Циклы двигателей внутреннего сгорания.

 

Т.к. данный класс тепловых машин является вашим будующим хлебом, то на термодинамических особенностях их работы мы остановимся более подробно. Если я где-нибудь буду повторять вещи, уже известные вам из курса

“Теория ДВС”, то вы мне скажите, что данный материал вам уже известен и мы его оставим на самоподготовку. Но спрашивать его я все равно буду.

  

Итак, ДВС в настоящее время является самым широко распространенным типом энергетической установки. Они применяются в электроэнергетике (дизель-генератор), на транспорте (суда и автомобили), и других отраслях промышленности. Широкое их применение обусловлено тем, что по сравнению с другими типами энергетических установок ДВС обладают: во-первых сравнительно высоким КПД и малым удельным весом (вес на единицу мощности).

    

Типы конструкции современных ДВС разнообразны. Однако по принципу воспламенения в них топлива они делятся на 2 большие группы:

1) с воспламенением от электрической искры (карбюраторные);

2) с самовоспламенением (дизели).

 

Для каждой из этих групп характерны свои термодинамические циклы. И мы с вами начнем с первой группы карбюраторных двигателей, которые работают по циклу Отто.

 

3.9.1. Цикл с подводом теплоты при V=Const. (Цикл Отто).

 

Первый двигатель, работающий по такому циклу был построен в 1877 году немецким механиком Отто, откуда и пошло название цикла. Хотя принцип работы этого двигателя был запатентован несколько ранее, в 1862 году французским инженером Бо-де-Рома.

 

В настоящее время по этому циклу работают карбюраторные и газовые двигатели, общим для которых является внешнее смесеобразование.

 

Давайте рассмотрим рабочий процесс двигателя с воспламенением от электрической искры. Для этого изобразим его в индикаторной диаграмме (р-v) в зависимости от перемещения поршня за один цикл. Такую диаграмму можноснять с работающего двигателя. Для примера рассмотрим 4-х цилинд-

ровый двигатель.

т.О — открывается всасывающий клапан, поршень двигается вправо.

0-1 — в цилиндр происходит всасывание смеси воздуха с парами топлива из карбюратора. Поршень двигается вправо. Из-за дроссилирования поступающего заряда во входном клапане процесс протекает при давлении ниже атмосферного р»0,9 бара.

т.1 — всасывающий клапан закрывется, поршень начинает двигаться влево, сжимая поступившую в цилиндр смесь воздуха с парами топлива.

1-2 — сжатие рабочей смеси в цилиндре до давления Р2»9-12 бар и температуры t2»300-400°С. Температура в конце сжатия должна быть обязательно ниже температуры самовоспламенения смеси t2<tc.в..

т.2 — смесь воздуха с топливом зажигается от электрической искры. Поршень в крайнем левом положении.

2-3 — сгорание рабочей смеси при V=Const. Поршень неподвижен. К рабочему телу за счет сгорания топлива подводится теплота q1. Давление и температура смеси резко повышаются (Р3»25-30 бар; t3»2000°C). Процесс протекает почти мгновенно.

3-4 — поршень идет вправо и происходит расширение продуктов сгорания, совершается полезная работа цикла.

т. 4 — открывается выпускной клапан, поршень начинает двигаться влево.

4-0 — происходит выхлоп отработавших газов в атмосферу. Процесс протекает при давлении Р»1-1,5 бар и температуре 700-800°С.

 

Далее цикл снова повторяется. На построенном цикле можно отметить индикаторную работу в цилиндре Li.

 

Для удобства термодинамического исследования данного двигателя давайте рассмотрим идеальный образец его цикла: цикл, состоящий из 2-х изохор и 2-х адиабат. Для этого примем следующие допущения:

 

1) цикл замкнутый (замкнем по линии 4-1) и масса рабочего тела в нем постоянна;(реальный цикл разомкн.);

 

2) рабочим телом цикла является идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

 

3) процесс сгорания эквивалентен подводу необходимого количества тепла q1 при V=Const.

 

4) процесс уноса тепла при выхлопе продуктов сгорания равносилен равновесному отводу тепла в теплоотдатчик при V=Const.

 

5) механические потери и рассеивание тепла в окружающую среду отсутствует.

 

  На основании принятых допущений заменим индекаторную диаграмму на

изображение цикла Отто в P-V и Т-S координатах.

1-2 адиабатическое сжатие рабочего тела

2-3 изохорный процесс подвода тепла при V2=Const(сжигание топлива)

3-4 адиабатное расширение рабочего тела(совершение полезной работы

расширения.

