Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) благодаря высокой экономичности, небольшой массе, быстрому запуску нашли применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиации и на транспорте. ДВС относятся к тепловым двигателям, в которых все рабочие процесс протекают внутри рабочих цилиндров. Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, а остальная часть отдается окружающей среде.

Циклы ДВС в зависимости от способа подвода теплоты к рабочему телу подразделяются на три группы:

1. с подводом теплоты при постоянном объеме – υ=const (цикл Отто);

2. с подводом теплоты при постоянном давлении – р=const (цикл Дизеля);

3. со смешанным подводом теплоты: частично при υ=const, а затем при p=const (цикл Тринклера).

Цикл ДВС с подводом теплоты при υ=const. При термодинамическом анализе циклов ДВС приняты следующие допущения, позволяющие анализировать работу двигателей.

1. В качестве рабочего тела принимается идеальный газ, теплоемкость которого не зависит от температуры.

2. Цикл замкнут, и на всех его стадиях качественный и количественный состав рабочего тела остается неизменным.

3. Теплота к рабочему телу подводится от внешнего горячего источника, а не за счет сжигания топлива, а отводится к внешнему холодному источнику, а не выбросом в атмосферу.

4. Процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают без теплообмена с внешней средой.

5. Отсутствует трение между элементами шатунно-поршневой группы и гидравлическое сопротивление в клапанах и подводящих трубопроводах.

6. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно мала.

Теоретический замкнутый цикл Отто при принятых допущениях представлен на рис.9 и рис.10 цикл состоит из двух адиабат и двух изохор.

Рис.9. Цикл Отто в р-υ диаграмме.

Рис.10. Цикл Отто в T-s диаграмме.

Количество подведенной теплоты q₁ и отведенной q₂ в идеальном цикле можно представить произведением теплоемкости процесса на соответствующую разность температур

q₁=c_υ?(T₃-T₂)

|q₂|=c_υ?(T₄-T₁)

Теплота, эквивалентная совершенной полезной работе цикла, в соответствии с первым законом термодинамики составляет величину

q_ц=l_ц=q₁-|q₂|

Термический КПД цикла находится из известного выражения

η_т=l_ц/q₁=1-|q₂|/q₁=

=1- =1-1/ε^k-1

где k=c_р/с_υ – показатель адиабаты; ε=р₂/р₁ – степень сжатия.

Из последнего выражения следует, что термический КПД цикла Отто зависит от показателя адиабаты и степени сжатия рабочей смеси. Величина k учитывает свойства рабочего тела и определяется его молекулярным составом. Степень сжатия зависит от конструкции двигателя и состава рабочей смеси. С возрастанием ε и k термический КПД цикла увеличивается. Из выражения также следует, что для данного рабочего тела величина КПД в цикле Отто зависит только от степени сжатия. Именно по пути увеличения степени сжатия шло развитие и совершенствование ДВС. Однако оказалось, что увеличение степени сжатия рабочей смеси ограничивается температурой T₂ конца сжатия, при которой возникает опасность самовоспламенения горючей смеси еще до прихода поршня в крайнее верхнее положение, что нарушает нормальную работу двигателя.

Цикл ДВС с подводом теплоты при р=const. Стремление повысить термический КПД двигателя за счет увеличения степени сжатия привело к замене легковоспламеняемой рабочей смеси негорючим рабочим телом. Был создан новый двигатель – дизель, в цилиндре которого сжимается чистый воздух до высокого давления, а топливная смесь вводится в камеру сгорания специальным компрессором в конце процесса сжатия. Это позволило исключить преждевременное самовоспламенение смеси, что сдерживало повышение термического КПД в цикле Отто. Рабочая смесь воспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха, намного превышающей температуру самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр двигателя подается постепенно, а не сразу, что обуславливает его постепенное, а не мгновенное сгорание. При этом давление цилиндре несколько повышается, но остается более или менее постоянным за счет постепенного увеличения объема камеры сгорания при движении поршня.

Идеализированный цикл ДВС с изобарным подводом теплоты состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), одной изобары (2-3) и изохоры (4-1).

