ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС
Лекция 3
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС
1. Классификация тепловых двигателей
2. Принцип работы ДВС
3. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме
3.1. Параметры характерных точек
3.2. Определение внешней теплоты и работы цикла
3.3. Термический КПД цикла
4. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении
5. Цикл со смешанным подводом теплоты
6. Сравнение различных циклов ДВС
1. Классификация тепловых двигателей
По способу подвода теплоты к рабочему телу различают:
• двигатели внешнего сгорания;
• двигатели внутреннего сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) по способу реализации полезной работы цикла могут быть:
• поршневыми (роторно-поршневыми);
• газотурбинными;
• комбинированными;
• реактивными.
ДВС — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется путем сжигания топлива внутри самого Двигателя.
Рабочим телом в ДВС является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.
ДВС имеют два существенных преимущества.
Во-первых, так как источник теплоты находится внутри самого двигателя, нет необходимости в больших теплообменных поверхно стях, что способствует его компактности.
Во-вторых, в двигателях внешнего сгорания внешний температурный предел рабочего тела ограничен свойством конструкционных материалов, через которые осуществляется теплообмен. В двигателях же внутреннего сгорания, где тепловыделение происходит в самом рабочем теле, температурный предел может быть значительно выше. А так как стенки головки и цилиндра двигателя имеют принудительное охлаждение, то температурные границы цикла могут быть расширены и термический КПД может быть увеличен.
В поршневых и роторно-поршневых двигателях рабочее тело находится в замкнутом пространстве между неподвижными деталями и движущимся поршнем или ротором, которые воспринимают давление рабочего поршня и преобразуют его во внешнюю работу.
В газотурбинном двигателе рабочее тело расширяется в потоке, т. е. в незамкнутом пространстве. При тепловом расширении кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу на лопатках вращающегося рабочего колеса.
В реактивных двигателях рабочее тело расширяется также в незамкнутом пространстве, но кинетическая энергия газа преобразуется в работу не на лопатках колеса как в газотурбинном двигателе, а за счет сил реакции при выходе рабочего тела из двигателя в окружающую среду с большой скоростью.
Комбинированный двигатель представляет собой гибрид поршневого и газотурбинного двигателей.
Термин «двигатель внутреннего сгорания» получил распростра нение применительно к поршневым двигателям.
2. Принцип работы ДВС
Принцип действия ДВС показан на рис. 1, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.
Рис. 1. Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС
и его принципиальная схема
Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной к1 и выпускной к2 клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает воз вратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.
При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впу скной клапан к1 засасывается горючая смесь (кривая 0—1'). Прямая а—а' соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1'—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры р, v и T при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.
По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения.
На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.
Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.
При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р4 до р1 не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т. е. без теплообмена.
Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0), меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.
Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.
Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно.
Площадь фигуры 1234 на индикаторной диаграмме соответству ет работе за один цикл.
На рис. 1 показана индикаторная диаграмма четырехтактного ДВС. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная — изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.
ДВС, как это видно из рис. 1, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамическими процессами. Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.
Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.
По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:
1) циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме;
2) циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;
3) смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.
Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:
1) по условию и характеру работы двигателя строится индикаторная диаграмма цикла;
2) определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;
3) определяются теплота и работа цикла;
4) определяется термический КПД цикла по формуле
;
5) выявляются факторы, влияющие на термодинамический КПД, и определяются пути его повышения.
Отличия реальных или действительных циклов от термодинамических рассматриваются в главе (действительные циклы ДВС).
3. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме называется циклом Отто по имени немецкого конструктора Н. А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.
Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с парами бензина или любым другим легко испаряющимся веществом.
На рис. 2 представлена р—v диаграмма двигателя, работающего именно по циклу Отто. Идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (рис. 2, кривые 1—2 и 3—4) и двух изохор (прямые 2—3 и 4—1). Работа, производимая двигателем за цикл, выражается площадью фигуры 23412.
Рис. 2. Цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме
Так как в этом цикле участвует постоянное количество рабочего тела, то линии впуска и выпуска отсутствуют. Кривая 1—2 соответствует процессу адиабатного (условно без теплообмена) сжатия газа, в это время поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ).
При положении поршня в ВМТ и постоянном объеме v2 (см. рис. 2, прямая 2—3) осуществляется процесс подвода теплоты q1 к рабочему телу. При этом давление и температура рабочего тела повышаются.
