Термодинамічні і робочі цикли поршневих двигунів

Лекція 2. Термодинамічні і робочі цикли поршневих двигунів

1. Термодинамічні цикли поршневих двигунів

У ДВЗ перетворення теплової енергії в механічну роботу здійснюється відповідно до кругових термодинамічних процесів.

Згідно з другим законом термодинаміки навіть у ідеальній тепловій машині оборотні термодинамічні цикли неможливі без передачі частини теплової енергії холодному джерелу. Такі цикли називають термодинамічними або теоретичними (ідеальними). Стосовно ДВЗ їх досліджують з метою оцінки найбільшої потужності та економічності при реалізації конкретного циклу, визначення можливого коефіцієнта корисної дії тощо.

Термодинамічні цикли ДВЗ залежно від способу відведенням теплоти ділять на цикли з неповним та повним розширенням робочого тіла.

За циклом з неповним розширенням робочого тіла працюють двигуни без наддуву. У свою чергу за способом підведення теплоти вони діляться на три групи:

– підведеням теплоти при сталому об’ємі (V = const). За цим циклом працюють двигуни з іскровим запалюванням (рис. 2.1 а);

– з підведенням теплоти при сталому тиску (р = const). За цим циклом працюють компресорні дизелі, в яких впорскування палива в циліндр здійснюється стиснутим повітрям (рис. 2.1 б);

– із змішаним підведенням теплоти, коли одна частина теплоти Q1 підводиться при сталому об’ємі, а друга Q”1 – при сталому тиску. За цим циклом працюють сучасні безкомпресорні дизелі (рис. 2.1 в).

У всіх трьох циклах теплота відводиться при V = const.

Рис. 2.1 Термодинамічні цикли з неповним розширенням робочого тіла

На рисунку 2.1 інтервали між характерними точками означають:

1 – 2 – адіабатний стиск; 2 – 3 – підведення теплоти; 3 – 4 – адіабатне розширення; 4 – 1 – відведення теплоти. Q1 (Q1= Q1+ Q”1 – при змішаному підведенні теплоти) – кількість підведеної теплоти, . Q2 – кількість відведеної теплоти.

Термодинамічні цикли з повним розширенням робочого тіла за способом підведення теплоти Q1 діляться на два види:

– з підведенням теплоти при V = const (рис. 2.2 а);

– з підведенням теплоти при р = const (рис. 2.2 б).

В обох випадках відведення теплоти здійснюється при р = const. За вказаними циклами працюють газотурбінні і реактивні двигуни (переривчастої – рис. 2.2 а і безперервної – рис. 2.2 б дії).

Рис. 2.2 Термодинамічні цикли з повним розширенням робочого тіла

У двигунів з газотурбінним наддувом отримують цикли з продовженим розширенням і відведенням теплоти при сталому тиску. При цьому неповне розширення відбувається в циліндрах ДВЗ, а наступне повне – у газовій турбіні турбокомпресора. Такі ДВЗ називають комбінованими.

У газовій турбіні може здійснюватись цикл підведення теплоти за сталого об’єму (імпульсна газова турбіна, на яку безпосередньо спрямовуються з циліндрів ДВЗ відпрацьовані гази), або цикл підведення теплоти за сталого тиску ( відпрацьовані гази з циліндрів спочатку надходять у випускний колектор збільшеного об’єму, а з нього – у газову турбіну).

У циклі ДВЗ з імпульсною турбіною використовується кінетична енергія відпрацьованих газів.

На рис. 2.3 а s –а – адіабатний стиск у компресорі; а – с – адіабатний стиск у циліндрі двигуна; c – z – z’ – змішане підведення теплоти; z – b – адіабатне розширення газів у циліндрі двигуна; b – f – продовжене розширення газів у випускному трубопроводі й газовій турбіні; f – s – відведення теплоти при сталому тиску.

Рис. 2.3 Термодинамічні цикли двигунів з газотурбінним наддувом

На рис. 2.3 б наведено цикл з надходженням газів на турбіну при сталому тиску: s –а – адіабатний стиск у компресорі; а – с – адіабатний стиск у циліндрі двигуна; c – z’ – z – змішане підведення теплоти; z – b – адіабатне розширення газів у циліндрі двигуна; b – a – відведення теплоти при V = const із циліндра; а – е – підведення теплоти, відведеної з циліндра, у газову турбіну при р = const ; продовжене розширення газів у випускному трубопроводі й газовій турбіні; е – f – адіабатне розширення в турбіні; f – s – відведення теплоти при сталому тиску.

2. Показники термодинамічних циклів

Термодинамічні цикли характеризуються рядом параметрів, серед яких основними являються:

– ступінь стиску:

; (2.1)

– ступінь попереднього розширення (розглядаємо загальний випадок із змішаним підведенням теплоти):

; (2.2)

– ступінь подальшого розширення:

; (2.3)

– ступінь підвищення тиску під час згоряння:

; (2.4)

– термічний коефіцієнт корисної дії (термічний ККД):

, (2.5)

де – кількість теплоти, використаної в циклі на корисну роботу, Дж;

– робота, яка здійснюється за цикл, Дж;

– питома робота (середній тиск циклу ), яка дорівнює відношенню роботи циклу до робочого об’єму циліндра:

. (2.6)

Для замкнутого циклу робота циклу визначається площиною у середені контуру циклу (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Робота за цикл із змішаним підведенням теплоти

Із рисунку 2.4 встановлюємо, що робота за цикл при змінному тиску може бути прирівняна роботі деякого сталого тиску за цикл при зміні об’єму циліндра від до . Тобто можна визначати як висоту прямокутника з основою , площа якого дорівнює площі діаграми циклу.

Тиск називають середнім тиском циклу і використовують для порівняння між собою робочих циклів у ДВЗ з однаковими розмірами циліндрів.

3. Дійсні робочі цикли поршневих двигунів

Будемо розглядати робочі цикли чотиритактних двигунів, які найбільш поширених на автомобільному транспорті.
Робочий процес чотиритактного двигуна складається з тактів впуску, 
стиску, розширення і випуску і здійснюється за два оберти колінчастого вала. 
Розглянемо цей процес, використовуючи для ілюстрації кожного такту 
індикаторну діаграму, що є залежністю тиску р в циліндрі від змінного 

об'єму циліндра.

 При випробуваннях двигунів індикаторна діаграма знімається спеціальним приладом -індикатором.  Індикаторна діаграма

карбюраторного двигуна показана на рис. 2.5, а, а дизеля  – на рис.2.5,6. На діаграмі по осі ординат відкладено тиск в циліндрі р, а по осі абсцисс об'єм циліндра V. Лінія  р0 відповідає нормальному атмосферному тиску. 

Рис. 2.5. Індикаторна діаграма чотиритактного поршневого двигуна : а - карбюраторного; б - дизеля Такт впуску починається з руху поршня від  в. м т. і триває на протязі 180° повороту  колінчастого вала, поки поршень не досягне н. м т.  На початку такту впуску в циліндрі знаходяться гази,що відпрацювали,  під невеликим надмірним тиском (точка  г на діаграмах). Перед початком  такту впуску впускний клапан відкривається. У міру віддалення поршня від  в. м т. тиск в циліндрі стає нижче за атмосферний (лінія га).  Величина тиску визначається рядом чинників : опором впускного тракту,  кутовою швидкістю колінчастого вала двигуна  тощо. Середній тиск впуску  дорівнює 70-95 кН/м2. Удизелів він небагато більше, ніж у карбюраторних  двигунів.  Під дією перепаду тисків горюча суміш (у карбюраторних двигунах) і  чисте повітря (у дизелях) поступають в циліндр. Стикаючись з нагрітими  стінками впускного трубопроводу, голівкою і стінками циліндрів і змішуючись  з гарячими газами, що відпрацювали,  свіжий заряд , що поступає у циліндр нагрівається. Тому температура в циліндрі у кінці такту  впуску складає 70-110° С.  Наповнення циліндра горючою сумішшю або повітрям характеризується  коефіцієнтом наповнення, рівним відношенню об'єму того, що поступив в  циліндр свіжого заряду (приведеного до нормальних атмосферних  умов) до об'єму циліндра. У карбюраторних двигунів коефіцієнт  наповнення складає 0,75-0,85, а у дизелів внаслідок меншого опору впускного  тракту досягає 0,9.  Чим більше коефіцієнт наповнення, тобто. чим більше заряд в циліндрі,  тим більшу потужність може розвинути двигун. У деякихдвигунах  для збільшення наповнення циліндра при такті впуску застосовують наддув,  при якому заряд в циліндр поступає під надмірним тиском.  Такт стиску здійснюється при русі поршня від н. м т.до в. м т. і  триває впродовж повороту колінчастого вала від 180 до360°.  Обидва клапани при цьому закрито. На індикаторних  діаграмах процес  стиску зображено кривою ас. У точці 1 тиск вциліндрі стає рівним  атмосферному. У міру зменшення об'єму тиск і температура в циліндрі  підвищуються і досягають у кінці такту у карбюраторних двигунах відповідно  до 1200-1700 кН/м2 і 300-450° С, а в дизелях - 3000-4000 кН/м2 і 500-650° С.  Для ефективнішого згорання палива при такті розширення займання робочої суміші у карбюраторному двигуні і впорскування палива в дизелях  відбуваються не в в. м т., а дещо раніше - в точці 2.  Такт розширення відбувається при закритих клапанах впродовж повороту  колінчастого вала від кута 360 до 540°. При згорянні робочої суміші різко  підвищуються температура і тиск в циліндрі. Гази під тиском,  сприйнятим поршнем, здійснюють корисну роботу. Робота  розширення газів використовується найефективніше,коли максимальний  тиск pz  газів у циліндрі виникає при положенні поршня, що відповідає  10 – 15° кута повороту колінчастого валапісля в. м т. В цьому випадку  максимальний тиск рг в карбюраторнихдвигунах складає 4000-5500кН/м2,  а в дизелях 5500- 8000 кН/м2.На індикаторних діаграмах такт розширення характеризується кривою  z" zb.  Максимальна температура .газів у кінці згоряння в карбюраторних  двигунах досягає 2200-2500° З, а в дизелях 1600-1900° С. Оскільки в  час такту розширення гази здійснюють корисну роботу, хід поршня,  що відповідає такту розширення, називають робочим ходом.  Такт випуску починається рухом поршня від н. м.т. до в. мт. і  триває при повороті колінчастого вала від кута 540° до720° при  відкритому випускному клапані. Момент відкриття клапана відмічений на  діаграмі точкою 3. Впродовж цього такту поршень виштовхує  з  циліндра гази, що відпрацювали, в атмосферу,здійснюючи очищення циліндра.  На індикаторній діаграмі процес випуску зображаєтьсякривою Ьг.  Тиск  в циліндрі у кінці такту випуску складає 105-120 кН/м2,  а температура 650-1050° С.

4

Термодинамічні і робочі цикли поршневих двигунів