Тема 91: Действительные циклы двигателей внутреннего состояния.
Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу. Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:
- действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;
- идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями и т.д.
Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.
Индикаторная диаграмма
Е
сли
термодинамические циклы изображают
зависимость изменения абсолютного
давления (р) от изменения удельного
объема (ʋ), то действительные циклы
изображаются как зависимости изменения
давления (р) от изменения объема (ʋ)
(свернутая индикаторная диаграмма) или
изменения давления от угла поворота
коленчатого вала (φ), которая называется
развернутой индикаторной диаграммой.
Свёрнутая индикаторная диаграмма 4-х тактного Развёрнутая индикаторная диаграмма
двигателя с принудительным воспламенением 4-х тактного дизеля
Теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55—70 %:
- потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;
- потери теплоты через стенки цилиндра:
- неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;
- утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;
- преждевременный выпуск отработавших газов.
Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:
- газообмена - впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов (кривая b'b"rd);
- сжатия (кривая акс'с");
- сгорания (кривая c'c"zz")\
- расширения (кривая c'zb'b").
При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.
Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f), конец впуска — его закрытием (точка k). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b' и d.
Не заштрихованная зона b'bb"на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска)
Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k—с"). До открытия впускного клапана (кривая a—k) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (р0).
В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с') и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z).
Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжаюшемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.
Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи. В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха. Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.