Циклы двигателей внутреннего сгорания

Лекция 9

Глава шестая

Циклы теплосиловых установок

Прямой цикл Карно

Для превращения теплоты в работу в непрерывно действую­щей машине нужно иметь тело или систему тел, от которых можно было бы получить теплоту («горячий» источник); рабо­чее тело, совершающее термодина­мический процесс, и тело или систе­му тел, способную охлаждать рабо­чее тело, т. е. забирать от него теп­лоту, не превращенную в работу («холодный» источник).

Рассмотрим случай, когда имеется один «горячий» с тем­пературой Т₁и один «холодный» с температурой Т₂источник тепло­ты.

Единственная возможность осу­ществления обратимого (состоящего только из равновесных процессов) цикла в этих условиях заключается в следующем. Теплоту от горячего источника к рабочему телу нужно подводить изотермически. Рав­новесно охладить рабочее тело от температуры горячего до температу­ры холодного источника, не отда­вая теплоту другим телам, можно только пу­тем адиабатного расширения с со­вершением работы. Процесс теплоотдачи от рабочего тела к холодному источ­нику тоже должен быть изотермиче­ским, а процесс повышения темпе­ратуры рабочего тела от Т₂до Т₁–адиабатным сжатием с затратой ра­боты. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, носит название цикла Карно.

Осуществление цикла Карно в тепловой машине можно пред­ставить следующим образом. Газ (рабочее тело) с начальными пара­метрами, характеризующимися точ­кой 4(рис. 6.1), помещен в цилиндр под поршень, причем боковые стен­ки цилиндра и поршень абсолютно не теплопроводны, так что теплота может передаваться только через основание цилиндра.

Рис. 6.1. Прямой цикл Карно

Вводим цилиндр в соприкоснове­ние с горячим источником теплоты. Расширяясь изотермически при тем­пературе Т₁от объема V₄ до объе­ма V₁, газ забирает от горячего ис­точника теплоту q₁=Т₁(s₁ – s₄).В точке 1подвод теплоты прекра­щаем и ставим цилиндр на теплоизолятор. Дальнейшее расширение рабочего тела происходит адиабатно. Работа расширения совершается при этом только за счет внутренней энергии, в результате чего темпера­тура газа падает до Т₂.

Теперь возвратим тело в началь­ное состояние. Для этого сначала поместим цилиндр на холодный ис­точник с температурой Т₂и будем сжимать рабочее тело по изотерме 23, совершая работу 1₂₃ и отводя при этом к нижнему источнику от рабо­чего тела теплоту q₂=Т₂(s₂ – s₃).

Затем снова поставим цилиндр на теплоизолятор, и дальнейшее сжатие проведем в адиабатных условиях. Работа, затраченная на сжатие по линии 34, идет на увеличение вну­тренней энергии, в результате чего температура газа увеличивается до Т₁.

В результате цикла каждый килограмм газа по­лучает от горячего источника тепло­ту q₁, отдает холодному теплоту q₂и совершает работу l_ц.

Для цикла Карно

.

Термический КПД цикла Карно зависит только от абсолютной температуры горячего и холодного источников.

     Также очевидно, что h_t=1 при Т₁®¥ либо Т₂®0. При Т₁=Т₂ – h_t=0.

Если осуществить обратимый цикл Карно в обратном направлении, то затратив на осущест­вление обратного цикла работу l_ц, можно перенести теплоту от источ­ника с низкой температурой к ис­точнику с более высокой температу­рой.

Обратный цикл Карно является идеальным циклом холодильных установок.

Эффективность холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом, определяемым как отношение количества теплоты, отнятой за цикл от холодильной камеры, к затраченной в цикле работе:

.

Для обратного цикла Карно

.

Используя обратный цикл Кар­но, запишем еще одну формули­ровку второго закона термодинами­ки, которую предложил Р. Клаузиус: теплота не может самопроизвольно (без компенсации) переходить от тел с более низкой к телам с более высокой температурой.

Циклы двигателей внутреннего сгорания

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются тепловые двигатели, рабочим телом которых служат газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри самого двигателя. Чаще всего это название относится к поршневым ДВС.

В настоящее время существует множество различных типов, видов и конструкций ДВС, отличающихся друг от друга по всевозможным признакам (скорость сгорания топлива, способ смесеобразования, тип продувки, быстроходность, архитектурная схема расположения цилиндров и т.д.). Но все поршневые двигатели можно разбить на две основные группы: низкого и высокого сжатия.