4-1 изохорный процесс отвода тепла q2 (аналог выхлопа).

 

Площадь цикла 1-2-3-4-1 будет соответствовать полезной работе полученной в идеальном цикле.

 

 Количество тепла, подводимое к рабочему телу в процессе (2-3) характеризуется площадью к-2-3-м на Т-S диаграмме и в соответсвии с формулами обратимого изохорного процесса может быть определено как:

                                                  q1=СV(T3-T2)                                              (3.22)

 Количество тепла, отводимое в атмосферу в изохорном процессе 4-1 определится как (m-к-1-4-m):

                                                  q2=СV(Т4-Т1)                                               (3.23)

Полезная работа, совершенная в таком идеальном цикле определится как:

                                                  l0=q1-q2

на Т-S диаграмме она соответствует площади 1-2-3-4.

 

 Эффективность нашего идеального цикла (цикла Отто) будет характеризоваться его термическим КПД, который можно определить по общему, для обратимых циклов уравнению:

                                                                         

                                  ht=                                                          (3.24)

 

Подставим в полученное уравнение (3.24) значение q2 и q1 из уравнений (3.23) и (3.22).                                                                                             (3.25.):  

                                                                                                                                                                                                                                                

 

Для удобства постараемся выразить все температуры, входящих в выражение

для термического КПД цикла через Т1. При этом будем учитывать, что:

 

 — степень сжатия, она показывает уменьшение объема рабочего тела в процессе сжатия;

Р3/Р2 = l — степень повышения давления при сгорании топлива.

 

В соответствии с уравнением адиабатного процесса (1-2) сжатия мы можем определить температуру рабочего тела после сжатия Т2:

                   

                             Т2=Т1

Изменение температуры в изохорном процессе подвода тепла при V2=Сonst, в соответствии с уравнением процесса определится как:

                                         Т3=Т2

Изменение температуры в процессе адиабатного расширения (3-4) определит ся как:

                                  

 

это справедливо, т.к.из Р-V диаграммы видно, что V3=V2 и V4=V1, таким образом можно записать, что:

       

                                   Т4=Т3  

    

Это в соответствии с уравнением для Т3.

 

Подставим полученные выражения температур Т2,Т3,Т4 в уравнение термического КПД цикла:

                   

     ht=

                                                                   

                ht =                                                                                (3.26.)

  

Получили выражение для определения термического КПД двигателя с принудительным возгоранием топлива, работающего по циклу Отто.

      

  Термический КПД цикла Отто зависит от степени сжатия и возрастает с ее увеличением. Это совпадает с положением второго закона термодинамики, гласящего, что для повышения ht нужно стараться подводить теплоту при максимально больших температурах (с ростом степени сжатия она растет), а отводить при минимальномалых температурах.

    

   Таким образом для повышения термического КПД цика Отто необходимо увеличивать степень сжатия. Однако рост Е в данном цикле ограничен двумя причинами:

 

1. Опасностью преждевременного воспламенения рабочей смеси.

 

В процессе сжатия темепратура Т2 должна всегда оставаться ниже темературы самовоспламенения топлива:

     

Т2=Т1 Е^k-1 < Tc.в.»400-450°С

  Е <                                                                                           (3.27.)

 

2. Опасность детонации — при высоких Е появляется возможность детонации (горение со взрывом с очень большой скоростью). Это приводит к неполнму сгоранию топлива, перегреву и прогару стенок камеры сгорания и как следствие снижению мощности двигателя.

   

Поэтому предельные степени сжатия составляют:

  

- для карбюраторных двигателей Е=5-8

- для газовых двигателей Е=6-9.

 

Термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто сотавляет

 ht»0,4-0,45, т.е. относительно невелик.

  

Их эффективный КПД, равный hе=ht hm hi0 составляет всего 25-35%.

  

Итак, мы можем сделать вывод, что основным ограничением повышения термического КПД ДВС с подводом тепла при V=Const является предел повышения степени сжатия в них. Обойти этот предел позволяет применение двигателей с воспламенением рабочей смеси от сжатия. Такие двигатели работают по циклам со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера) и подводом тепла при р=Const.(цикл Дизеля).

 

 3.9.2. Циклы ДВС с воспламенением от сжатия (Циклы Тринклера и Дизеля).

 

Для ДВС, работающих с воспламенением топлива от сжатия, характерна раздельная подача воздуха и топлива в цилиндр. В них в цилиндре двигателя сжимается чистый воздух, поступающий через всасывающий клапан, а топливо подается в цилиндр через специальную форсунку в конце процесса сжатия. Процесс смесеобразования протекает непосредственно внутри цилиндра.

