Поршневые двигатели

Поршневые двигатели нашли, пожалуй, самое большое распространение среди тепловых двигателей.

1. Циклы двигателей с изохорным подводом тепла.

«Отцом» двигателей, работающих по данному циклу, является немецкий инженер Николаус Август Отто. Это карбюраторные двигатели.

Рис. 16. Принципиальная схема и индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания при подводе теплоты при v = const.

Общее устройство и принцип действия двигателей, работающих по принципу цикла Отто представлены на рис. 16.

Двигатель состоит из цилиндра 1, поршня 2, выпускного клапана 3, источника зажигания (свечи) 4, впускного клапана 5.

Поршень свободно движется внутри цилиндра и имеет две крайние точки, которые соответственно называются верхней мёртвой точкой (ВМТ) и нижней мёртвой точкой (НМТ).

Начальное состояния двигателя – поршень находится в ВМТ, клапана закрыты. Работа двигателя начинается с движения поршня от ВМТ к НМТ. В это время открывается впускной клапан 5 и цилиндр заполняется топливно-воздушной смесью. На графике это линия а-1. Т.к. топливно-воздушная смесь не изменяет ни удельный объём, ни температуру, ни давление, то а-1 нельзя считать процессом.

Процесс работы двигателя можно условно разбить на 4 части:

- 1-2 – адиабатное сжатие. В НМТ закрывается впускной клапан и поршень начинает движение от НВТ к ВМТ. В цилиндре возрастает давление и температура.

- 2-3 – изохорный подвод тепла. При нахождении поршня в ВМТ на свечу подаётся напряжение и проскакивает искра. Т.к. для работы используется высокооктановое топливо, да к тому же уже сильно нагретое и сжатое, то воспламенение происходит мгновенно. Резко повышается температура и давление. В этом процессе к системе подводится теплота Q₁ за счёт сгорания топлива.

- 3-4 – адиабатное расширение. Поршень движется от ВМТ к НМТ. Падает давление и понижается температура.

- 4-b – открывается выпускной клапан 3, поршень движется от НМТ к ВМТ и горячие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При этом у продуктов сгорания опять-таки не изменяются ни температура, ни давление, ни объём, поэтому это нельзя назвать процессом.

В термодинамике точки 4 и 1 соединяют линией и принимают, что процесс отдачи тепла Q₂ идёт по изохоре.

Диаграммы работы цикла Отто представлены на рис. 17 в координатах p-v (а) и T-s (б).

Рис. 17. Термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при v = const.

Основными характеристиками цикла являются:

- e = v₁/v₂ – степень адиабатного сжатия;

- l = P₃/P₂ – степень повышения давления.

Термический к.п.д. определяется как

Из представленного выражения видно, что к.п.д. зависит только от показателя адиабаты и степени сжатия. В современных двигателях степень сжатия достигает 7-12. Степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения смеси.

2. Циклы двигателей с изобарным подводом тепла.

Изобретателем двигателей с изобарным подводом тепла является немецкий изобретатель Рудольф Дизель. Отсюда и пошло название целого класса двигателей. Устройство и принцип действия двигателей с изобарным подводом тепла (P = const) представлены на рис. 18

Рис. 18. Принципиальная схема и индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при p = const.

По аналогии с вышеупомянутым двигателем двигатель Дизеля состоит из цилиндра 1, поршня 2, выпускного клапана 3, впускного клапана 5. В двигателях Дизеля отсутствует источник зажигания, но добавлены форсунки 4 для впрыска мелкодисперсного топлива.

Движением поршня а-1 в цилиндр закачивается атмосферный воздух

- 1-2 - адиабатное сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Температура и давление воздуха в цилиндре повышаются.

- 2-3 - изобарное расширение. При нахождении поршня в ВМТ в цилиндр с помощью форсунок впрыскивается мелко распылённое топливо. Степени сжатия таких двигателей очень большие и выбираются таким образом, чтобы температура сжатого воздуха превышала температуру воспламенения впрыснутого топлива. Для работы дизельных двигателей используются дизельные топлива (солярка), скорость горения которых намного ниже, чем у высокооктановых топлив. Впрыснутое топливо воспламеняется и начинает гореть. Т.к. топливо горит медленно, то повышение давления компенсируется движением поршня назад. Поэтому считается, что подвод тепла осуществляется по изобаре.

Дальнейшие этапы работы аналогичны работе цикла Отто.

Диаграммы работы цикла Дизеля представлены на рис. 19 в координатах p-v (а) и T-s (б).

Рис. 19 Термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при P = const.

Основными параметрами цикла являются

- e = v₁/v₂ – степень адиабатного сжатия;

- r = v₃/v₂ – степень предварительного расширения;

- d = v₄/v₃ – степень адиабатного расширения.

Термический к.п.д. определяется как

Термический к.п.д. цикла Дизеля зависит от степени сжатия e, степени предварительного расширения r и показателя адиабаты k.

В современных двигателях степень сжатия достигает 14-18.

3. Двигатели со смешанным подводом тепла.

Устройство таких двигателей предложил в 1904 году российский инженер Г.В. Тринклер. В некоторой литературе приоритет открытия приписывают Сабатэ. Часто встречается и обобщённое название цикла – цикл Тринклера-Сабатэ.

Рис. 20. Принципиальная схема и индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания при подводе теплоты при v = const и P = const.

Главная особенность устройства двигателя Тринклера состоит в отказе от компрессора и использовании предкамеры (форкамеры).

Принцип действия данного двигателя следующий:

а-1 – движение поршня от ВМТ к НМТ. Открывается впускной клапан и в цилиндр закачивается атмосферный воздух, после чего впускной клапан закрывается. По аналогии с другими двигателями а-1 не является процессом.

1-2 – адиабатное сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Происходит сжатие воздуха. Резко возрастают давление и температура. В устройствах двигателей такой конструкции степень сжатия выбирают таким образом, чтобы в конце сжатия температура сжатого воздуха была больше температуры воспламенения используемого топлива. При движении поршня максимальное давление создаётся у стенок поршня, поэтому поток горячего воздуха устремляется в предкамеру.

2-3 – изохорный подвод тепла. Жидкое, мелкодисперсное топливо подаётся в предкамеру через форсунку и топливо воспламеняется. Горение топлива происходит в предкамере, т.е. практически в замкнутом объёме. Мгновенно повышается температура и давление.

3-4 – изобарный подвод тепла. Т.к. давление в предкамере возросло и значительно превысило давление в цилиндре, то остатки несгоревшего топлива, оставшийся воздух и продукты сгорания устремляются в основной цилиндр, где и происходит догорания топлива. Т.к. для работы таких двигателей также используются дизельные топлива, которые горят сравнительно медленно, то повышение давления при горении топлива компенсируется движением поршня от ВМТ в сторону НМТ. При этом давление в цилиндре не меняется.

4-5 – адиабатное расширение, т.н. рабочий ход. После сгорания в т.4. последней капли топлива поршень продолжает своё движение в сторону НМТ.

Дальнейшие этапы работы аналогичны этапам вышеперечисленных двигателей – выброс продуктов сгорания в атмосферный воздух, который заменяет отвод тепла к холодильнику.

Термодинамический цикл двигателя со смешанным подводом тепла приведён на рис. 21.

Рис. 21. Термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при v = const и р = const.

Основными параметрами цикла являются

- e = v₁/v₂ – степень адиабатного сжатия;

- l = P₃/P₂ – степень повышения давления;

- r = v₄/v₃ = v₄/v₂ – степень предварительного расширения;

Термический к.п.д. определяется как