Глава 11 ДВС (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970)

Глава XI, ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 57. Схема устройства п работа двигателей внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называется поршневой дви­гатель, рабочим телом в котором являются продукты сгорания топлива (жидкого или газообразного), сгорающего непосредствен­но в объеме цилиндра.

На рис. 80 показаны схема устройства двигателя и его инди­каторная диаграмма, т. е. графическое изображение зависимости давления в цилиндре р н/м² от хода поршня h_M или от объема ци­линдра V м³. Различают теоретическую и действительную инди­каторные диаграммы. Индикаторной диаграммой весьма наглядно представляется рабочий цикл двигателя, т. е. некоторое вполне закономерное чередование различных процессов, протекающих в рабочем объеме его цилиндра за один или два оборота вала. При этом следует иметь в виду, что в число процессов, составляющих рабочий цикл реального двигателя, входят процессы, в течение которых количество рабочего тела меняется (впуск и выпуск), а также процессы изменения химического состава вещества (горе­ние). Поэтому рабочий цикл двигателя не следует смешивать с термодинамическим циклом, характеризуемым постоянным ко­личеством вещества не изменяющегося химического состава.

Рассмотрение отдельных процессов, характеризующих работу двигателя внутреннего сгорания, обычно начинают, предполагая идеальные условия работы всех его органов. Эти условия подра­зумевают отсутствие гидравлических сопротивлений впускного и выпускного клапанов, полное сгорание топлива при любом желаемом характере, изменения давления рабочего тела в цилиндре и процессе сгорания и адиабатное протекание процессов сжатия и расширения. При таких идеальных (теоретических) условиях ра­бочий цикл двигателя будет характеризоваться теоретической ин­дикаторной диаграммой (сплошная линия на рис. 80).

В течение хода поршня от верхней точки (точки 6) к нижней (точке 1) через открытый впускной клапан поступает воздух из

атмосферы или специального ресивера. Во время всасывания давление в цилиндре равно давлению той среды, откуда происхо­дит впуск рабочего тела. Последнее объясняется отсутствием гидравлических сопротивлений клапана. В конце впуска закры­вается впускной клапан, и при ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней сжимается свежая порция воздуха. При идеаль­ных условиях сжатие протекает адиабатно. К концу сжатия тем­пература повышается так, что подаваемое в цилиндр через топлив­ный клапан (форсунку) топливо сгорает. Топливо вводится в ци­линдр двумя порциями: первая подается так, чтобы она сгорела мгновенно; при этом повы­шается давление в ци­линдре от р₂ до р₁ теоре­тически при постоянном его объеме; подача второй порции регулируется так, чтобы при его постепен­ном горении давление в цилиндре оставалось по­стоянным, несмотря на движение поршня и увели­чение объема от V_a до F₄. Следует оговориться, что наличие в одном цикле про­цессов сгорания топлива при V=const и при р = const необязательно: известны циклы, в которых топливо сгорает только при р=const или при V=const.

После полного сгорания всего топлива образовавшиеся про­дукты сгорания адиабатно расширяются. При подходе поршня к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан (вып.) и происходит выпуск по линии 5—1 и выталкивание по линии 1—6. В результате выпуска давление в цилиндре падает практически мгновенно (при V = const), и в течение выталкивания давление остается постоянным и равным давлению той среды, куда произ­водится выпуск отработавших газов.

Реальные условия работы двигателей резко отличаются от идеальных. Впускной и выпускной клапаны всегда оказывают гидравлические сопротивления проходящему через них газу. Про­цессы сжатия и расширения в реальных условиях не могут проте­кать адиабатно. Сгорание также не может происходить точно при V = const и при р = const и быть полным. Отдельные порции топлива сгорают на линии расширения и даже в процессе выпуска (выпуска и выталкивания). Нужно также иметь в виду, что в те­чение всего рабочего цикла некоторая часть рабочего тела утекает

135

из рабочего объема через неплотности в поршневых кольцах. Это также влияет на характер действительного рабочего цикла.

В результате этого реальный рабочий процесс, представляемый действительной индикаторной диаграммой (пунктирная линия на рис. 80), существенно отличается от идеального.

Двигатели, схема которых показана на рис. 80, называют двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями. Другого типа двигателями являются двигатели с принудительным зажига­нием. В цилиндры такого двигателя подают уже готовую смесь

топлива с воздухом, приготовленную вне ци­линдра в специальных устройствах (карбюра­торах). Подобные дви­гатели не нуждаются в топливных клапанах, но имеют особое устрой­ство для зажигания го­рючей смеси в конце сжатия (электрозажига­ние). Если рабочий цикл двигателя совершается за четыре хода поршня (два оборота вала), то двигатель называют че­тырехтактным, если— за два хода поршня (один оборот вала), дви­гатель называют двух­тактным.