   

Такие двигатели -дизели- подразделяются на 2 большие группы:

 

 1. Компрессорные - в них распыл топлива в цилиндр осуществляется сжатым воздухом, производимым навешенным на двигатель компрессором. В этом как раз и заключается их основной недостаток. Ведь наличие компрессора усложняет конструкцию двигателя и на привод его отбирается до 30% от мощности, вырабатываемой ДВС. Такие двигатели работают по циклу с подводом тепла при Р=Const — циклу Дизеля. Свое название он получил вчесть немецкого инженера Дизеля, который в 1892-1895 годах изобрел 1-ый компрессорный двигатель с воспламенением от сжатия.

 

 2. Бескомпрессорные - в которых топливо в цилиндре распыляется механическими форсунками. Они лишены отмеченного для компрессорных ДВС недостатка и в настоящее время получили наиболее широкое применение в промышленности и на транспорте. Данный класс ДВС работает по циклу со смешанным подводом тепла при V=Const и Р=Сonst — циклу Тринклера.

 

Назван в честь русского инженера Тринклера, запатентовавшего первым в мире бескомпрессорный дизель (1895-1904гг.).

 

Давайте и мы с вами, с термодинамической точки зрения, рассмотрим эти 2 основные цикла ДВС своспламенением топлива от сжатия. При этом начнем с цикла со смешанным подводом тепла — цикла Тринклера, как с наиболее общего, а затем на его базе перейдем к циклу Дизеля.

 

Индикаторная диаграмма 4-х тактного ДВС, работающего по циклу Тринклера имеет следующий.

 

0-1 наполнение цилиндра чистым воздухом (без топлива).(Поршень идет вниз).

1-2 сжатие чистого воздуха в цилиндре. Причем степень сжатия данного процесса составляет Е= -24, что существенно выше чем у карбюраторных ДВС. Температура воздуха в конце процесса сжатия оказывается больше, чем температура самовоспламенения топлива

 Т2>Тсам.в. и составляет порядка 700-800°С.(поршень вверх).

т.2 В этой точке происходит впрыск мелкораспыленного топлива в цилиндр с помощью форсунки. Впрыск производится под большим давлением Рвыр.»300бар. Топливо попадая в цилиндр самовоспламеняется.

2-3 Частичное сгорание топлива при V2=Const. Данный процесс протекает очень быстро и поршень при этом практически неподвижен. В данном процессе к рабочему телу подводится теплота q1 и при этом давление и температура его повышаются до значений Р3 и Т3. Степень повышения давления данного процесса .

3-4 Окончательное догорание топлива при Р3= Const. При этом поршень начинает двигаться вниз В данном процессе к рабочему телу подводится теплота q1 и его температура повышается до величины Т4. Этот процесс характеризуется степенью предварительного расширения .

 

В цикле Дизеля, в отличие от цикла Тринклера все сгорание топлива протекает при Р=Const. Поэтому степень повышения давления в нем:

 l= Р2/Р3=1. Точки 2 и 3 в нем совпадают. Т.е. линия 2-3 в них отсутствует.

4-5 Процесс расширения продуктов сгорания (поршень идет вниз).

5-0 Выхлоп отработавших продуктов сгорания в атмосферу.

 

Таким образом, мы видим, что рабочему ходу поршня, на котором совершается полезная работа цикла, для двигателей с воспламенением топлива от сжатия соответствуют процессы 2-3-4-5. (у компрессорных ДВС процесс 2-3 отсутствует.

  

Для термодинамического анализа этих процессов, так же как и для цикла Отто, рассмотрим идеальный случай, т.е. примем те же самые допущения (см.стр.109): - цикл замкнутый

                  - рабочее тело идеальный газ

                  - механические потери отсутствуют

                  - выхлоп=отводу тепла при V=Соnst

                  - сгорание= подводу тепла при V=Const+P=Const

  

Полагая, что в цилиндре находится 1 кб рабочего тела и все процессы в цикле обратимые мы можем изовразить цикл ДВС с подводом тепла при P=Const и V=Сonst в P-V и Т-S диаграмме. Он будет состоять из:

 

1-2 - адиабатическое сжатие q=0; DS=0.

2-3 - изохорный процесс V2=Const подвода тепла q1.

3-4 - изобарный процесс Р3=Const подвода тепла q1.

4-5 - адиабатное расширение продуктов сгорания q=0.

5-1 - изохорный процесс V1=Const отвода теплоты q2 от рабочего тела в теплоприемник.

   

При этом полезная работа цикла в Р-V координатах изобразится площадью

фигуры 1-2-3-4-5-1.