При движении поршня от ВМТ к НМТ (кривая 3—4) происходит процесс адиабатного расширения газа.
Отвод теплоты (-q2) от рабочего тела к холодильнику соответст вует прямой 4—1 и осуществляется при постоянном объеме, когда поршень находится в НМТ.
Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления .
Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем газа в процессе сжатия:
, (2.1)
где v1 — удельный объем газа в начале хода сжатия или полный объ ем при положении поршня в НМТ; v2 — удельный объем газа в конце хода сжатия или объем над поршнем при его положении в ВМТ (объем камеры сгорания).
Степень повышения давления показывает, во сколько раз повышается давление газа в результате подвода к нему теплоты при постоянном объеме:
, (2.2)
где р3 — давление газа в конце подвода теплоты; р2 — давление газа в начале подвода теплоты.
Так как параметры начального состояния (точка 1) всегда известны, то параметры всех других состояний могут быть выражены через р1, v1 и Т1.
Так как и выражены через v и р, то и они являются параметрами состояния.
Двигатели, работающие по данному циклу, имеют от 6 до 11; от 3 до 5.
3.1. Параметры характерных точек
Объем газа
Точка 1 индикаторной диаграммы (см. рис. 2) соответствует объему газа, значение которого можно определить из выражения
,
где vh — объем вытесняемый поршнем при его перемещении от НМТ до ВМТ или рабочий объем цилиндра.
Так как , a , то или
.
Откуда
и
. (2.3)
Точка 2 соответствует объему газа, определяемого из формулы
.
Подставляя в значение v1 выражение (2.3), получим
Объем газа, соответствующий точке 3, равен объему газа, соот ветствующему точке 2, а объем газа, соответствующий точке 4, равен объему газа, соответствующему точке 1. т. е.
и
Давление газа
Давление газа, соответствующее точке 2 на индикаторной диаграмме, определяется исходя из того, что процесс сжатия (кривая 1—2) адиабатный. Следовательно,
Так как v1/v2 = , то р2 = р]k где к — показатель адиабаты.
Давление, соответствующее точке 3, определяется по формуле (2.2).
Тогда р3 = р2 или
. (2.4)
Давление, соответствующее точке 4, определяется из соотношения
тогда
и .
Следовательно,
но
,
поэтому
.
Или, учитывая формулу (2.4), получим
.
Температура газа
Температура, соответствующая точке 2 (см. рис. 2), определяется из выражения (1.15):
.
Тогда
. (2.5)
Температура, соответствующая точке 3, определяется из соотношения параметров р и Т при изохорном процессе (прямая 2—3), т. е. из выражения
.
Так как
,
то
или
. (2.6)
Температура, соответствующая точке 4, определяется по фор муле
.
Так как v3 = v2, a v4 = v1 то
.
Учитывая формулу (2.6) и то, что v2/v, = 1/е, получим
. (2.7)
3.2. Определение внешней теплоты и работы цикла
Процесс, соответствующий кривой 1—2 на индикаторной диаграмме (см. рис. 2), является адиабатным. Поэтому для него q = 0.
В изохорном процессе (прямая 2—3) подводится теплота q1 ве личина которой определяется по формуле
.
Из формул (2.6) и (2.5) определим значения Т3 и Т2, получим
или
. (2.8)
Процесс, соответствующий кривой 3—4, также адиабатный и для него также q = 0.
В изохорном процессе (прямая 4—1) теплота отводится, количе ство отводимой теплоты определяется по формуле
или на основании формулы (2.7)
,
тогда
. (2.9)
Работа цикла определяется из выражения
.
Без учета коэффициента пропорциональности А, подставляя значения q1 и q2, получим
или
. (2.10)
3.3. Термический КПД цикла
Согласно определению
.
Подставляя вместо q2 и q1 выражения (2.9) и (2.8), получим
или
. (2.11)
Уравнение (2.10) показывает, что работа цикла тем больше, чем больше степень сжатия s и степень повышения давления .
Увеличение степени сжатия на одном и том же двигателе можно достигнуть, уменьшая объем камеры сгорания V2. Увеличение степе ни повышения давления можно осуществить путем увеличения ко личества подводимой теплоты q1.
Уравнение (2.11) показывает, что термический КПД цикла зави сит только от степени сжатия и растет с его увеличением.