На рис. 81 показа­ны схема двухтактного

двигателя и его теоретическая индикаторная диаграмма. В ниж­ней части цилиндр имеет окна, которые открываются непосред­ственно поршнем при приближении его к нижней мертвой точке. В одной половине окружности цилиндра расположены выпуск­ные окна, в другой — продувочные. Первые имеют большую вы­соту и открываются поэтому раньше вторых. К тому моменту, когда поршень открывает продувочные окна, значительная часть газов уже удалена из цилиндра через выпускные окна в выпускной коллектор и из последнего в атмосферу. После открытия продувоч­ных окон воздух из продувочного ресивера под давлением вдувается в цилиндр; при этом из цилиндра удаляется большая часть остав­шихся после выпуска продуктов сгорания. При движении поршня от нижней мертвой точки он в положении, соответствующем точ­ке 1, закрывает выпускные окна. Продувочные окна закрываются несколько раньше. От точки 1 начинается сжатие, и дальше ра-

бочий процесс протекает так, как он протекал у четырехтактного двигателя.

Так как рабочие циклы двигателей четырех- и двухтактных включают в себя процессы, в течение которых меняется количество рабочего тела и его хими­ческий состав, то непо­средственный термодина­мический анализ этих процессов невозможен.

Поэтому в термодина­мике рабочие циклы ре­альных двигателей заме­няют соответствующими идеальными термодинами­ческими циклами двигате­ля, предполагая, что при осуществлении цикла хи­мический состав рабочего тела не меняется. В таком цикле процессы сгорания топлива и выпуска про­дуктов сгорания заменяют соответственно процессами подвода и отвода теплоты. Само собой разумеется, что идеальный термодинамический цикл не может быть осуще­ствлен в реальном двигателе, даже если представить теоретиче­ские условия его работы. Идеальный термодинамический цикл можно осуществить в двигателе, если из крышки цилиндра уда­лить клапаны, между крышкой и поршнем поместить 1 кг рабочего тела, а процессы сгорания топлива и выпуска заменить соответ­ственно процессами подвода и отвода теплоты (рис. 82). Идеаль­ный термодинамический цикл должен в точности соответствовать теоретическому рабочему циклу, т. е. оба цикла должны пред­ставляться в координатах р — v совпадающими фигурами, а под­водимая в идеальном цикле теплота должна равняться теплоте, выделяемой при полном сгорании топлива.

§ 58. Характеристики термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания

Важнейшими характеристиками всякого цикла двигателя яв­ляются следующие безразмерные величины:

137

Степень сжатия — отношение удельного объема рабочего тела, соответствующего началу сжатия (точка 1 на рис. 82), к удельному объему в конце сжатия (точка 2):

Степень дополнительного повышения давления — отношение давления в конце подвода теплоты при v = const к давлению в конце сжатия:

ного объема в конце процесса подвода теплоты при р = const к удельному объему в начале этого процесса:

3) цикл с. подводом теплоты при v — const (рис. 84); степень предварительного расширения равна единице ( = 1); степень последующего расширения равна степени сжатия ( = ).

Каждый из этих циклов служит в качестве идеального для оп­ределенной группы двигателей: смешанный — для так называе­мых бескомпрессорных дизелей (топливо впрыскивается и распыли-вается специальным насосом); цикл с подводом теплоты при р = const — для компрессорных дизелей (топливо впрыскивается и распылпвается сжатым воздухом). Для двигателей с принуди­тельным зажиганием (карбюраторных и газовых) идеальным цик­лом является цикл с подводом теплоты при v = const.

§ 59. Экономичность идеальных циклов

Для всякого идеального цикла показателем экономичности является его термический к. п. д.

Тогда

Определим к. п. д. смешанного цикла (см. рис. 82):

Степень последующего расширения — отношение удельных объемов в конце и в начале процесса адиабатного расширения. Последняя величина равна объему в конце процессов подвода теп­лоты:

Значения основных характеристик цикла оказывают решаю­щее влияние на величину его работы и экономичность.

В зависимости от значении основных характеристик различают следующие циклы:

1. смешанный цикл; ни одна из основных характеристик не
   равна единице (рис. 82);

2. цикл с подводом теплоты при р = const (рис. 83); степень
   повышения давления равна единице ( = 1);

Разделив правую часть последнего уравнения на с_v, получаем

Для адиабаты сжатия 1—2 имеем

139