Количество тепла q1, подводимое к рабочему телу в изохорном процессе 2-3 можно определить как:          

                                      q¹1= СV(T3-T2).                                                     (3.28.)

На Т-S диаграмме ему будет соответствовать площадь к-2-3-m.

   

Количество тепла q¹¹1, подводимое к рабочему телу в изобарном процессе

3-4 определится как:

                                           q¹¹1= Ср(Т4-Т3)                                                   (3.29.)

На Т-S диаграмме ему будет соответствовать площадь m-3-4-l.

   

Общее количество тепла сообщенное рабочему телу в цикле Тринклера определится суммой q¹1 и q¹¹1:

                                        q1= q¹1+ q¹¹1=CV(T3-T2)+ Ср(Т4-Т3)                    (3.30.)

Количество тепла, отводимого от продуктов сгорания в изохорном процессе 5-1 к теплоприемнику мы можем также определить из знаний 1-го закона термодинамики:

                                                          q2=CV(T5-T1)

В соответствии с общим уравнением термического КПД тепловой машины, учитывая, что полезная работа обратимого цикла l0=q1-q2, для цикла Тринклера мы можем записать, что:

         

ht=

или, если поделить числитель и знаменатель данного выражения на Сv то получим (Ср/СV = k):             

   ht=                                                            (3.31.)

Для приведения полученного уравнения термического КПД цикла Тринклера к более удобному виду выразим в нем все температуры через температуру Т1. При этом будем учитывать принятые нами обозначения:

 

 - степень сжатия;

 - степень повышения давления;

 - степень предварительного расширения при сгорании.

 

    Рассмотрим основные процессы цикла Тринклера:

1-2 - адиабатное сжатие. в соответствием для соотношения параметров в адиабатном процессе можно записать:

                                  

                   

 

2-3 - изохорный подвод тепла - для него мы имеем:

 

                         

3-4 - изобарный процесс подвода тепла, для него нам известно следующее соотношение параметров:

                                         

4-5 - адиабатное расширение продуктов сгорания для которого выберем соотношение между удельными объемами и температурами процесса:

  

                                      

 т.к. из Р-V диаграммы видно, что V5=V1. Для того, чтобы найти соотношение

V4/V1 возьмем отношение степени предварительного расширения r к степени сжатия Е1, учитывая, что V3=V2

                                                                                

в соответствиис полученным соотношением имеем:

                                  

Таким образом мы выразили все температуры в цикле через Т1 и теперь можем их подставить в уравнение термического КПД цикла Тринклера (3.31.)

 

 ht=1

Видим, что температура Т1 сокращается, а в знаменателе мы можем вынести за скобку Е:        

                ht =

                ht=                                                        (3.32.)

 Мы получили формулу термическогоКПД смешанного цикла бескомпрессорного двигателя.

  

В компрессорных двигателях процессы протекают по циклу Дизеля с полным сгоранием топлива при Р=Const и в нем, как мы отметили, по сравнению с циклом Тринклера отсутствует процесс (2-3). С учетом данного замечания цикл Дизеля в Р-V и Т-S диаграммах изобразится следующим образом.

      

Цикл Дизеля:

 

 Е=V1/V2; l = 1; r = V3/V2;   T2 = T1 E^k-1;

   ;  V4=V1;

  ht=

 

1-2 - адиабатическое сжатие

2-3 - изобарный подвод тепла

3-4 - адиабатное расширение продуктов сгорания

4-1 - изохорный отвод тепла от продуктов сгорания.

 

Формулу термического КПД цикла Дизеля выводят аналогично ht для цикла Тринклера, как вы и поступите, если на контрольной или экзамене вам такой цикл достанется. Я жу воспользуюсь тольклчто выведенным мною уравнением термического КПД цикла Тринклера (3.32.).

 

В данном цикле степень повышения давления продуктов сгорания при сжигании топлива l=1 т.к. Р2=Р3 (см. рисунок цикла Тринклера). Поэтому формула ht цикла Дизеля может быть получена из уравнения (3.32) подстановкой туда вместо l=1.      

                      ht=                                                              (3.33.)

Таким образом мы получим формулы для определения термических КПД двигателей с воспламенением топлива от сжатия. Из нее мы видим, что

 ht=f(E; l; r). Причем он увеличивается с повышением степени сжатия Е и степени повышения давления l и уменьшается с ростом степени предварительного расширения r.

   

Термический КПД двигателей с воспламенением от сжатия составляет:

                                                                                       ht» 0,55-0,65,

                                     а эффективный их КПД:  ht» 0,35-0,45%,

что больше, чем для карбюраторных двигателей.