В цикле Дизеля повторяются те же периоды, что и в цикле Отто, и он состоит из следующих процессов (рис.12):

1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха до давления р₂ и температуры T₂;

2-3 – процесс сгорания топлива при р=const, при этом происходит изобарный подвод теплоты q₁ к рабочему телу; этот процесс является частью рабочего хода поршня, при котором объем цилиндра увеличивается от υ₂ до υ₃, что обеспечивает примерно постоянное давление процесса горения;

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела, продолжается рабочий ход поршня, во время которого совершается внешняя механическая работа двигателя; температура и давление продуктов сгорания падают, а объем увеличивается;

4-1 – процесс выброса в атмосферу отработавших газов, а сними и теплоты q₂.

Характеристиками цикла являются степень сжатия ε=р₂/р₁ и степень предварительного расширения ρ=υ₃/υ₂. Tермический КПД цикла Дизеля согласно общему выражению

η_т=1-|q₂|/q₁=1-(1/ε^k-1)?(1/k)?[(ρ^k-1)/(ρ-1)]

Соотношение показывает, что термический КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении также зависит от степени сжатия и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения.

Рис.12. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля).

Степень сжатия в двигателях Дизеля определяется температурой воспламенения топлива и лежит в пределах ε=13-18. дальнейшее увеличение степени сжатия в целях увеличения КПД оказывается нецелесообразным и сводится на нет резким уменьшением механического КПД двигателя. Это связано с возникновением значительных сил сопротивления в узлах трения, увеличивающихся с возрастанием давления в цилиндре.

Двигатели, работающие по циклу Дизеля, имеют ряд преимуществ по сравнению с циклом Отто: более высокий КПД, отсутствует карбюратор, нет запального устройства, используется дешевое низкосортное топливо.

Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты при υ=const и р=const. Стремление упростить конструкцию и улучшить работу двигателей Дизеля привело к созданию бескомпрессорного двигателя со смешанным сгоранием рабочего тела. Цикл, по которому работают такие двигатели, получил название цикла Тринклера.

Цикл Тринклера (рис.12) является комбинацией циклов с подводом теплоты при υ=const и р=const и лишен их недостатков. Идеализированный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), двух изохор (2-5 и 4-1) и изобары (5-3). В этих двигателях, как и в дизелях, сжатие топлива и смеси производится раздельно. Двигатели Тринклера в верхней части цилиндра имеют специальную камеру, соединенную с цилиндром узким каналом. Воздух с параметрами T₁, р₁, υ₁ адиабатно сжимается в цилиндре (процесс 1-2) до давления р₂, соответствующего температуре, которая на 200-300^оС выше температуры самовоспламенения жидкого топлива. Топливо, распыляемое в форкамере форсунками, подается к ним под большим давлением плунжерным насосом. Часть топлива (меньшая) почти мгновенно (при υ=const) сгорает в форкамере (процесс 2-5). При этом к рабочему телу подводится теплота q₁^′. Образовавшимся давлением большая часть несгоревшего топлива и воздуха выталкивается из форкамеры в цилиндр и догорает в нем при движущимся слева направо поршне (процесс 5-3).

Рис.12. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера).

Давление в процессе горения 5-3 не возрастает резко, как в двигателях быстрого сгорания, а изменяется незначительно, приближаясь к линии р=const. К рабочему телу подводится теплота q₁^′′. Дальнейшее адиабатное расширение продуктов сгорания (процесс3-4) обеспечивает рабочий ход поршня, по окончании которого происходит удаление отработавших газов в атмосферу (процесс4-1), с ними отводится теплота q₂.

Характеристиками цикла являются: степень сжатия ε=р₂/р₁, степень повышения давления λ=р₅/р₂, степень предварительного расширения ρ=υ₃/υ₅ .

Термический КПД цикла:

η_т=1- (1/ε^k-1)?[(λ?ρ^k-1)/(λ-1)+k?λ?(ρ-1)]

 Из анализа выражения следует, что термический КПД цикла Тринклера возрастает с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ.

Все современные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от теплоты сжатия работают по циклу со смешанным сгоранием топлива, что объясняется более высокими значениями термического КПД по сравнению с другими рассмотренными циклами.