Двигатели внутреннего сгорания с подводом теплоты

при v =const (карбюраторные двигатели)

Характерными особенностями их являются:

1) низкая степень сжатия смеси (e = 6 … 10);

2) приготовление горючей смеси из лёгкого топлива и воздуха вне цилиндра двигателя в особом устройстве – карбюраторе;

3) зажигание смеси в конце процесса сжатия электрической искрой;

4) неполнота сгорания топлива (при недостатке кислорода проявляется главным образом в появлении в отработанных газах оксида углерода).

Образование горючей смеси у карбюраторных двигателей происходит в карбюраторах. На рис. 9.3 показана схема простейшего карбюратора. В поплавковую камеру 2 из топливного бака поступает топливо, уровень которого поддерживается постоянным при помощи поплавка 1 с иглой 7. Поплавковая камера сообщается с окружающей средой так, что топливо в камере находится под атмосферным давлением.

При движении поршня вниз к НМТ атмосферный воздух проходит через диффузор 5. Под действием разности давлений в поплавковой камере и диффузоре топливо из поплавковой камеры через специальное калиброванное отверстие 3, называемое жиклером, и распылитель 4 поступает в диффузор и распыляется, перемешиваясь с воздухом. Образуется горючая смесь, которая поступает в камеру сгорания двигателя. Количество горючей смеси, поступающей в двигатель, а следовательно, мощность двигателя регулируются дроссельной заслонкой.

Теоретический цикл карбюраторного двигателя. Когда поршень движется от ВМТ к НМТ, через впускной клапан в цилиндр двигателя при атмосферном давлении поступает горючая смесь (рис. 9.2, линия 0–1 на диаграмме в p - v координатах). При обратном ходе поршня смесь подвергается адиабатному сжатию 1–2. Теоретически в ВМТ в момент окончания сжатия от специального запального устройства "свечи" смесь воспламеняется. Сгорание смеси происходит мгновенно при постоянном объёме (процесс 2–3), поршень остаётся практически на месте, давление в цилиндре резко возрастает. Образующиеся в результате сгорания топлива продукты сгорания адиабатно расширяются при перемещении поршня к НМТ (процесс 3–4). Открывается выпускной клапан, и часть отработавших газов удаляется при неподвижном поршне (процесс 4–1); в точке 1 давление равно атмосферному, и дальнейшее удаление продуктов сгорания из цилиндра производится поршнем, движущимся к ВМТ (процесс 1–0).

Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления . Определим термический КПД этого цикла, полагая, что теплоемкость с_v и показатель адиабаты k постоянны.

Термический КПД цикла равен

. (9.1)

Количество подведённой теплоты в процессе 2-3 определится как

, (9.2)

а отведённой теплоты в процессе 4–1

. (9.3)

Тогда . (9.4)

Выразим T ₂, T ₃, T ₄ через T ₁, e и l. Для адиабатного процесса 1-2

Из уравнения изохорного процесса 2-3

Используя уравнение адиабатного процесса 3-4, получаем

Подставляя найденные значения температур в уравнение (9.4), получаем

. (9.5)

Из уравнения (9.5) следует, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты. С ростом e и k величина h _t увеличивается. Ниже в таблице приведены величины термического КПД цикла при различных значениях e и k.

Таблица 9.1

e
h _t	k =1.35	0.320	0.363	0.425	0.465	0.494	0.517	0.552
k =1.40	0.360	0.430	0.475	0.515	0.550	0.570	0.615

Для бензиновых двигателей степень сжатия ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси и определяется в основном сортом применяемого бензина. Ориентировочные значения степени сжатия для карбюраторных двигателей в зависимости от октанового числа топлива даны ниже.

Таблица 9.2

Октановое число	66 … 72	72 … 76	76 … 78	82 … 90	90 … 100
Степень сжатия	5.5 … 6.5	6.5 … 7.0	7.0 … 7.5	7.5 … 8.5	8.5 … 10.0

9.3. Двигатели внутреннего сгорания с подводом теплоты при p = const

Другой принцип сгорания топлива осуществляется в двигателях, конструкция которых была разработана в конце XIX века немецким инженером Дизелем. В этих двигателях в цилиндр всасывается, а затем сжимается только чистый воздух, что позволяет значительно повысить степень сжатия без всякой опасности самовоспламенения. Топливо с небольшим количеством воздуха, сжатым в специальном вспомогательном компрессоре, подается таким образом, чтобы давление в цилиндре в период горения сохранялось постоянным, поэтому и цикл называется ДВС с подводом теплоты при p = const.

Характерные особенности: 1) высокая степень сжатия воздуха (e = 14…20); 2) впрыскивание тяжёлого топлива внутрь цилиндра двигателя в конце процесса сжатия; 3) самовоспламенение топлива вследствие высокой температуры сжатого воздуха; 4) неполнота сгорания, характеризующаяся содержанием в отработанных газах сажи и небольшого количества оксида углерода.

Теоретический цикл ДВС с подводом теплоты при p = const

p - v диаграмма цикла представлена на рис. 9.4. В процессе 0–1 в цилиндр двигателя засасывается чистый атмосферный воздух, в процессе 1–2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха. Затем при давлении p ₂ (точка 2) через специальную форсунку впрыскивается топливо. За счёт высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении (процесс 2-3). Дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит по адиабате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-1), и затем продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу. Характеристиками цикла являются степень сжатия

и степень предварительного расширения

. Определим термический КПД цикла, полагая постоянными теплоёмкости c_p и c_v, а также показатель адиабаты k = c_p / c_v:

. (9.6)

Количество подведённой теплоты

, (9.7)

а количество отведённой теплоты равно

. (9.8)

Подставим значения q ₁ и q ₂в формулу для h _t, получим

. (9.9)

Выразим T ₂, T ₃ и T ₄ через e, r и k. Из уравнения адиабаты 1–2 следует

Для изобары 2-3 можно записать

, .

Из уравнения адиабаты 3-4 вытекает

или

Подставляя полученные значения температур в уравнение для термического КПД цикла, получаем

. (9.10)

Из уравнения следует, что . С увеличением e и k h _t увеличивается, а с увеличением r – уменьшается. Ниже приведены величины термического КПД цикла при различных r и e для k = 1.35. Здесь же даны значения температур в конце процесса сжатия, величина которых объясняет процесс воспламенения топлива.