ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Как видно из самого названия, двигатель внутреннего сгорания представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива (бензин, керосин, соляровое масло .и Др.)- В газовых двигателях давления рабочего тела не слишком высоки и температуры его намного превышают критические, что позволяет с хорошим приближением рассматривать рабочее тело как идеальный газ; это существенно упрощает термодинамический анализ цикла. Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей. Во-первых, благодаря тому что у двигателя внутреннего сгорания горячий источник теплоты находится как бы внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод теплоты от горячего источника к рабочему телу. Это приводит к большей компактности двигателей внутреннего сгорания, например, по сравнению с паросиловыми установками. Второе преимущество двигателей внутреннего сгорания состоит в следующем. В тех тепловых двигателях, в которых подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника, верхний предел температуры рабочего тела в цикле ограничивается температурой, допустимой для конструкционных материалов (так, повышение температуры водяного пара в паротурбинных установках лимитируется свойствами сталей, из которых изготовляются элементы парового котла и паровой турбины; с ростом температуры, как известно, снижается предел прочности материала). В двигателях же внутреннего сгорания предельное значение непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего теплоту не через стенки двигателя, а за счет тепловыделений в объеме самого рабочего тела, может существенно превосходить этот предел. При этом надо еще иметь в виду, что стенки цилиндра и головки блока цилиндров имеют принудительное охлаждение, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический КПД. Двигатели внутреннего сгорания (поршневого типа) широко используются в технике (в автомашинах, тракторах, самолетах старых типов и т. д.). Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасывание рабочего тела (воздуха.или горючей смеси), а через другое — выброс рабочего тела по завершении цикла. Различают три основных вида циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания: цикл Отто (сгорание при V=const); цикл Дизеля (сгорание при р —const); цикл Тринклера (сгорание при V=const и затем при p=const). Рассмотрим цикл Отто (названный так по имени немецкого конструктора Н. А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.). Схема двигателя, работающего по циклу Отто, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рис. 10.1.
Поршень 1 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженном всасывающим III и выхлопным IV клапанами. В процессе а-1поршень движется слева направо, в цилиндре создается разрежение, открывается всасывающий клапан III и в цилиндр подается горючая смесь, приготовленная в специальном устройстве — карбюраторе. Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с некоторым количеством паров бензина (или другого горючего). После того как поршень дойдет до крайнего правого положения, процесс заполнения цилиндра горючей смесью заканчивается и всасывающий клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении — справа налево. При этом горючая смесь в цилиндре сжимается и ее давление возрастает (процесс 1-2). После того как давление смеси в цилиндре достигает определенного значения, соответствующего точке 2 на индикаторной диаграмме, с помощью электрической свечи V производится поджигание горючей смеси. Процесс сгорания смеси происходит практически мгновенно, поршень не успевает переместиться, и поэтому процесс сгорания можно считать изохорным. В процессе сгорания выделяется теплота, за счет которой рабочее тело, находящееся в цилиндре, нагревается и его давление повышается до значения, соответствующего точке 3 на индикаторной диаграмме. Под действием этого давления поршень вновь перемещается вправо, совершая при этом работу расширения, отдаваемую внешнему потребителю. После того как поршень дойдет до правой мертвой точки, с помощью специального устройства открывается выхлопной клапан IV и давление в цилиндре снижается до значения, несколько превышающего атмосферное (процесс 4-5); при этом часть газа выходит из цилиндра. Затем поршень вновь движется влево, выталкивая из цилиндра в атмосферу оставшуюся часть отработавших газов*. После этого начинается новый цикл — всасывание следующей порции горючей смеси и т. д. Таким образом, поршень в цилиндре двигателя, работающего по циклу Отто, в течение одного цикла совершает четыре хода (такта) — всасывание, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продуктов сгорания в атмосферу. Термодинамический анализ цикла Отто удобно проводить, рассматривая идеализированный цикл, соответствующий рассмотренной индикаторной диаграмме. Такой идеализированный цикл Отто представлен в р, у-диаграмме на рис. 10.2, построенной для единицы массы рабочего тела. Реальный цикл двигателя внутреннего сгорания — это разомкнутый цикл, рабочее тело засасывается извне и по окончании цикла выбрасывается в атмосферу; таким образом, в каждом цикле участвует новая пор- * Как видно из индикаторной диаграммы, давление в цилиндре в процессе всасывания несколько меньше, а в процессе выхлопа—несколько больше атмосферного в результате аэродинамического сопротивления обоих клапанов и соответствующих подводящих патрубков..