К двигателям низкого сжатия относятся карбюраторные и газовые. Отличительной особенностью этой группы является то, что сжатию в цилиндре подвергается смесь паров топлива с воздухом (горючая смесь). Если считать процесс 1 – 2 адиабатным, то температура в конце сжатия Т₂ определяется выражением:

                                                            ,                                                                

где v₁ / v₂ = e – степень сжатия рабочего тела в цилиндре.

Т.к. эта температура не должна достигать в таких двигателях температуры самовоспламенения горючей смеси, то степень сжатия в них относительно невелика:     e=5–8.

Другой характерной чертой таких ДВС является то, что зажигание рабочей смеси в них осуществляется от постороннего источника (чаще всего от искры электрического разряда). Нагретая в конце процесса сжатия горючая смесь, воспламенившись от искры, сгорает сравнительно быстро, при этом объем камеры сгорания между поршнем и головкой цилиндра почти не изменяется. Можно считать, что подвод тепла к рабочему телу осуществляется при v = const.

Диаграмма изменения давления в цилиндре двигателя за цикл снимается с помощью специального прибора – индикатора и называется индикаторной диаграммой. Линия 0–1 индикаторной диаграммы карбюраторного четырехтактного двигателя (рис. 6.2) отражает такт всасывания, происходящий при давлении несколько меньшем, чем атмосферное.

Рис. 6.2. Индикаторная диаграмма карбюраторного четырехтактного двигателя

 

Далее идет процесс сжатия рабочей смеси 1–2 по линии, приближающейся к адиабате, затем сгорание топлива 2–3, протекающее вблизи v=const. Под давлением продуктов сгорания поршень совершает рабочий ход, отражаемый на диаграмме процессом расширения 3–4. Такт выхлопа 4–0 замыкает рабочий процесс. Впервые двигатель со сжатием горючей смеси и воспламенением топлива от искрового разряда с последующим быстрым сгоранием был построен немецким изобретателем Отто в 1876 г.

Для термодинамического анализа удобнее рассматривать идеализированный цикл Отто, сохраняющий принципиальные черты действительного цикла. Переходя от реального цикла к термодинамическому, делают следующие допущения:

1) исключаются насосные ходы поршня (процессы всасывания воздуха и вытеснения газов);

2) цикл считается замкнутым, в нем участвует постоянное рабочее тело в количестве 1 кг;

3) состав рабочего тела не изменяется за время цикла, причем рабочее тело обладает свойствами идеального газа;

4) процессы сжатия рабочего тела 1–2 и расширения 3–4 осуществляются адиабатно;

5) процессы подвода и отвода тепла осуществляются по изохорам 2–3 и 4–1.

Таким образом, термодинамический цикл Отто состоит из двух изохор и двух адиабат (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Термодинамический цикл Отто

Площадь, ограниченная контурами цикла в р, v- диаграмме, представляет собой величину полезной работы цикла, в T, s- диаграмме – величину полезно используемой теплоты в цикле.

Термический КПД цикла с подводом тепла при v=const определяется из общего для всех циклов выражения , если в него подставить значения отведенного в процессе 4–1 тепла q₂=c_v (T₄ – T₁) и подведенного в изохорном процессе 2–3 тепла q₁= c_v (T₃ – T₂):

                                                        .                                                

Считая с_v=const, преобразуем последнее уравнение к виду

                                           .                                               

Из адиабаты 1–2 имеем:

                                                ,                                                     

а из адиабаты 3–4:

                                                .                                                     

Правые части последних двух выражения равны, поэтому T₁ / T₂ = T₄ / T₃,

                                                     .                                                         

Окончательно получаем

                                                ,                                                    

или, с учетом что v₁ / v₂ = ε,

                                                .                                                    

Из последней формулы видно, что термический КПД цикла ДВС с подводом тепла при постоянном объеме зависит только от степени сжатия ε, с увеличением которой h_t возрастает.

Существенного повышения ε добиваются в двигателях высокого сжатия, в которых сжимается не горючая смесь, а чистый воздух. Температура конца процесса сжатия должна превышать температуру воспламенения топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, так как двигатель работает без постороннего источника зажигания, за счет самовоспламенения паров топлива. Степень сжатия при этом у современных двигателей достигает ε = 12–20.

По имени немецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1897 г. двигатель, работающий по этому принципу, двигатели внутреннего сгорания высокого сжатия называются дизелями.

