Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Существует два основных обратимых цикла ДВС (как правило, поршневых, но не только). Это цикл с теплоподводом (сгоранием) при постоянном объёме, называемый циклом Отто, и цикл с теплоподводом (сгоранием) при постоянном давлении, называемый циклом Дизеля. Существует также цикл, в котором сгорание начинается при постоянном объёме и завершается при постоянном давлении. Этот цикл, называемый циклом Тринклера или Сабатэ, по своим показателям занимает промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля.

5.10.1. Идеальный цикл ДВС с подводом тепла

при постоянном объёме (цикл Отто)

Начнем с цикла Отто, который приведён на рис. 5.18. в диаграммах состояния. Одновременно рассмотрим также рабочий процесс этого ДВС, для чего под циклом изображён цилиндр с поршнем, который может перемещаться внутри цилиндра в обе стороны от крайнего левого положения, называемого верхней мёртвой точкой (ВМТ), до крайне правого, называемого нижней мёртвой точкой (НМТ), и обратно. Возвратно – поступательное движение поршня (3) осуществляется кривошипно – шатунным механизмом (1). С помощью этого механизма работа цикла преобразуется в механическую энергию вращательного движения, используемую потребителем. У левого основания цилиндра (2) вблизи ВМТ расположены два клапана – впускной (5) и выхлопной (4), которые могут открываться и закрываться специальным механизмом, называемым механизмом газораспределения. Так же установлена электрическая свеча зажигания (6).

Рабочий процесс начинается при движении поршня от ВМТ к НМТ вправо при открытом впускном клапане. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь (воздух с испарившимся бензином), которая предварительно образуется в карбюраторе. Вместо карбюратора применяется также непосредственный дозированный впрыск бензина в воздушный поток. В идеальном представлении процесс заполнения О – Н на рис. 5.18. происходит при постоянном давлении, но в действительности давление несколько пониженное. Процесс О – Н не входит в состав цикла, осуществляется не в закрытой, а в открытой термодинамической системе с переменной массой рабочего тела. Процесс заканчивается в точке “Н” при положении поршня в НМТ, и впускной клапан закрывается.

Цикл начинается в точке “Н” и происходит при постоянной массе рабочего тела. От точки “Н” осуществляется процесс сжатия по обратимой адиабате до точки “К” при движении поршня влево от НМТ к ВМТ. Оба клапана впускной и выпускной закрыты. В точке “К” от разряда в свече зажигания бензино– воздушная смесь воспламеняется и происходит её сгорание в течение очень короткого времени. Осуществляется подвод теплоты q1 в идеальном представлении в изохорном процессе υК = υГ = const, давление и температура газа резко повышаются.

Рис. 5.18. Изображение идеального цикла ДВС с подводом тепла при постоянном объёме в диаграммах состояния: 1 – кривошипно-шатунный механизм; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – выхлопной клапан; 5 – впускной клапан; 6 – свеча зажигания

В реальном цикле зажигание смеси осуществляется ещё до подхода поршня к ВМТ, а процесс сгорания заканчивается после начала движения поршня вправо. Таким образом, реальный процесс теплоподвода не является строго изохорным.

От точки “Г” до точки “С” происходит расширение рабочего тела по обратимой адиабате при перемещении поршня вправо ВМТ к НМТ (рис. 5.18.). В точке “С” в идеальном представлении открывается выпускной клапан, и продукты сгорания выбрасываются в окружающую среду, где отводимая теплота q2 рассеивается. Процесс теплоотвода происходит в изохорном процессе υС = υН = const, температура и давление рабочего тела резко снижаются. Рабочее тело возвращается в исходное состояние в точке “Н”, и обратимый цикл завершается. В реальном цикле выпускной клапан открывается ещё до подхода поршня к НМТ, а выхлоп продолжается при движении поршня влево от НМТ, т.е. процесс теплоотвода далеко не является строго изохорным.

После завершения идеального цикла рабочий процесс ДВС ещё продолжается при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытом выпускном клапане. Происходит выброс продуктов сгорания из цилиндра в атмосферу. В точке “О” на рис. 5.18. выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. Только после этого завершается рабочий процесс ДВС, и вновь начинается процесс всасывания бензино–воздушной смеси. Процесс Н – О не входит в состав процессов идеального цикла и в реальных условиях происходит при несколько избыточном давлении.