ция рабочего тела. Поскольку в горючей смеси, подаваемой в цилиндр двигателя (воздух + топливо), количество топлива относительно невелико по сравнению с количеством воздуха, для удобства анализа можно считать, что цикл двигателя внутреннего сгорания является замкнутым, рабочим телом цикла является воздух, количество которого в двигателе остается неизменным, а подвод теплоты q\ к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника через стенку цилиндра в изохорном процессе 2-3 и соответственно отвод теплоты qz от рабочего тела к холодному источнику — в изохорном процессе 4-1. В отношении термодинамического анализа такой замкнутый цикл не отличается от разомкнутого цикла Отто. Поскольку процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) в этом цикле происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой, с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными. Таким образом, идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4) и двух изохор (изохора подвода теплоты 2-3 и изохора отвода теплоты 4-1). Работа, производимая двигателем за один цикл, изображается площадью 2-3-4-1-2. Определим термический КПД цикла Отто. Количество теплоты, подводимой к рабочему телу в изохорном процессе 2-3, определяется уравнением (7.6): q1 = cυ (Т3-Т2), (10.1) где t2 и Т3—температуры рабочего тела соответственно до подвода теплоты и после него, a cυ — средняя теплоемкость рабочего тела в рассматриваемом интервале температур (если считать рабочее тело идеальным газом с постоянной теплоемкостью, то тогда cυ — постоянная теплоемкость такого газа). Количество теплоты, отводимой от рабочего тела в изохорном процессе 4-1, составляет:
q2 = cυ (Т4-Т1), (10.2) где Т4 и Т1 — температуры рабочего тела до отвода теплоты и после него. Отсюда следует, что в соответствии с общим определением ηт = 1— q1 /q2 термический КПД цикла Отто может быть выражен уравнением
(10.3) При условии Cy=const это выражение может быть приведено к следующему виду:
(10.4) Для идеального газа отношение 7УГ2 в адиабатном процессе определяется соотношением (7.60а):
Обозначим s отношение удельных объемов рабочего тела до сжатия и после него:
ε = υ1/υ2 (10.5) Величина е носит название степени сжатия. С учетом (10.5) уравнение (7.60а) может быть записано следующим образом:
(10.6)
Для адиабат 1-2 и 3-4 можно написать уравнения Пуассона: (10.7) (10.8) Деля почленно (10.8) на (10,7) и учитывая при этом, что υ2= υ3 и υ4= υ1, получаем:. (10.9) или (10.10)
С учетом (10.10) и (10.6) уравнение (10.4) для термического КПД цикла Отто принимает вид: (10.11) Зависимость цикла Отто от ε для κ=1,40 представлена на рис. 10.3. По уравнению (10.11) термический КПД цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатном процессе 1-2, причем чем больше степень сжатия е, тем выше термический КПД цикла. Вывод о том, что благодаря применению предварительного сжатия рабочего газа возрастает термический КПД двигателя, весьма важен; в дальнейшем будет показано, что этот вывод справедлив для любых двигателей внутреннего сгорания. Говоря о циклах двигателей внутреннего сгорания, следует в этой связи упомянуть о двигателе, созданном в 1859 г. французским изобретателем Э. Ленуаром. В этом цикле сжигание топлива (светильного газа) в камере сгорания осуществлялось при атмосферном давлении. Термический КПД этого двигателя был весьма мал (3— 4 %). Вывод о том, что применение предварительного сжатия воздуха позволит резко увеличить термический КПД двигателя, был огромным шагом вперед в развитии теории двигателей внутреннего сгорания. Интересно отметить, что впервые мысль о целесообразности предварительного сжатия воздуха перед подачей его в камеру сгорания была высказана С. Карно еще в 1824 г. Впервые схема двигателя со сжатием воздуха и сгоранием при постоянном объеме была предложена в 1862 г. Бо де Роше; впоследствии Отто построил двигатель, в котором был осуществлен этот цикл. Итак, для увеличения т)т выгодно всячески увеличивать степень сжатия. Одна ко практически осуществить сжатие до слишком высоких значений е, сопровождающееся значительным повышением температуры и давления, не удается по той причине, что по достижении определенного значения е часто еще до прихода поршня в левое крайнее положение происходит самовоспламенение горючей смеси; как правило, этот процесс носит детонационный характер и разрушает элементы двигателя. Поэтому степень сжатия в обычных карбюраторных двигателях не превышает 7—12. Степень сжатия зависит от качества топлива, повышаясь с улучшением его антидетонационных свойств, характеризуемых октановым числом.
