9.9. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие циклы:

• со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

• с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

• с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const).

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью, и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух, и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100...150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих процессов (рис. 9.14): a–с – адиабатное сжатие; c–z' – изохорный подвод теплоты; z'–z – изобарный подвод теплоты; z–e – адиабатное расширение; е–а – изохорный отвод теплоты.

Ц икл является как бы обобщающим для всех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом зависит от заданного начального состояния в точке с и от параметров цикла:

• степени сжатия (степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c; разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра V_h);

• степени изохорного повышения давления ;

• степени предварительного (изобарного) расширения .

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

в точке с

;

;

в точке

;

;

в точке

;

;

в точке е

;

.

Термический КПД смешанного цикла равен:

,

где

; ;

; .

Подставляя выражения для соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим:

. (9.9)

Как видно из формулы (9.9), термический КПД цикла растет с увеличением и k и уменьшается с увеличением . Степень изохорного повышения давления связана с величиной . Чем больше , тем меньше (при тех же значениях и q₂). Тогда с ростом термический КПД смешанного цикла увеличивается.

Работа теоретического цикла определяется по формуле:

.

Отношение работы цикла к рабочему объему v_h характеризует среднее давление цикла:

.

Среднее давление смешанного цикла равно:

. (9.10)

Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления цикла является повышение начального давления – наддув двигателя.

Рассмотренный идеальный цикл лежит в основе работы всех современных дизелей.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является частным случаем рассмотренного цикла со смешанным подводом теплоты, когда степень изобарного расширения = 1.

По этому циклу работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь до давления 1,0... 1,5 МПа и поджигается в конце сжатия от электрической искры. Идеальный цикл Отто (рис. 9.15) состоит из процессов адиабатного сжатия (а–с), подвода к рабочему телу теплоты при v = const (c–z), адиабатного расширения (z–e) и отдачи рабочим телом теплоты при v =const (е–а).

Параметры в узловых точках цикла определяются так же, как и для цикла со смешанным подводом теплоты. Формулы для определения и р_ц в этом цикле получаются из соответствующих формул для смешанного цикла при = 1:

, (9.11)

.

И з выражения (9.11) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. Несмотря на то, что с увеличением степени сжатия растут термический КПД и полезная работа цикла, при больших степенях сжатия ( > 10) в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси.

Еще более существенным является то обстоятельство, что с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры в конце сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. По этой причине двигатели, работающие по циклу v = const, имеют вполне определенные предельные значения степени сжатия ( = 5,5...9,0).

Явление детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому сорт применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия для двигателей легкого топлива.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) является также частным случаем обобщающего цикла при = 1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0...5,0 МПа, и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля (рис. 9.16) состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты Термический КПД и среднее давление цикла из формул (9.9) и (9.10) при = 1 соответственно равны:

, (9.12)

.

Влияние на такое же, как и в циклах Тринклера и Отто, т.е. с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла. При увеличении степени предварительного расширения ( ), как видно из формулы (9.12), термический КПД цикла должен падать.

П ри постоянной степени сжатия увеличение вызовет увеличение объема v_z , который зависит от подводимого количества теплоты q₁. При увеличении q₁ увеличивается объем v_z, а вместе с ним увеличивается и работа цикла. Таким образом, возрастание приводит к увеличению работы и уменьшению термического КПД.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при v = const и p = const, видим, что они различаются множителем:

.

Отсюда следует, что при одинаковых степенях сжатия > .

Т ермодинамическая эффективность каждого из рассмотренных циклов зависит от конкретных условий его осуществления. Целесообразнее сравнивать циклы при различных степенях сжатия , но при одинаковых максимальных давлениях и температурах и одинаковом отведенном количестве теплоты q₂.

Из TS-диаграммы (рис. 9.17) следует, что наибольший термический КПД будет у цикла с подводом теплоты при р = const:

> > .

КПД смешанного цикла имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при p = const и v = const.

При оптимальных степенях сжатия (для цикла Отто < 10, для цикла Дизеля = 16 и для смешанного = 22):

= 3,2...4,2; = 1,6...2,0; = 1,3...1,7,

,

что видно из рис. 9.18. Поэтому все выпускаемые сейчас дизели работают по смешанному циклу.