Однако увеличение степени сжатия ограничивается свойствами горючей смеси, состоящей из топлива и воздуха, которая способна воспламеняться без специального поджигания. Для этого достаточ но, чтобы температура горючей смеси была равна температуре ее са мовоспламенения.
В конце такта сжатия Т2 = Т1k-1, т. е. Т2 растет с увеличением . Поэтому, увеличивая , можно получить температуру вспышки ра ньше, чем поршень придет в ВМТ, что приведет к ненормальной работе двигателя и даже его поломке. Результатом такого ограниче ния является то, что у существующих бензиновых двигателей сте пень сжатия доходит лишь до 7—12 единиц.
Кроме того, анализ показывает, что при дальнейшем наращива нии степени сжатия рост термического КПД замедляется.
Увеличение степени повышения давления влечет за собой уве личение максимального давления в цикле (так как в этом случае подводится большее количество теплоты q1). Это приводит к увели чению значений сил, действующих в кривошипно-шатунном меха низме, что вызывает потребность в изготовлении более прочного двигателя, а значит и более тяжелого. Кроме того, возрастает макси мальная температура цикла, а это приводит к росту термической на пряженности двигателя.
Таким образом, термический КПД и работа двигателей, работа ющих по циклу Отто, ограничены значениями и . Поэтому двига тели, появившиеся в 80-х годах, нуждались в усовершенствовании. Однако карбюраторные двигатели, работающие по циклу Отто, по лучили широкое распространение. Они применяются на легковых и грузовых автомобилях.
4. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении
Степень сжатия в цикле может быть существенно повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем в конце про цесса сжатия ввести в цилиндр горючее вещество.
Именно на этом основан цикл Дизеля (названный по имени не мецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1887 г. двигатель, ра ботавший по этому принципу). Степень сжатия в двигателях с цик лом Дизеля обычно достигает 15—20 единиц.
В цилиндр двигателя засасывается чистый воздух, затем сжима ется до тех пор, пока его температура не станет выше температуры самовоспламенения топлива. Такой температуры воздух должен до стичь в конце хода поршня. Тогда в цилиндр через специальную форсунку подается распыленное жидкое топливо. У Дизеля это топ ливо подавалось к форсунке сжатым воздухом, который в свою оче редь нагнетался компрессором под давлением 5—6 МПа. Распыля ясь через форсунку, топливо воспламенялось в цилиндре и сгорало примерно при постоянном давлении, так как поршень в этот мо мент перемещался, объем увеличивался.
После прекращения подачи топлива продукты сгорания расши ряются до тех пор, пока поршень не достигнет крайнего положения.
На рис. 3 показана индикаторная диаграмма поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Кривая 1—2 соот ветствует процессу адиабатного сжатия, прямая 2—3 — процессу подвода теплоты при постоянном давлении, кривая 3—4 — процессу адиабатного расширения, а прямая 4— 1 — процессу отвода теплоты при постоянном объеме.
Рис. 3. Цикл поршневого ДВС с подводом теплоты
при посто янном давлении
Характеристиками цикла явля ются степень сжатия и степень предварительного расширения :
,
где v3 — объем рабочего тела в конце подвода теплоты; v2 — объем рабоче го тела в начале подвода теплоты.
Двигатели, работающие по данному циклу, имеют от 12 до 20, а от 1,5 до 2,5.
Используя метод, применяемый при определении КПД и удель ной работы в цикле Отто, в данном случае получим формулы для определения работы цикла:
(2.12)
и термического КПД:
(2.13)
Из формул (2.12) и (2.13) видно, что работа цикла увеличивается вместе с увеличением степени сжатия и количества подведенной теплоты, которая характеризуется степенью предварительного рас ширения , а термический КПД цикла увеличивается с увеличением степени сжатия . В то же время с увеличением (кривая 3—4, рис. 4) адиабата расширения будет уменьшаться, а значение температу ры, при которой от газа отводится теплота, приблизится к Т3. Поэтому при увеличении уменьшается t цикла.
Рис. 2.4. Диаграммы циклов с изобарным подводом тепла,
имеющие различные степени предварительного расширения
Значение так же, как и не мо жет меняться в таких широких преде лах как значение , так как максимальная величина вполне определена количеством воздуха в камере сгорания. необходимого для сгорания соответствующего количества топлива.
Рост степени сжатия выше 15—18 единиц в цикле Дизеля ограничивается увеличением расхода работы на преодоление сил трения в двигателе.
