ДВС с воспламенением от сжатия. Цикл Дизеля

Схема одноцилиндрового ДВС с воспламенением от сжатия приведена на рис. 4. Такой ДВС включает в себя: цилиндр 1; подвижный поршень 2; механизм, который преобразует возвратно-поступательные движения поршня во вращательное 3; впускной клапан 4; выпускной клапан 5; форсунку для подачи жидкого топлива 6.

За один цикл поршень совершает четыре такта.

На рис. 4 под схемой ДВС также схематично изображена индикаторная диаграмма а-1-2-3-4-5-в-а одного цикла (как экспериментально определяется индикаторной диаграммы ДВС описано в предыдущем разделе 1.2).

Рис. 4. Схема ДВС с воспламенением от сжатия и его индикаторная диаграмма

С помощью индикаторной диаграммы работу ДВС в установившемся режиме можно описать следующим образом.

Процесс а-1. Поршень движется из крайнего левого положения вправо. В цилиндре под поршнем создаётся небольшое разряжение. Впускной клапан открывается. В цилиндр начинает поступать чистый атмосферный воздух. Когда поршень достигает точки 1 (крайнее правое положение) впускной клапан закрывается.

Процесс 1-2. После точки 1 поршень начинает двигаться влево. Воздух под поршнем сжимается. Его давление и температура возрастают: давление до 30…40 бар, температура до 600…800 ^оС. Заканчивается процесс в точке 2 – в крайнем левом положении поршня.

Процесс 2-3. От точки 2 поршень начинает двигаться вправо. Одновременно с этим через специальную форсунку в виде мелких капель впрыскивается жидкое топливо (соляровое масло, газойль и др.). За счёт высокой температуры сжатого воздуха топливо самовоспламеняется. В ходе горения выделяется химическая энергия топлива. От этого температура газовой смеси под поршнем возрастает, однако существенного роста давления при этом не происходит. Последнее объясняется тем, что капли распыленного топлива сгорают на много медленнее, чем пары бензина, перемешанные на молекулярном уровне с воздухом.

За время сгорания капель жидкого топлива поршень успевает заметно переместиться. То есть за время горения существенно увеличивается объём газовой смеси под поршнем, что компенсирует возможный (из-за роста температуры) рост давления. Давление во время горения остаётся примерно постоянным. При таком увеличении объёма рабочего тела в процессе 2-3 совершается механическая работа, которая передаётся в окружающую среду. В точке 3 процесс горения завершается. Участок 2-3 индикаторной диаграммы носит горизонтальный характер.

Процесс 3-4. Поршень продолжает двигаться вправо. Рабочее тело под поршнем продолжает расширяться и совершать механическую работу, которая передаётся окружающей среде. Его давление и температура при этом снижается. Процесс заканчивается в точке 4 – крайнем правом положении поршня.

Процесс 4-5. В точке 4 выпускной клапан открывается. Благодаря этому значительная часть газовой смеси, находящейся под поршнем, быстро выходит из цилиндра в окружающую среду. При этом давление под поршнем резко снижается, а сам поршень не успевает заметно переместиться. На индикаторной диаграмме это отражается в том, что снижение давления в процессе 4-5 носит вертикальный характер.

Процесс 5-в. После точки 5 поршень опять движется влево. Благодаря этому давление в цилиндре остается несколько больше атмосферного и газы из цилиндра выталкиваются в окружающую среду через выпускной клапан. В точке в процесс выталкивания отработанных газов заканчивается.

Процесс в-а. На индикаторной диаграмме линия в-а отражает небольшой скачок давления в цилиндре в крайнем левом положении поршня, в момент изменения направления его движения. В точке в закрывается выпускной клапан. В точке а открывается впускной клапан. Когда поршень находится в этой точке цилиндра, создается небольшое разряжение. Таким образом, точка в находится чуть выше атмосферного давления, а точка а– чуть ниже.

Чтобы иметь возможность применить для анализа эффективности ДВС метод круговых процессов индикаторную диаграмму требуется преобразовать и упростить с помощью ряда допущений.

Преобразование диаграммы заключается в следующем. Вначале представим, что вместо координаты положения поршня x по оси абсцисс будем откладывать величину, равную произведению x на площадь сечения поршня. Очевидно, что в такой системе координат вид индикаторной диаграммы не изменится. Это произведение равно объему газовой смеси в цилиндре под поршнем V, м³.

Далее представим, что вместо V по оси абсцисс будем откладывать величину, равную отношению V к массе одного топливного заряда (в установившемся режиме работы ДВС эта масса имеет постоянное значение, равное сумме масс воздуха и паров бензина при полном заполнение цилиндра горючей смесью). Это отношение по определению равно удельному объёму υ, м³/кг, всей горючей смеси, находящейся в цилиндре под поршнем в процессах 1-2, 2-3 и 3-4.

Очевидно, что в такой системе координат (по оси ординат – давление, по оси абсцисс – удельный объём) процессы на индикаторной диаграмме 1-2, 2-3 и 3-4 сохраняют свой вид.

Окончательно констатируем, что индикаторную диаграмму можно преобразовать таким образом, что вместо координаты x по оси абсцисс будем откладывать удельный объем υ газовой смеси, находящейся под поршнем. При этом вид процессов 1-2, 2-3 и 3-4 не изменится.

Далее упростим вид индикаторной диаграммы с помощью следующих шести основных допущений.

· Будем считать, что химический состав газовой смеси в цилиндре под поршнем (состав рабочего тела) остается неизменным в течении всего цикла. При этом выделение химической энергии внутри цилиндра во время сгорания топлива заменяется подводом теплоты к рабочему телу из окружающей среды от некоторого фиктивного источника. (Например, химический состав можно принять таким, каким он будет после полного сгорания топлива).

· В силу горизонтального характера на рис. 4 процесса 2-3 будем приближенно считать процесс подвода теплоты к рабочему телу изобарным – происходящим при неизменном значении давления рабочего тела в цилиндре.

· В термодинамических циклах, как известно, все процессы протекают с постоянным количеством рабочего тела. Соответственно, для применения теории круговых процессов будем считать, что удаление отработавших газов из цилиндра не происходит. Имеющее место в реальности удаление газов заменяем на отвод от рабочего тела в окружающую среду эквивалентного количества теплоты.

· Процесс отвода теплоты от рабочего тела будем считать изохорным в силу вертикального характера линии 4-5 на рис. 4.

· Процессы сжатия рабочего тела 1-2 и расширения 3-4 будем приближенно считать адиабатными из-за их быстротечности. (За короткое время процессов значительного теплообмена между рабочим телом и окружающей средой не происходит).

· Рабочее тело будем считать идеальным газом и для наглядности примем, что его теплоемкость не зависит от температуры.

Сказанное выше позволяет на рис. 5 в рυ-координатах схематично изобразить термодинамическую модель реальной (полученной экспериментально) индикаторной диаграммы (рис. 4). Такую модель можно считать термодинамической моделью, описывающей работу реального двигателя. Модель индикаторной диаграммы представляет собой круговой процесс, состоящий из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры. Такой круговой процесс называется циклом Дизеля.

Рис. 5. Цикл Дизеля: 1-2 и 3-4 – адиабаты; 2-3 – изобара; 4-1 – изохора

В цикле Дизеля теплота к рабочему телу подводится в изобарном процессе 2-3, а отводится в изохорном процессе 4-1:

q_под = q_2-3 = с_р (Т₃ – Т₂), (13)

|q_отв| = |q_4-1| = с_υ (Т₄ – Т₁), (14)

где с_р и с_υ – удельные теплоемкости рабочего тела при постоянном давлении и постоянном объёме, Дж/(кг·К).

Известно (см. раздел……….), что удельная теплота цикла равна:

q_ц = q_под –|q_отв|. (15)

В соответствии с первым законом термодинамики для циклов (см. раздел…….) имеем:

q_ц = l_ц, (16)

где l_ц – удельная работа цикла, Дж/кг.

Исходя из определения, а также с учётом (13) – (16), термодинамический КПД цикла Дизеля вычисляется следующим образом:

, (17)

где k – показатель адиабаты рабочего тела, .

Так как процесс 1-2 адиабатный, то из свойств адиабатного процесса известно:

, (18)

где ε – степень сжатия рабочего тела в цилиндре ДВС, .

Далее рассмотрим чему равно отношение скобок в правой части (17).

Так как процесс 2-3 изобарный, то из свойств изобарных процессов известно:

, (19)

где υ₃ и υ₂ – значения удельных объёмов в точках 3 и 2 соответственно, м³/кг.

Так как процесс 4-1 изохорный, то из свойств изохорного процесса известно:

, (20)

где р₄ и р₁ – давление рабочего тела в точках 4 и 1, Па.

Так как процессы 1-2 и 3-4 адиабатные, то по свойствам адиабатных процессов можем записать:

,

. (21)

Разделив в (21) левые и правые части равенств друг на друга получаем:

. (22)

Учитывая, что υ₄ = υ₁ и р₂ = р₃ из (22) получаем:

. (23)

Введём обозначение . Величина ρ называется степень предварительного расширения рабочего тела.