Таким образом, идеальный цикл Отто состоит из двух обратимых адиабат Н – К и Г – С и двух изохор К – Г и С – Н и осуществляется за два хода поршня – от НМТ к ВМТ (сжатие) и от ВМТ к НМТ (расширение), т.е. за один оборот вала кривошипно–шатунного механизма. Рабочий процесс ДВС включает еще два процесса – всасывания О – Н и выталкивания Н – О, также осуществляемых за один оборот вала. Таким образом, весь рабочий процесс ДВС совершается за два оборота вала кривошипно–шатунного механизма, а поршень перемещается от ВМТ к НМТ и обратно 4 раза. Одно перемещение поршня называют тактом ДВС. Поэтому описанный рабочий процесс ДВС называютчетырехтактным. (Заметим, что существуют и двухтактные ДВС, у которых за один такт или ход поршня осуществляются сразу по два процесса: в одном – всасывание и сжатие, а в другом – расширение и выхлоп).

Из всех 4-х тактов рабочего процесса ДВС только в одном из них – в процессе расширения Г – С на рис. 5.18. происходит передача механической энергии потребителю. Поэтому этот процесс или такт называют рабочим ходом поршня от ВМТ к НМТ. В остальных 3-х тактах энергия на движение поршня только затрачивается в основном в такте сжатия рабочего тела в процессе Н – К. Эта энергия поступает от накопленного маховиком кривошипно–шатунного механизма за единственный такт – рабочий ход поршня, имея в виду, что энергия направляется и потребителю, ради чего собственно и осуществляется цикл ДВС.

Заметим, что ДВС, работающие по циклу Отто иногда называют карбюраторными (что не совсем справедливо) или двигателями легкого топлива, поскольку они используют бензин, более “легкий” по сравнению с дизельным топливом.

Перейдём к рассмотрению энергетических показателей обратимого цикла Отто. Количества подведённой и q1 и отведённой q2 теплоты в изохорных процессах К – Г и С – Н определяются уравнением (qυ = cυ·∆T), которое с учётом обозначений на рис. 5.18. запишется в виде

Отсюда получим уравнение для термического КПД, используя исходное уравнение (4.4)

Из уравнения обратимой адиабаты , заменив отношение давлений обратным отношением удельных объёмов по уравнению , с учётом обозначений на рис. 5.18. получим для обратимых адиабат Н – К и Г – С следующие соотношения

В теории ДВС сжатие рабочего тела принято оценивать отношением максимального и минимального удельных объёмов (или объёмов цилиндра), которое называется степенью сжатия:

(В отличие от степени повышения давления pК, как отношения давлений в конце и в начале сжатия в теории ГТД). С учётом соотношений (5.62), (5.63) уравнение (5.61) приобретает следующий вид:

Как видно, термический КПД зависит только от одного параметра цикла – степени сжатия e. С ростом e термический КПД непрерывно повышается, и выгодно осуществлять, возможно, большие значения e. Однако, в двигателях Отто из-за сжатия не воздуха, а бензино–воздушной смеси и увеличения её температуры максимальные значения e ограничиваются возникновением детонации (взрывного горения), что недопустимо. В зависимости, главным образом, от качества бензина (его антидетонационных свойств) в двигателях Отто значения лежат в диапазоне e » 7…12. Как показывает практика, большие значения исключены. Например, при e = 10, ht = 0,521, TК = 691 K. Степень повышения давления .

Характерной особенностью ДВС (в отличие от ГТД) является возможность осуществить предельно высокую температуру в процессе сгорания К – Г. Процесс сгорания весьма кратковременный (доли секунды), а затем следуют 3 хода поршня и процесс выхлопа С – Н. Конструктивные элементы в зоне горения успевают охладиться к началу следующего процесса горения. Кроме того, цилиндр снаружи охлаждается либо водой, либо воздухом, для чего предусматривается внешнее оребрение. Но это охлаждение гораздо менее существенно, чем периодичность сгорания. В результате с самого начала появления ДВС вопрос о повышении температуры не возникал, а для ГТУ с непрерывным процессом горения был и остаётся одним из основных.

Теплота, подводимая в изохорном процессе qυ = q1 в двигателе Отто, по существу является заданной. Она определяется как максимально возможная при сгорании топлива в количестве, необходимом для полного сгорания, т.е. при использовании всего кислорода, содержащегося в воздухе. На 1 кг бензино–воздушной смеси выделяемая теплота составляет q1 » 2 600 кДж/кг. Уравнение (для изохорного процесса qυ = Сυ·∆T) для qυ = q1 используется для определения максимальной температуры

Эта температура получается очень высокой, порядка 2800. 3000 К и совершенно недоступна для ГТД.

Полезную работу цикла можно определить по исходному уравнению (4.11). С учётом уравнения (5.64) получим

Поскольку и q1 = const, то зависимости ht и Lц от e идентичны. В отличие от ГТУ максимума Lц по степени сжатия или степени повышения давления нет.