Известным недостатком двигателя Дизеля по сравнению с дви гателем Отто является необходимость затраты работы на привод компрессора, большие габаритные размеры компрессорной установ ки и тихоходность, обусловленная медленным сгоранием топлива.
5. Цикл со смешанным подводом теплоты
Стремление обеспечить высокий термический КПД цикла в сочета нии с большой работой цикла привело к созданию так называемого бескомпрессорного поршневого двигателя, где топливо подается не сжатым до 4—5 МПа воздухом, а механическим насосом под давле нием свыше 30 МПа. Высокое давление обеспечивает хорошее рас пиливание топлива. Часть топлива, наиболее хорошо перемешанная с воздухом, быстро сгорает, практически при постоянном объеме, а часть топлива, которая не успела перемешаться с воздухом, горит медленнее, уже при движении поршня в сторону расширения, так что можно считать давление поршня постоянным.
Данный цикл был предложен в 1904 г. русским инженером Г.В. Тринклером.
Кривая 1—2 на рис. 5 соответствует процессу адиабатного сжа тия, кривая 2—3 процессу подвода теплоты при постоянном объеме, прямая 3—4 — процессу подвода теплоты при постоянном давле нии, кривая 4—5 — процессу адиабатного расширения газа, прямая 5—1— процессу отвода теплоты при постоянном объеме.
Характеристиками цикла являются:
.
Рис. 5. Цикл поршневого ДВС со смешанным подводом теплоты
Двигатели, работающие по данному циклу, имеют от 15 до 20; от 1,4 до 2,4; от 1,1 до 1,6.
В данном цикле удельная работа вычисляется по формуле
(14)
а КПД цикла — по формуле
(2.15)
Анализ формулы (2.15) показывает, что термический КПД цик ла со смешанным подводом теплоты зависит от всех трех парамет ров, т. е. от , и .
6. Сравнение различных циклов ДВС
Результаты исследований показывают, что при одинаковых степе нях сжатия наиболее экономичен цикл с подводом теплоты при по стоянном объеме, так как в этом случае подвод теплоты осуществ ляется при наиболее высокой температуре и сообщенная рабочему телу теплота обладает наибольшей работоспособностью.
При одинаковых степенях сжатия увеличение в цикле с под водом теплоты при постоянном объеме приведет к росту максима льного давления цикла, а в цикле Дизеля этого не произойдет, так как = 1. Однако прирост максимального давления сопровождается большими нагрузками на детали кривошипно-шатунного механиз ма, что вызывает увеличение сил трения в механизме. Следователь но, увеличение , а вместе с ним и работы в цикле с подводом теп лоты при постоянном объеме не всегда компенсируется более вы соким t цикла.
Преимуществом циклов с подводом теплоты при постоянном давлении и со смешанным подводом теплоты являются более высо кие степени сжатия. Поэтому циклы поршневых ДВС целесообраз но сравнивать при одинаковых максимальных давлениях и одина ковых количествах подведенной теплоты. В этом случае цикл Дизе ля будет обладать более высоким термическим КПД по сравнению с циклом Отто.
Так как смешанный цикл и цикл с подводом теплоты при по стоянном давлении осуществляются с одинаковыми степенями сжа тия, а максимальное давление у смешанного цикла оказывается бо льше (так как > 1), то и термический КПД смешанного цикла ока зывается более высоким.
Контрольные вопросы
1. Дайте классификацию тепловых двигателей. В чем их отличие?
2. Объясните принцип действия четырехтактного ДВС, используя индика торную диаграмму.
3. На какие группы по принципу работы делятся циклы ДВС?
4. От каких величин и как зависит работа и КПД цикла с подводом теп лоты при постоянном объеме?
5. Что такое степень сжатия и степень повышения давления?
6. Почему в цикле с подводом теплоты при постоянном объеме ограни чено увеличение степени сжатия и степени повышения давления?
7. От каких величин и как зависит работа и КПД цикла с подводом теп лоты при постоянном давлении?
8. Что такое степень предварительного расширения?
9. Почему увеличение степени предварительного расширения приводит к уменьшению КПД цикла Дизеля?
10. В чем основной недостаток двигателя Дизеля?
11. Какие величины степеней сжатия используются в циклах Отто, Дизеля и Тринклера? У каких из них наиболее высокий КПД?
PAGE \* MERGEFORMAT 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС