводом теплоти розробив російський інженер Г.В.Тринклер. Цей двигун позбавлений недоліків обох попередньо розібраних типів двигунів.

У цьому двигуні рідке паливо паливним насосам подається через паливну форсунку в головку циліндра у виді дрібних крапельок. Потрапляючи в нагріте повітря, паливо самозаймається і горить протягом усього періоду, поки відкрита форсунка: на початку при постійному об’ємі, а потім при постійному тиску.

Ідеальний цикл двигуна зі змішаним підводом теплоти зображено на

Рv- і Ts-діаграмах на рисунку 3.15. Робоче тіло з параметрами Р1, v₁ і Т1 стискується за адіабатою 1-2 до точки 2. За ізохорою 2-3 до робочого тіла підводиться перша частка теплоти q₁’. За ізобарою 3-4 підводиться друга частка теплоти q₁”. Від точки 4 робоче тіло розширюється за адіабатою 45. І нарешті, за ізохорою 5-1 робоче тіло повертається в початковий стан – в точку 1, при цьому відводиться теплота q₂ у теплоприймач.

а б

Рисунок 3.15 – Цикл ДВЗ з підводом теплоти частково при постійному об’ємі і частково при постійному тиску

в Pv- (а) і Тs- (б) діаграмах

Характеристиками циклу є: ступінь стиску в = v1/v2і ступінь підвищення тиску 2 = ра/Р2 И ступінь попереднього розширення р = v4/v3.

Характеристиками циклу є ступінь стиску ε (див. рівняння (3.26)), ступінь підвищення тиску λ (див. рівняння (3.27)) і ступінь попереднього розширення ρ = v₄ / v₃.

Якщо вважати, що теплоємності С_v, С_р і величина k є постійними, то термічний ККД цього циклу можна визначити за рівнянням (1.94)

t  q¹ - q²  1_ q² . q₁ q₁'q₁"

Кількість підведеної теплоти при постійному об’ємі згідно з рівнянням (1.68) дорівнює

q₁’=C_v(T₃–T₂), (3.37)

кількість підведеної теплоти при постійному тиску згідно з рівнянням (1.72) дорівнює

q₁”=C_p(T₄–T₃), (3.38)

а кількість відведеної теплоти згідно з рівнянням (1.68)

q₂=C_v(T₅–T₁). (3.39)

Тоді термічний ККД циклу дорівнює

t  1 Cv(T5 T1 )  1 T5 T1 . (3.40)

C_v(T₃ T₂ )C_p(T₄ T₃ ) (T₃ T₂)  k(T₄ T₃ )

Якщо значення температур виразити через ε, λ і ρ, то рівняння (3.40) набуде виду

^k - 1

_t  1 k1_{( 1)  k(1)}. (3.41)

З рівняння (3.41) випливає, що термічний ККД цього циклу залежить від ступеня стиску ε, величини показника k, ступеня попереднього розширення ρ і ступінь підвищення тиску λ. Зі збільшенням ε, k і λ ККД циклу зростає, а зі збільшенням ρ – ККД зменшується.