Теплота q1, подводимая к рабочему телу в цикле Отто (Г, s-диаграм-ма на рис. 10.4), изображается в Г, s-диаграмме площадью а-2-З-b-а, теплота q2, отводимая от рабочего тела, — площадью a-l-4-b-a, а работа цикла — площадью 1-2-3-4-1*. Карбюраторные двигатели, работающие по циклу Отто, широко распространены в технике: они применяются в легковых и многих грузовых автомашинах, на самолетах (с поршневыми двигателями). Степень сжатия е в цикле может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (названный по имени немецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1897 г. двигатель, работавший по этому циклу). Схема двигателя, работающего по циклу Дизеля, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рис. 10.5. В процессе а-1 в цилиндр двигателя засасывается чистый атмосферный воздух; в процессе 1-2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха до давления р2 (степень сжатия в двигателях с циклом Дизеля обычно достигает ε=15-:-16). Затем начинается процесс расширения воздуха и одновременно через специальную форсунку впрыскивается топливо (керосин, соляровое масло). За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от υ2 к υ3 при p=const. Поэтому цикл Дизеля называют циклом со сгоранием при постоянном давлении. После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение рабочего тела происходит по адиабате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-5) и газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (линия 5-b); таким образом, цикл Дизеля — это четырехтактный цикл. Для удобства анализа заменяем рассмотренный цикл Дизеля термодинамически эквивалентным ему идеализированным замкнутым циклом, осуществляемым с чистым воздухом; р, и-диаграмма этого цикла представлена на рис. 10.6. Как видно из этой диаграммы, идеализированный цикл Дизеля состоит из двух адиабат (адиабаты сжатия 1-2 и адиабаты расширения 3-4), изобары 2-3, по которой осуществляется подвод тепла q1 от горячего источника, и изохоры 4-1, по которой осуществляется отвод теплоты q2 к холодному источнику. Вычислим термический КПД этого цикла (по-прежнему считая воздух, используемый в качестве рабочего тела этого цикла, идеальным газом с постоянной теплоемкостью). * Для Идеального газа любые две изохоры, так же как и любые две изобары, в Т, s-диаграмме эквидистантны; в самом деле, поскольку тангенс угла наклона изохоры в Т, s-диаграмме есть (dT/ds)v=Tlcυ, cυ≠f(υ), при данной температуре все изохоры иденального газа имеют одинаковый наклон (аналогично и изобары).