В первых дизелях с целью улучшения распыливания топлива использовался сжатый воздух. Привод компрессора осуществлялся от вала двигателя, расходуя значительную часть его мощности. Применение форсунок с воздушным распыливанием позволяет так отрегулировать процесс горения при одновременном увеличении камеры сгорания, что он протекает практически при постоянном давлении: р = const. В остальном цикл Дизеля (рис. 6.4) аналогичен рассмотренному ранее циклу Отто.

Рис. 6.4. Цикл Дизеля

 

Термический КПД цикла с изобарным подводом тепла

                     .                         

В изобарном процессе подвода тепла 2–3 происходит некоторое увеличение объема до начала адиабатного процесса расширения 3–4. Поэтому для характеристики цикла Дизеля вводится показатель – степень предварительного расширения ρ:

                                                  .                                                      

Отношение температуры T₄ / T₁ также можно выразить через ρ, воспользовавшись уравнениями процессов 4–3 и 1–2:

; .

Т.к. v₄ = v₁, то

                                          .                                              

Окончательно получаем:

                                           .                                               

Термический КПД с ростом ε, как и в цикле Отто, увеличивается, а с ростом ρ, что соответствует увеличению нагрузки на двигатель, падает.

К 1904 г. относят изобретение двигателя русского инженера Тринклера, который запатентовал форсунку, способную распыливать топливо без помощи сжатого воздуха. Плунжерным насосом создается высокое давление топлива (до 150–200 МПа), за счет чего осуществляется механическое его распыливание при впрыске в камеру сгорания. Горение топлива при этом происходит в две стадии.

Вследствие периода задержки воспламенения топлива происходит его накопление и испарение. Образовавшаяся горючая смесь после самовоспламенения сгорает почти мгновенно. Эта стадия горения соответствует изохорному участку 2–z подвода тепла q_1v в термодинамическом цикле двигателя Тринклера (рис. 6.5). Сгорание остальной части топлива происходит постепенно по мере поступления его из форсунки. На p, v- диаграмме это отражается изобарным участком подвода тепла q_1p в процессе z–3.

Такой характер горения топлива свойственен большинству современных бескомпрессорных дизелей.

Рис. 6.5. Цикл двигателя Тринклера

 

Термический КПД цикла со смешанным подводом тепла

                     .                         

Выразим отношение температуры через характеристики ДВС –
e, λ, ρ.

Для изохоры 4–1, используя уравнения адиабат 4–3 и 1–2: ; , имеем

                                      ,                                          

где λ = р₃ / р₂ – степень повышения давления в процессе изоxoрного подвода тепла.

    Для изохоры 2–z

                                                 .                                                     

Поскольку T₃ / T_z = v₃ / v_z = ρ, то

                                              .                                                  

    Окончательно получаем

                                    .                                        

Формула термического КПД смешанного цикла имеет в известной мере обобщающее значение, так как из нее могут быть получены выражения η_t циклов Отто и Дизеля.

Для решения вопроса о целесообразности использования того или иного цикла ДВС проведем их термодинамическое сравнение в Т, s- диаграмме (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Термодинамическое сравнение циклов ДВС в Т, s- диаграмме

Будем считать, что отведенное тепло q₂ во всех случаях одинаково. Степень сжатия e в смешанном Цикле и в цикле Дизеля существенно выше, чем в цикле с изохорным подводом тепла. Поэтому точка 2_v расположится на адиабате сжатия много ниже, чем точка 2_p и 2_см (которые можно совместить, так как e в циклах Дизеля и Тринклера примерно одинаковы). Точки конца процесса подвода тепла 3_v, 3_р, 3_см получаются из построения соответствующих процессов: v = const, p = const и смешанного

При равных значениях q₂ величина термического КПД η_t =1 – q₂ /q₁ будет определяться значением q₁. Как видно из диаграммы, q_1см > q_1p > q_1v, поэтому              η_{t см} > η_{t p} > η_{t v}.

Сравнение циклов показывает, что термический КПД бескомпрессорных дизелей имеет наибольшее значение, поэтому они широко применяются в качестве стационарных и судовых установок, а также в тяжелых транспортных средствах – тепловозах, самосвалах. Двигатели же низкого сжатия, в частности бензиновые карбюраторные ДВС, работают с наименьшим КПД. Тем не менее, они имеют большое распространение (в силу малого веса) в автомобильном транспорте и в других случаях, когда бывает необходимость в легком двигателе.

Что же касается компрессорных дизелей, работающих по циклу с подводом тепла при р=const, то в настоящее время они не применяются, так как имеют низкий эффективный КПД из-за больших потерь мощности на привод компрессора для сжатия воздуха.

 

Лекция 10