Действительные циклы двигателей

Результаты приведённого в теме 9 анализа эффективности циклов двигателей внутреннего сгорания справедливы лишь для идеализированных циклов без учета необратимости и ряда других факторов. В реальных циклах рабочее тело по своим свойствам отличается от идеального газа с постоянной теплоёмкостью. Из-за неизбежного теплообмена газа со стенками цилиндров процессы сжатия и расширения происходят не по адиабате, а по политропе. Принудительное охлаждение стенок ещё больше увеличивает отклонение реальных процессов от адиабатических условий. Сгорание происходит за малые, но все же конечные промежутки времени, в течение которых поршень успевает переместиться, так что условие изохорности процесса сгорания выполняется не вполне строго. Неустранимы механические потери в механизмах. Это же относится и к процессу выхлопа.

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь цикл. Такую диаграмму называют индикаторной. На рис. 20.1 приведена индикаторная диаграмма ДВС со смешанным подводом теплоты. Всасывание рабочего тела происходит при давлении несколько ниже атмосферного (процесс 0–1), а выталкивание отработавших газов (линия 6–0) при давлении выше атмосферного (p ₀ = 1.06…1.2 бар). Температура выхлопных газов карбюраторных двигателей составляет 600…800 ^oС, а у ДВС со смешанным подводом теплоты 400…500 ^oС. Горение топлива в процессе 2–3 сопровождается некоторым увеличением объёма. Процесс сжатия рабочего тела (линия 1–2), вследствие наличия трения и теплообмена, является политропным и описывается уравнением . Значение показателя политропы n ₁ является переменным. Наибольшее влияние на n ₁ оказывают обороты двигателя. Чем обороты выше, тем больше n ₁, так как в меньшей мере сказывается охлаждающее действие стенок, и условия процесса приближаются к адиабатным. Зависимость между показателем политропы n ₁ и числом оборотов в секунду коленчатого вала (n) следующая:

. (20.1)

На основании опытных данных для двигателей при работе на вспомогательном режиме n ₁ = 1.32…1.36. Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия лежат в следующих пределах: для карбюраторных двигателей p ₂ = 8…15 бар, t ₂ = 350…450 ^oС; для ДВС со смешанным подводом теплоты p ₂ = 30…40 бар, t ₂ = 550…650 ^oС.

Процесс расширения продуктов сгорания также является политропным и описывается уравнением . Согласно опытным данным, для карбюраторных двигателей n ₂ = 1.24…1.28, причем с увеличением числа оборотов коленчатого вала n ₂ уменьшается, так как сильнее выражено догорание топлива и менее выражены процессы теплоотдачи. Для ДВС со смешанным подводом теплоты n ₂ = 1.18…1.24, и с уменьшением оборотов вала n ₂ увеличивается. Параметры продуктов сгорания в конце процесса расширения следующие: для карбюраторных двигателей p ₂ = 4…6 бар, t ₂ = 1220…1500 ^oС; для ДВС со смешанным подводом теплоты p ₂=2.5…3.5 бар, t ₂ = 600…900 ^oС.

Работа, совершаемая газами в цилиндре двигателя в течение одного рабочего цикла и равная по величине площади индикаторной диаграммы (см. рис. 20.1) в p-v координатах, называется индикаторной работой цикла L _i:

, (20.2)

где p _i - среднее индикаторное давление на вал.

Под средним индикаторным давлением понимают такое условно постоянное избыточное давление, которое, действуя на поршень в течение такта расширения, совершает работу, равную L _i.

Мощность, развиваемая рабочими газами внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью N _i (Вт):

, (20.3)

где i - число цилиндров в двигателе; n - число оборотов коленчатого вала в секунду; t - число, показывающее, за сколько оборотов вала совершается один цикл (для 4-тактного двигателя t = 2, для 2-тактного t = 1).