Лекция 3. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

Основные параметры поршневых двигателей. На современных автомобилях устанавливают поршневые бензиновые (карбюраторные и инжекторные, с впрыском бензина) и дизельные двигатели. На рис. 2.1. представлена принципиальная схема Д.В.С., пользуясь которой рассмотрим основные понятия и определения, принятые для двигателей.

При перемещении поршня в цилиндре различают два крайних его положения — верхнее и нижнее, которые называют верхней и нижней мертвыми точками. Верхней мертвой точкой называют положение поршня в цилиндре, наиболее удаленное от оси коленчатого вала; нижней мертвой точкой — минимально удаленное положение поршня от оси коленчатого вала. В мертвых точках скорость поршня равна нулю, так как в них изменяется направление перемещения поршня.

Перемещение поршня от верхней до нижней мертвой точки называют ходом поршня и обозначают буквой , который соответствует половине оборота коленчатого вала и равен двум радиусам кривошипа.

Ряд периодически повторяющихся процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск) в каждом цилиндре двигателя, в результате которых осуществляется преобразование тепловой энергии в механическую работу, называют рабочим циклом или рабочим процессом двигателя. Часть рабочего цикла двигателя, совершаемого за один ход поршня, называют тактом. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за четыре такта (хода поршня) или за два оборота коленчатого вала, называют четырехтактным. Двигатель, у которого рабочий цикл совершается за два такта или за один оборот коленчатого вала, называют двухтактным. Объем, описываемый поршнем при его перемещении от верхней до нижней мертвой точки, т.е. пространство между ВМТ и НМТ называют рабочим, который определяется по формуле где D — диаметр цилиндра, м; S — ход поршня, м.

Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в верхней мертвой точке называют объемом камеры сгорания и обозначают через V_c. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в нижней мертвой точке называют полным объемом цилиндра и обозначают через . Полный объем цилиндра равен сумме рабочего объема цилиндра и объема V_c камеры сгорания, т.е.

Сумму рабочих объемов всех цилиндров называют литражом двигателя и определяют по формуле где число цилиндров двигателя

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называют степенью сжатия и определяют по формуле

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем цилиндра над поршнем при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю. Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давление рабочей смеси при подходе поршня к ВМТ.

С увеличением степени сжатия повышается мощность и топливная экономичность двигателя. Однако повышение сжатия карбюраторных двигателей возможно лишь до определенных пределов, после достижения которых увеличение степени сжатия приводит к преждевременному самовоспламенению рабочей смеси и вызывает взрывное сгорание – детонацию.

Различные виды жидких и газообразных топлив имеют разные температуры воспламенения, поэтому вид топлива, на котором работает двигатель, определяет его степени сжатия. Автомобильные двигатели, работающие на бензине (карбюраторные двигатели), имеют степень сжатия 6-10, на газе – 7-9, а дизельные – 15-20.

Теоретические циклы ДВС.В реальном ДВС преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую сопровождается комплексом сложных физико-химических и термодинамических процессов. Эти процессы при работе двигателя периодически повторяются в полостях цилиндров и составляют рабочий цикл.

Рассмотрим принципиальную схему четырехтактного поршневого ДВС (рис.2.2) и индикаторную диаграмму его рабочего цикла, представляющую графическую зависимость давления рабочего тела от объема внутренней полости цилиндра.

В цилиндре 1 перемещается поршень 4, соединенный шатуном 2 с кривошипом коленчатого вала 3. В головке цилиндра предусмотрены впускной 5 и выпускной 6 клапаны, связывающие внутрицилиндровую полость с атмосферой. Поршень совершает возвратно-поступательное движение, коленчатый вал - вращательное, причем одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

Действительный рабочий цикл такого двигателя протекает следующим образом. При перемещении поршня 4 от внутренней мертвой точки к наружной в полости цилиндра создается разрежение, и при открытом впускном клапане 5 (точки и ) происходит такт впуска (линия ); причем в дизеле в цилиндр поступает воздух, а в карбюраторном двигателе — горючая смесь.

При перемещении поршня в обратном направлении при закрытых клапанах осуществляется такт сжатия (линия ); при этом давление и температура рабочего тела повышаются. В конце такта сжатия в цилиндр дизеля впрыскивается топливо (точка т), которое воспламеняется под действием высокой температуры (двигатель с воспламенением от сжатия); в карбюраторном двигателе воспламенение рабочей смеси осуществляется электрической искрой (двигатель с принудительным воспламенением). С этого мгновения начинается сгорание топлива. Давление в цилиндре вследствие выделяющейся теплоты резко повышается. Сгорание большей части топлива происходит почти мгновенно, поэтому начальную фазу процесса сгорания (линия ) считают изохорной. В действительности, особенно в дизеле, в точке z сгорание не заканчивается, и часть топлива сгорает при увеличивающемся объеме.

Под давлением рабочего тела (продуктов сгорания) поршень вновь перемещается к НМТ; совершается такт расширения (линия ), при этом давление и температура рабочего тела уменьшаются.

Наконец, при перемещении поршня от НМТ к ВМТ при открытом выпускном клапане (точки и ) совершается такт выпуска (линия ), т. е. происходит очистка цилиндров от отработавших газов. После этого начинается следующий цикл — всасывание очередной порции свежего заряда и т. п. Таким образом, рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется за четыре хода поршня (четыре такта), что соответствует двум оборотам коленчатого вала.

Из рассмотренных этапов протекания реального рабочего цикла очевидно следующее:

-реальный рабочий цикл разомкнут — рабочее тело (свежий заряд) поступает в цилиндр извне, и по окончании цикла оно (отработавший газ) выбрасывается в атмосферу;

-сгорание топлива происходит при изменяющихся давлении и объеме рабочего тела, количество и состав которого в течение цикла не остаются постоянными;

-вследствие теплообмена рабочего тела со стенками цилиндров процессы сжатия и расширения являются политропными.

В реальном рабочем цикле имеют место различные потери, которые снижают эффективность использования теплоты по сравнению с теоретическим циклом. Осуществить термодинамический анализ реального цикла очень сложно. Поэтому в теории двигателей рассматривают замкнутые термодинамические (теоретические) циклы, состоящие из обратимых термодинамических процессов. Сопоставление значений КПД теоретического и реального (действительного) циклов позволит выяснить степень совершенства использования теплоты в реальном двигателе.

Исследуемые в термодинамике теоретические циклы поршневых ДВС отличаются способами подвода и отвода теплоты.- три основных вида циклов поршневых ДВС: - с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме (цикл Отто), в котором рабочий цикл двигателей происходит с принудительным зажиганием; - с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля), являющийся расчетным циклом дизелей, в которых распыливание топлива осуществляется сжатым воздухом (компрессорные дизели); - смешанный цикл (цикл Тринклера), соответствующий рабочим циклам дизелей.

Отвод теплоты, во всех случаях предполагается при постоянном объеме.

Энергетические показатели теоретического цикла. При сравнительной оценке двигателей различного типа работу, совершаемую газом внутри цилиндра за цикл , относят к единице рабочего объема цилиндра . Очевидно, что по физическому смыслу является удельным показателем цикловой работы, называемым средним цикловым давлением.