В Теме 4 было показано, что полезная работа равна площади цикла. Реальный цикл ДВС в диаграмме состояния “p-υ” на рис. 5.18. может быть представлен индикаторной диаграммой. Она легко снимается и изображается на дисплее вместе с линиями всасывания и выхлопа О – Н и О – Н непосредственно на работающем двигателе. По отклонениям реальной индикаторной диаграммы от идеального цикла судят о качестве реальных процессов и вносят необходимые изменения в их организацию.

5.10.2. Идеальный цикл ДВС с подводом тепла при постоянном

давлении (цикл Дизеля)

В диаграммах состояния, этот цикл приведен на рис. 5.19.

Рабочие процессы двигателей Дизеля и Отто во многом аналогичны. После такта всасывания О – Н на рис. 5.19. начинается процесс сжатия по обратимой адиабате Н – К, но в данном случае воздуха, а не топливовоздушной смеси, как в цикле Отто. При этом не возникает ограничений степени сжатия . Напротив, в конце процесса сжатия в точке “К” температура воздуха должна быть высокой, достаточной для самовоспламенения дизельного топлива, впрыск которого начинается в точке “К”.

Сгорание капель керосина происходит одновременно с перемещением поршня от ВМТ к НМТ. В результате теплоподвода q1 процесс расширения К – Г в идеальном цикле принимается изобарным. В точке “Г” процесс сгорания заканчивается, и температура газа TГ является максимальной в цикле. Далее процесс расширения продолжается по обратимой адиабате Г – С. Таким образом, рабочий ход поршня К – Г – С состоит из двух процессов – изобарного и обратимого адиабатного.

Далее, как и в цикле Отто, начинается изохорный процесс С – Н отвода теплоты путём выброса выхлопного газа в атмосферу. Цикл завершается в начальной точке “Н”, но рабочий процесс ещё продолжается удалением из цилиндра продуктов сгорания ходом поршня влево от НМТ к ВМТ.

Рис. 5.19. Изображение идеального цикла ДВС с подводом тепла

при постоянном давлении в диаграммах состояния

В итоге идеальный цикл Дизеля состоит из двух обратимых адиабат Н – К и Г – С, изобары К – Г и изохоры С – Н, осуществляется за 4 такта (хода поршня), т.е. за два оборота вала кривошипно–шатунного механизма. Двигатель Дизеля может быть и двухтактным, как и двигатель Отто.

Термический КПД идеального цикла Дизеля, как и всех других циклов, определяется исходным уравнением (4.4), в котором подводимая q1 и отводимая q2 теплота согласно уравнениям (qp = Сp·∆T) и (qυ = Сυ·∆T) в соответствии с обозначениями на рис. 5.19. могут быть записаны в следующем виде:

Опустив простые, но громоздкие выкладки, приведём сразу конечный результат:

где – степень предварительного расширения. Очевидно, что r > 1, и функция r в уравнении (5.69)

непрерывно возрастает с увеличением r.

Из сопоставления уравнений (5.64) и (5.69) следует, что при равных степенях сжатия у двигателей Отто и Дизеля

e Диз = e Отто, ht Диз < ht Отто . (5.71)

Но, как отмечалось, степень сжатия у двигателя Дизеля может быть существенно выше, чем у двигателя Отто и составляет e Диз » 16…20 (по сравнению с eОтто » 7. 12). Поэтому при

Нижемы покажем, это на численных примерах.

Степень предварительного расширения r можно найти из уравнения (5.67), записав его в виде

Подводимая теплота q1 определяется так же, как у двигателя Отто – это теплота, выделяемая при сгорании топлива, содержащегося в 1 кг топливо – воздушной смеси. Теплота сгорания (теплотворность) бензина и дизельного топлива почти одинакова. Поэтому, если впрыскиваемое топливо (керосин) сгорает с использованием всего кислорода воздуха, как в двигателе Отто, то и q1 будет таким же q1 » 2 600 кДж/кг. Но по ряду причин в двигателях Дизеля на единицу массы воздуха впрыскивается меньше керосина, иногда даже в 1,5 раза. Часть кислорода воздуха остаётся не использованной. В этом случае q1 » 1830 кДж/кг.

Примем для Дизеля e = 18, TК = 864 K. По уравнению (5.71) получим

rmax = 3,176 при q1max = 2600 кДж/кг;

rmin = 2,531 при q1min = 1830 кДж/кг.

Функции (5.70) получаются равными

f (rmax) = 1,253; f (rmin) = 1,191,

а термические КПД цикла Дизеля по уравнению (5.69) соответственно получаются следующими

ht Диз min = 0,583, ht Диз max = 0,603.

Ранее было приведено значение КПД цикла Отто ht Отто = 0,521. Полученные значения КПД цикла Дизеля подтверждают неравенства (5.72) и при минимальном и тем более при максимальном значениях ht Диз.