 

Увеличение эффективности дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями достигается за счет существенного увеличения степени сжатия в них (Е=12-16), что возможно при сжатии чистого воздуха, при котором исчезает опасность преждевременного воспламенения топлива.

    

Значение степени повышения давления l и степени предварительного расширения r для дизелей зависит от нагрузки двигателя и качества смесеобразования в цилиндре. При этом желательно, чтобы процесс сгорания в них протекает преимущественно при V=Const. Это позволяет нам повышать l и уменьшать r, что положительно сказывается на эффективность (ht) двигателя.

   Ну, и чтобы окончательно расставить все точки над “i” давайте проведем сравнение рассмотренных нами идеальных циклов ДВС: цикл Отто, Дизеля.

 

   3.9.3. Сравнение идеальных циклов двигателей внутреннего сгорания.

 

Итак, степень совершенства любого цикла определяется значением его термического КПД ht, который может быть определен как ht= . Т.к. в уравнении КПД присутствуют значение теплоты q1 и q2, а они наиболее наглядно представляются в тепловой Т-S диаграмме, то именно ей мы с вами и воспользуемся для сравнительного термодинамического анализа.

    

Давайте изобразим в Т-S координатах 3 цикла:

цикл Отто с подводом теплоты при V=Const, цикл Дизеля с подводом тепла при Р=Const и цикл Тринклера со смешанным подводом тепла.

    

Будем полагать, что во всех этих циклах будет отводиться к теплоотдатчику

одно и тоже количество тепла q2. Т.е. процесс 1-4 будет для всех них одинаков. Однако степень сжатия в них будет различна, мы знаем, что больше она в циклах Дизеля и Тринклера.

 

 1-2-3-4-1 — цикл Отто с подводом тепла при V=Const.

                  Для него max температура в крнце процесса сжатия граничена

             значением температуры самовоспламенения топлива. Количество

             тепла, сообщенное рабочему телу в данном цикле соответствует пло-

             щади q10=Sm-2-3-n.

 

  1-5-6-4-1 — цикл Дизеля с подводом тепла при Р=Const.

                 Температура воздуха в конце процесса сжатия такого цикла будет   

            выше, чем в цикле Отто(отпадает ограничение по температуре

            самовоспламенения топлива) следовательно степень сжатия в

            нем тоже будет выше. Теплота, сообщаемая при этом рабочему

            телу соответствует площади q1D = Sm-5-6-n, причем она будет больше,

            чем в цикле Отто.

                                            

                                                       ht0=

Получается, что термический КПД цикла с подводом тепла при Р=Const больше, чем цикла с подводом тепла при V=Const т.к. q10<q1D, а количество отводимого тепла одинаково.

 

  1-5-7-8-4-1 — цикл Тринклера со смешанным подводом тепла. Предполагая,

            что для данного цикла степень сжатия такая же как и для цикла

            Дизеля, можно заметить, что вследствии предварительного подвода

            тепла при V=Const max температура цикла повышается больше, чем    

            в цикле Дизеля. Теплота, сообщаемая рабочему телу в цикле

            Тринклера соответствует площади на Т-S диаграмме q1Т=Sm-5-7-8-n,

            большей чем в цикле Отто и Дизеля, следовательно:

                                         htT > htD > ht0

  

Таким образом, наиболее экономичным с термодинамической точки зрения

является цикл со смешанным подводом тепла — цикл Тринклера.

 

При этом в цикле Тринклера, как, в общем-то, и в других иклах ДВС заметна еще одна возможность повышения их термодинамического КПД. Для примера давайте взглянем на цикл Дизеля.

       

   Из диаграмм мы видим, что при отводе тепла отработавших газов мы не срабатываем перепад давлений между точками 4 и 1. Его можно использовать, если установить турбину, работающую на выхлопных газах дизеля (турбонаддув) и позволяющий провести их расширение от давления Р4 до атмосферного давления Р5. Установка такой турбины позволит увеличить полезную работу цикла установки и как следствие повысить ее термический КПД.

 

Увеличение КПД дизеля возможно за счет срабатывания перепада давлений между т.4 и атмосферой в специальной утилизационной турбине, на валу которой устанавливается турбокомпрессор, осуществляющий предварительное сжатие поступающего в двигатель воздуха.

 

На этом мы заканчиваем рассмотрение идеальных циклов ДВС. Более подробно их и процессов необратимости в ДВС вы коснетесь в специальных курсах. Если ко мне нет вопросов, то перейдем к новой теме.