Лекция 16 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (двс)
Тепловые двигатели, работа которых осуществляется за счет энергии топлива, сжигаемого в цилиндре самого двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). В реальных ДВС превращение теплоты в работу связано с целым комплексом сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, учет которых делает изучение циклов достаточно сложным. Такие циклы ДВС называют действительными. ДВС подразделяют на двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, работающие с подводом теплоты при постоянном объеме, и двигатели с самовоспламенением, работающие с подводом теплоты при постоянном давлении или со смешанным подводом тепла.
При термодинамическом исследовании циклов ДВС используют следующие допущения.
1) Циклы замкнуты (в действительности же продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новая порция рабочего тела).
2) Рабочее тело в цикле рассматривается как идеальный газ (воздух) с постоянной теплоемкостью.
3) Процесс сгорания заменяется обратимым процессом подвода теплоты q1 извне.
4) Процесс уноса теплоты, содержащейся в продуктах сгорания, заменяется обратимым отводом теплоты q2.
5) Потери на трение и потери теплоты в окружающую среду отсутствуют.
При таких предпосылках можно считать, что ДВС работают по обратимым термодинамическим циклам.
Циклы ДВС можно свести к трем основным видам:
1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто);
2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля);
3) цикл со смешанным подводом теплоты вначале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении (цикл Тринклера).
Во всех этих циклах отвод теплоты происходит при постоянном объеме, а сжатие и расширение считаются адиабатными.
Цикл двс с изохорным подводом теплоты
Д
анный
цикл называют также циклом быстрого
сгорания или циклом Отто (по имени его
автора, немецкого инженера). В реальных
условиях такой цикл совершается в
бензиновых карбюраторных двигателях,
а также в газовых двигателях (в которых
топливом служит газ). Изобразим такой
цикл в координатах – P-V
(рис. 53).
Рис. 53.
Этот цикл состоит из следующих процессов:
1-2 – сжатие рабочей смеси при подводе механической работы;
2-3 – подвод теплоты при сгорании рабочей смеси («мгновенно»);
3-4 – рабочий ход – расширение газов, образовавшихся при горении, отвод механической работы;
4-1 – выхлоп с отводом теплоты с уходящими газами.
Можно показать, что термический КПД такого ДВС определяется из выражения
|
(192) |
,и зависит только от отношения объемов (то есть – от степени сжатия). Из-за ограничений по температуре вспышки рабочей смеси это отношение не превышает 10-ти.
Цикл двс с изобарным подводом теплоты
Степень сжатия можно повысить, если сжимать только воздух, а в конце процесса сжатия подать в цилиндр горючее вещество, которое самопроизвольно воспламенится от высокой температуры.
В этом случае процесс горения происходит медленно, так как, прежде всего, все топливо сразу и мгновенно подать в цилиндр просто невозможно. Горение происходит при одновременном расширении, и поэтому давление остается в процессе горения близким к постоянной величине.
Этот цикл получил название его изобретателя – Дизеля, который подал патент на свой двигатель в 1892 году.
Рис. 54
Термический КПД такого двигателя равен
|
(193) |
.Из данного уравнения хорошо видно, что экономичность цикла Дизеля также зависит от степени сжатия, с ростом которой КПД возрастает. Предел степени сжатия ограничен сверху максимальным допустимым давлением в цилиндре, до 20 бар. Увеличение отношения v3/v2, которое называют степенью предварительного расширения, ухудшает КПД двигателя, что необходимо учитывать при проектировании.
Таким образом, возникает некоторое противоречие. С одной стороны, возможность увеличения КПД ДВС за счет использования цикла Дизеля ограничивается «длиной» участка 2-3. С другой стороны, чем длиннее этот участок, тем больше теплоты можно получить (сжечь больше топлива) в одном и том же ДВС, то есть повысить его удельные характеристики. Это противоречие устранено в цикле Тринклера.