Введем еще одно обозначение — степень предварительного расширения ρ: (10.12) Из общего выражения для термического КПД любого цикла ηт = 1— q2 /q1 с учетом того, что в изохорном процессе 4-1 [см. (10.2)] q2= cv(T4 — T1), а в изобарном процессе 2-3 (10.13) получаем: (10.14)
или с учетом (7.55) (10.15)
В изобарном процессе идеального газа (10.16) Из уравнений адиабаты для процессов 1-2 и 3-4 имеем: с учетом того, что υ4 = υ1 и ρ2= ρ3 , получаем, почленно деля (10.8) на (10.7): (10.17)
Заменяя в этом соотношении p1 и р4 на изохоре υ4 = υ1 по уравнению Клапейрона, получаем с учетом (10.12): (10.18) Подставляя (10.18) и (10.16) в (10.15), получаем следующее выражение для термического КПД цикла Дизеля: (10.19)
Это соотношение показывает, что термический КПД цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия е (как и в цикле Отто) и чем меньше величина р. Зависимость ηт цикла Дизеля от е для разных значений р при k= 1,40 представлена на рис. 10.7. Цикл Дизеля в Т, s-диаграмме представлен на рис. 10.8. Величина q1 изображается площадью а-2-З-b-а, величина q2 — площадью a-l-4-b-а, работа цикла /ц — площадью 1-2-3-4-1. Сравним между собой значения термических КПД циклов Отто и Дизеля, принимая в обоих циклах одинаковой либо степень сжатия е, либо наивысшую температуру рабочего тела в цикле T3; разумеется, исходные параметры рабочего тела в начальной точке цикла (р1, υ1, T1) считают одинаковыми для обоих циклов. Если принять, что степень сжатия в обоих циклах одна и та же, то из (10.11) и (-10.21) очевидно, что термический КПД цикла Отто выше термического КПД цикла Дизеля. Однако сравнение КПД этих циклов при условии одинаковых значений е вряд ли правомерно, так как преимуществом цикла Дизеля по сравнению с циклом Отто является, как отмечалось выше, именно возможность достижения более высоких степеней сжатия. Сравнение значений ηт циклов Отто и Дизеля при условии одинаковой наивысшей температуры цикла Т3 показывает, что в этом случае термический КПД цикла Дизеля будет выше, чем термический КПД
цикла Отто. В частности, это видно и из Т, s-диаграммы на рис. 10.8; поскольку ср>сυ т. е. T(ds/dT) р>T(ds/dT) υ, следовательно, в Т, s-диаграмме изохора идет более круто, чем изобара (на рис. 10.8 штриховой линией нанесена изохора цикла Отто 2а-3), и, значит, степень заполнения цикла Дизеля выше, чем цикла Отто. При сравнении обоих циклов при равных работах цикла Iц=ql–q2 и максимальном давлении легко заметить, что теплота q2 в цикле Отто больше, чем в цикле Дизеля, а термический КПД меньше. Подобное сравнение наиболее оправдано и дает основание считать цикл Дизеля более экономичным чем цикл Отто. Надо при этом отметить, что двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе. Основным недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность, обусловленная более медленным сгоранием топлива. Своего рода «гибридом» циклов Отто и Дизеля является цикл со смешанным сгоранием, или цикл Тринклера* (иногда называемый также циклом Сабатэ). Двигатели, работающие по этому типу (рис. 10.9), имеют так называемую форкамеру, соединенную с рабочим цилиндром узким каналом. На рис. 10.10 показан цикл такого двигателя в р, υ-диаграмме. В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкого топлива, подаваемого в формкамеру (процесс 1-2). Форма и расположение последней способствуют наилучшему смешению топлива с воздухом, в результате чего происходит быстрое сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (процесс 2-5). Благодаря возрастанию давления в форкамере образовавшаяся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкивается в рабочий цилиндр, где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся перемещением поршня слева направо при приблизительно постоянном давлении (процесс 5-3). По окончании сгорания топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания (рабочий ход) происходит адиабатически (процесс 3-4), после чего отработавшие газы удаляются из цилиндра (процесс 4-1). Таким образом, в цикле со смешанным сгоранием подвод теплоты q1 осуществляется вначале по изохоре (q1’), а затем по изобаре (q1”). Особенность двигателя со смешанным сгоранием состоит в том, что в отличие от двигателя Дизеля он не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе * Пo имени русского инженера Г. В. Тринклера, впервые предложившего этот цикл в 1904г.