Согласно уравнению (5.69) КПД цикла Дизеля формально зависит от двух параметров цикла r и e. Но степень предварительного расширения следует рассматривать скорее как величину, заданную дозировкой впрыскиваемого керосина. С увеличением e КПД цикла Дизеля непрерывно повышается, по тому же закону, что и КПД цикла Отто. Максимальные значения e у двигателей Дизеля ограничиваются не организацией процесса сгорания, а резко возрастающими нагрузками на кривошипно – шатунный механизм и вибрационными нагрузками на всю конструкцию.

Максимальная температура TГ в цикле Дизеля получается также весьма высокой, как и в цикле Отто, но все же ниже, т.к. Сp > Сυ в процессах p = const и υ = const. Эта температура определяется уравнением (5.67)

С учётом приведённых выше параметров для двух значений q1max и q1min получим соответственно TГ max » 2750 К и TГ min » 2200 К.

Полезная работа цикла согласно уравнениям (4.4) и (5.69) равна

Выше было показано, что с увеличением q1 степень предварительного расширения r, возрастает согласно уравнению (5.71). При заданном значении e это приводит к снижению ht. Но влияние сомножителя q1 в уравнении (5.74) сильнее, и полезная работа цикла с увеличением q1 повышается. Приведённые выше примеры это подтверждают. Так, при q1max = 2 600 кДж/кг, ht Диз min = 0,583 и Lц Диз max = 1 516 кДж/кг; при q1min = 1 830 кДж/кг, ht Диз max = 0,603 и Lц Диз min = 1 103 кДж/кг.

Таким образом, влияние q1 на ht и Lц противоположно, и при выборе дозировки впрыскиваемого топлива следует искать компромиссное решение между мощностью и экономичностью двигателя. Напомним, что у двигателей Отто подобный вопрос не возникает, поскольку теплота q1 на КПД цикла не влияет согласно уравнению (5.66).

На работающем двигателе Дизеля, как и на двигателе Отто, может быть снята индикаторная диаграмма, представляющая собой реальный цикл. Это позволяет получить большую информацию о совершенстве реальных процессов.

5.10.3. Сравнение циклов Отто и Дизеля

Сравнение проведём, принимая в обоих циклах одинаковыми параметры рабочего тела в исходной точке pН, TНи максимальные значения давления и температуры pГ, TГ. Совместив эти циклы в “T-s” координатах (рис. 5.21.), сравним величины их термических КПД, базируясь на формуле (4.4). Видно, что при принятых условиях сравнения, КПД цикла Дизеля выше, чем КПД цикла Отто, т.к. при равных количествах отведённого тепла (q2Д= q2О) количество подведённого тепла в цикле Дизеля больше (q1Д> q1О). Более высокая эффективность цикла Дизеля в данных условиях объясняется тем, что в нём обеспечивается более высокая степень сжатия ε, чем в цикле Отто. Другими достоинством дизелей является то, что в них могут использоваться дешёвые низкосортные топлива. Однако следует заметить, что реальные дизели вследствие более высоких значений ε испытывают повышенные нагрузки. По этой причине и из-за неполного использования кислорода воздуха их конструкции получаются более тяжёлыми, чем у двигателей с принудительным воспламенением.

Рис. 5.20. Сравнение циклов Отто и Дизеля

5.10.4. Цикл ДВС со смешанным теплоподводом

Очень коротко остановимся на третьем варианте цикла ДВС со смешанным теплоподводом, вначале при постоянном объёме, а затем при постоянном давлении. Этот цикл, называемый циклом Тринклера или Саботэ приведен на рис. 5.21.

После заполнения цилиндра и сжатия воздуха по обратимой адиабате Н – К в точке “К” впрыскивается топливо, некоторая часть которого вначале воспламеняется и сгорает в изохорном процессе К – Г1, а оставшаяся часть топлива догорает в изобарном процессе Г1 – Г2 при движении поршня от ВМТ к НМТ. Другие процессы остаются такими же, как и у двигателей Отто и Дизеля. Смешанный теплоподвод осуществляется рядом конструктивных мероприятий, главным образом, установкой форкамеры.

Энергетические показатели ht и Lц обратимого цикла Тринклера содержатся между соответствующими показателями обратимых циклов Отто и Дизеля.

Рис. 5.21. Изображение идеального цикла ДВС

со смешанным теплоподводом

Смысл создания цикла на рис. 5.21. состоит в том, чтобы в кратковременном изобарном процессе сгорания Г1 – Г2 осуществлялась высокая полнота сгорания топлива благодаря высокой температуре газа после изохорного процесса теплоподвода, хорошему распылу и перемешиванию топлива, воздуха и продуктов сгорания в точке Г1. В двигателях Дизеля часто наблюдается догорание на линии расширения Г – С и дымление на выхлопе. Но указанное свойство рабочего процесса двигателя Тринклера проявляется только в реальных циклах.