Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Реальные двигатели внутреннего сгорания: индикаторные диаграммы, идеальные циклы и КПД

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называют тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, при этом сгорание осуществляется непосредственно внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания имеют поршневую или роторную конструкцию.

Поршневые ДВС разделяют по способу подготовки горючей смеси (внешнее или внутреннее смесеобразование) и способу ее воспламенения (принудительное или самовоспламенение — воспламенение от сжатия).

К двигателям внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением относят газовые и карбюраторные, ДВС с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением называют дизелем.

По числу тактов (такт — ход поршня от одной мертвой точки до другой), за которые совершается цикл, поршневые ДВС делят на четырехтактные и двухтактные.

Графическую запись реального процесса, протекающего внутри цилиндра ДВС, называют его индикаторной диаграммой.

Рассмотрим кратко индикаторную диаграмму четырехтактного ДВС с внутренним смесеобразованием и с воспламенением от сжатия (дизель), представленную на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля.

При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) через открытый впускной клапан в цилиндр поступает воздух (такт всасывания, впуска) в процессе г—а. Второй такт сжатия а—с происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах. На подходе поршня к ВМТ в сжатый воздух через специальную форсунку подается топливо, которое после распыливания самовоспламеняется. При этом выделяется большое количество теплоты, вследствие чего значительно возрастают давление и температура продуктов сгорания. Одновременно начинается третий такт расширения — рабочий ход (процесс с—/—Ь). Четвертый такт — выпуск (процесс ?—г) происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при открытом выпускном клапане. Затем процессы повторяются.

Реальные процессы не совпадают с тактами. Так, выпуск газов и наполнение цилиндров воздухом начинаются раньше и заканчиваются позже соответствующих тактов, в зависимости от времени открытия соответствующих клапанов. Топливо также подается с опережением, а его подача заканчивается уже на такте расширения.

Площадь индикаторной диаграммы в координатах рУ характеризует работу, которая подразделяется на две части. Отрицательную работу называют работой насосных потерь Ь_{Н П}> положительную — индикаторной работой цикла Ц.

Отношение величины индикаторной работы к теплоте, вносимой в цилиндр за цикл, называют внутренним или индикаторным КПД:

Двухтактные ДВС отличаются от четырехтактных тем, что в них процессы наполнения и выпуска совмещены по времени. На рис. 5.8 представлена индикаторная диаграмма двухтактного дизеля с двумя типами окон — продувочными и выпускными, открываемых и закрываемых телом поршня.

Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля.

Процесс сжатия начинается при ходе к ВМТ после закрытия телом поршня всех окон в точке а. При подходе поршня к ВМТ подается топливо, которое распыливается и самовоспламеняется. Рабочий ход заканчивается в точке Ь в момент открытия выпускных окон. В точке е открываются продувочные окна, через которые подается специально подготовленный воздух. Процесс продувки заканчивается в точке /а, после чего цикл повторяется.

Принципиальные отличия протекания процессов в карбюраторных двигателях от таковых в дизелях заключаются лишь в том, что в карбюраторных двигателях производится впуск и сжатие подготовленной вне цилиндра смеси топлива с воздухом до состояния, не допускающего самовоспламенения. В таких двигателях обеспечивается принудительное воспламенение в нужный момент от специальной системы зажигания. Характер используемого топлива приводит и к специфике процесса повышения давления, когда сгорание топлива происходит практически при постоянном объеме.

Процессы, протекающие в действительных ДВС, в совокупности нс образуют термодинамически замкнутого цикла. Поэтому при исследовании ДВС методами термодинамики приходится вводить ряд допущений, которые позволят перейти от индикаторных диаграмм к идеальным циклам ДВС:

• 1) реальные процессы сжатия и расширения заменяют равновесными (обрати мы ми) адиабатам и;
• 2) процессы горения топлива заменяют равновесными процессами подвода теплоты в изохорном и (или) изобарном процессах, а процессы наполнения и выпуска заменяют равновесным изохорным процессом отвода теплоты;
• 3) меняющие свои свойства воздух, смесь его с топливом и продукты их сгорания заменяют рабочим телом с неизменными свойствами, к которому подводится и от которого отводится теплота;
• 4) отрицательную, но величине работу насосных потерь учитывают в механических потерях ДВС.

Подобные допущения позволяют заменить индикаторные диаграммы идеальными циклами, невзирая на тактность ДВС, а по соотношениям между параметрами в равновесных процессах, сложенных в идеальные циклы, вычислить термические КПД ДВС.

Реальные процессы, совершающиеся в ДВС, являются неравновесными и, следовательно, необратимыми. Протекание их сопровождается диссипацией и деградацией энергии, т. е. потерей работы. Степень приближения реальных процессов к идеальным оценивается внутренним относительным индикаторным КПД г|_о/, а экономическое совершенство реального цикла — внутренним абсолютным (индикаторным) КПД тр. Связь этих КПД с термическим КПД находят из соотношений:

где и ?_ц — действительная (индикаторная) работа и работа идеального цикла; (?_х — количество подведенной за цикл теплоты.

В итоге получаем соотношение.

Отдаваемая на потребитель работа (мощность) называется эффективной и обозначается Ь_е (ЛД. Она отличается от индикаторной работы (мощности).

(где т — время цикла) на величину механических потерь.

Механический КПД двигателя

Умножив числитель и знаменатель дроби на получим откуда.

Мощность механических потерь учитывает:

• • потери на трение во всевозможных узлах и передачах;
• • работу насосных потерь (см. индикаторную диаграмму ДВС);
• • потери механической энергии на привод навешенных на коленчатый вал механизмов, на собственные нужды двигателя, например насосов систем питания, охлаждения, смазки и г. н.

Эффективный КПД двигателя обычно вычисляется по результатам испытания, но формуле.

где Д, — часовой расход топлива, кг/ч; 0?— низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг; g_e — удельный эффективный часовой расход топлива, кг/(кВт • ч).

Таким образом, при конкретном топливе величина удельного эффективного часового расхода топлива обратно пропорциональна эффективному КПД двигателя.

Формула (5.12) позволяет провести анализ возможностей повышения эффективности двигателя, используя аппарат термодинамического исследования.

На рис. 5.9 представлена ступенчатая связь между коэффициентами полезного действия в процессе преобразования энергии от первичного источника в механическую энергию — работу транспортного средства.

Рис. 5.9. Схема преобразования энергии от источника теплоты до потребителя.

Полное преобразование теплоты в работу — вечный двигатель второго рода СПвдир⁼ 1) противоречит второму началу термодинамики, а термодинамический предел (в заданном интервале температур) возможен в цикле Карно Термические КПД идеальных циклов реальных двигателей всегда ниже КПД цикла Карно. Внутренние потери, связанные с необратимостью реальных процессов, степень отличия их от идеальных процессов оцениваются относительным индикаторным КПД Г|_о/, а механические потери — механическим КПД г|_мех.

Далее эффективный КПД двигателя г_е уменьшается за счет механических потерь передачи к движителю (колеса, винт и т.и.), а затем и за счет потерь механической энергии, определяемых КПД движителя.

Представленная схема, справедливая для любого теплового двигателя, работающего на какой-либо потребитель, позволяет представить место частного КПД в общей системе коэффициентов полезного действия, оценить его весомость, рассмотреть возможности его повышения и влияние на общий КПД транспортной установки.

Рассмотрим ниже идеальные циклы двигателей и проанализируем пути повышения их КПД.