с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто — часть процесса сгорания осуществляется при постоянном давлении. Определим термический КПД цикла со смешанным сгоранием. В общем соотношении ηт = 1— q2 /q1 величина q2(теплота, отводимая по изохоре 4-1) по-прежнему определяется соотношением (10.2): q2 =cυ(T4–T1), тогда как величина q1 складывается из теплоты q1’, подводимой в изохорном процессе 2-5, и теплоты q1”, подводимой в изобарном процессе 5-3:
(10.20) Очевидно, что ; (10.21) . (10.22)
Отсюда для термического КПД цикла со смешанным сгоранием получаем:
(10.23) или
(10.24) Для изохоры 4-1 имеем из уравнения Клапейрона:
(10.25) Уравнения для адиабат 1-2 и 3-4 можно записать в виде ; Почленно деля (10.8) на (10.7) и учитывая, что υ1 = υ4, получаем: (10.26) Поскольку р3=p5 (изобара 5-3), a υ2 = υ5 (изохора 2-5), это соотношение можно преобразовать к виду
(10.27) где λ=p5/p2 — степень повышения давления в изохорном процессе сгорания, а р = υ3/ υ5 — степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорания. С учетом этого соотношения получаем из (10.26): (10.28) Для изохоры 2-5 имеем: (10.29) а для изобары 5-3 (10.30) Наконец, в соответствии с (10.6) . С учетом (10.28) — (10.30) и (10.6) получаем из (10.24): При ρ = 1 (это соответствует отсутствию изобарного процесса) уравнение (10.31) превращается в уравнение (10.11) для термического КПД цикла Отто, а при λ = 1 (отсутствие изохорного процесса) уравнение (10.41) превращается в уравнение (10.19) для ηT цикла Дизеля. Сравнение значения ηT для цикла со смешанным сгоранием со значениями ηT цикла Отто и цикла Дизеля показывает, что при одинаковых степенях сжатия ε (10.32) а при одинаковых наивысших температурах цикла (Т3) (10.33) Указанные неравенства наглядно иллюстрируются Т, s-диаграммой (рис. 10.11); в частности, соотношение (10.33) вытекает из равенства для всех трех циклов теплоты q2, равной площади a-1-4-b-a при наибольшем значении работы цикла в цикле Дизеля (площадь l-2b-3-4-1), среднем значении работы цикла в смешанном цикле (площадью 1-2-5-3-4-1) и наименьшем значении работы цикла в цикле Отто (площадь 1-2а-3-4-1). Попутно отметим, что в четырехтактных двигателях в течение тактов всасывания и выталкивания продуктов сгорания, протекающих при давлении, близком к атмосферному, двигатель выполняет не свойственную ему работу, поэтому современные быстроходные поршневые двигатели, например мотоциклетные, работают в два такта, а такты всасывания и выталкивания заменяются поступлением рабочего тела и удалением его из цилиндра через специальные окна, заменяющие всасывающий и выхлопной клапаны и не закрываемые движущимся поршнем. Двухтактные двигатели имеют такие же циклы, как и четырехтактные. Результаты приведенного в этом параграфе анализа эффективности циклов двигателей внутреннего сгорания справедливы лишь для идеализированных циклов без учета необратимости и других факторов. В реальных циклах рабочее тело (в первых двух тактах — это воздух в цикле Дизеля и в цикле со смешанным сгоранием или горючая смесь в цикле Отто, в последующих тактах — это воздух и продукты сгорания) по своим свойствам отличается от идеального газа с постоянной теплоемкостью; вследствие неизбежного трения процессы адиабатного сжатия и расширения происходят не по изоэнтропе, а с ростом энтропии; принудительное охлаждение стенок цилиндра еще больше увеличивает отклонение этих процессов от изоэнтропных; сгорание происходит за малые, но все же конечные промежутки времени, в течение которых поршень успевает несколько переместиться, так что условие изохорности процесса сгорания выполняется не совсем строго; имеют место механические потери в механизме и т. д. Это же относится к процессу выхлопа при открывании выхлопного клапана. Поэтому для перехода от идеальных термодинамических циклов, исследованных выше, к реальным циклам необходимо вводить внутренний относительный КПД двигателя, который определяется экспериментально при испытании последнего.
Популярное: Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (541)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |