9.9. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие циклы:

· со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

· с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

· с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const).

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью, и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух, и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100…150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих процессов (рис. 9.14): aс – адиабатное сжатие; cz’ – изохорный подвод теплоты; z’z – изобарный подвод теплоты; ze – адиабатное расширение; еа – изохорный отвод теплоты.

Рис. 9.14. Диаграммы работы цикла со смешанным подводом теплоты

Цикл является как бы обобщающим для всех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом зависит от заданного начального состояния в точке с и от параметров цикла:

· степени сжатия (степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc; разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра Vh);

· степени изохорного повышения давления;

· степени предварительного (изобарного) расширения .

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

в точке с

;

;

в точке

;

;

в точке

;

;

в точке е

;

.

Термический КПД смешанного цикла равен:

,

где

;              ;

;                        .

Подставляя выражения для соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим:

.                         (9.9)

Как видно из формулы (9.9), термический КПД цикла растет с увеличением  и k и уменьшается с увеличением . Степень изохорного повышения давления  связана с величиной . Чем больше , тем меньше  (при тех же значениях  и q2). Тогда с ростом  термический КПД смешанного цикла увеличивается.

Работа теоретического цикла определяется по формуле:

.

Отношение работы цикла к рабочему объему vh характеризует среднее давление цикла:

.

Среднее давление смешанного цикла равно:

.                        (9.10)

Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления цикла является повышение начального давления – наддув двигателя.

Рассмотренный идеальный цикл лежит в основе работы всех современных дизелей.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является частным случаем рассмотренного цикла со смешанным подводом теплоты, когда степень изобарного расширения  = 1.

По этому циклу работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь до давления 1,0… 1,5 МПа и поджигается в конце сжатия от электрической искры. Идеальный цикл Отто (рис. 9.15) состоит из процессов адиабатного сжатия (ас), подвода к рабочему телу теплоты при v = const (cz), адиабатного расширения (ze) и отдачи рабочим телом теплоты при v =const (еа).

Параметры в узловых точках цикла определяются так же, как и для цикла со смешанным подводом теплоты.



Формулы для определения  и рц в этом цикле получаются из соответствующих формул для смешанного цикла при  = 1:

,                              (9.11)

.

Рис. 9.15. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Из выражения (9.11) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. Несмотря на то, что с увеличением степени сжатия растут термический КПД и полезная работа цикла, при больших степенях сжатия ( > 10) в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси.

Еще более существенным является то обстоятельство, что с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры в конце сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. По этой причине двигатели, работающие по циклу v = const, имеют вполне определенные предельные значения степени сжатия ( = 5,5…9,0).

Явление детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому сорт применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия для двигателей легкого топлива.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) является также частным случаем обобщающего цикла при  = 1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0…5,0 МПа, и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля (рис. 9.16) состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты Термический КПД и среднее давление цикла из формул (9.9) и (9.10) при  = 1 соответственно равны:

,                             (9.12)

.

Влияние  на  такое же, как и в циклах Тринклера и Отто, т.е. с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла. При увеличении степени предварительного расширения (), как видно из формулы (9.12), термический КПД цикла должен падать.

Рис. 9.16. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

При постоянной степени сжатия увеличение  вызовет увеличение объема vz , который зависит от подводимого количества теплоты q1. При увеличении q1 увеличивается объем vz, а вместе с ним увеличивается и работа цикла. Таким образом, возрастание  приводит к увеличению работы и уменьшению термического КПД.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при v = const и p = const, видим, что они различаются множителем:

.

Отсюда следует, что при одинаковых степенях сжатия  > .

Термодинамическая эффективность каждого из рассмотренных циклов зависит от конкретных условий его осуществления. Целесообразнее сравнивать циклы при различных степенях сжатия , но при одинаковых максимальных давлениях и температурах и одинаковом отведенном количестве теплоты q2.

Из TS-диаграммы (рис. 9.17) следует, что наибольший термический КПД будет у цикла с подводом теплоты при р = const:

> >.

КПД смешанного цикла имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при p = const и v = const.

Рис. 9.17. Сравнение циклов при различных степенях сжатия

При оптимальных степенях сжатия (для цикла Отто   < 10, для цикла Дизеля  = 16 и для смешанного  = 22):

 = 3,2…4,2;  = 1,6…2,0;           = 1,3…1,7,

,

что видно из рис. 9.18. Поэтому все выпускаемые сейчас дизели работают по смешанному циклу.

Рис. 9.18. Диаграмма работы циклов при оптимальных степенях сжатия