Лекція 21. Ідеальні цикли поршневих двигунів внутрішнього згоряння

Двигун внутрішнього згоряння (ДВС) являє собою таку теплову машину, у якій підведення тепла до робочого тіла здійснюється за рахунок спалювання палива усередині самого двигуна. Робочим тілом у таких двигунах є на першому етапі повітря або суміш повітря з легко займистим паливом, а на другому етапі - продукти згоряння цього рідкого або газоподібного палива (бензин, гас, солярове масло й ін.).

Двигуни внутрішнього згоряння мають дві істотні переваги в порівнянні з іншими типами теплових двигунів.

1. Більша компактність, наприклад, у порівнянні з паросиловими установками.

2. Більша температурна границя робочого тіла (тому що стінки циліндра й головки двигуна мають примусове охолодження), що приводить до збільшення термодинамічного ККД.

Поршневі двигуни внутрішнього згоряння застосовуються в автотранспорті, водному, а також залізничному транспорті, авіації, у стаціонарних енергетичних установках невеликої потужності.

Основним елементом будь-якого поршневого двигуна є циліндр 1 з поршнем 2, з'єднаним за допомогою кривошипно-шатунного механізму із зовнішнім споживачем роботи. Циліндр оснащений двома отворами із клапанами, через одне з яких – 3, здійснюється усмоктування робочого тіла (повітря або пальної суміші), а через інше – 4, викид робочого тіла по завершенню циклу (мал. 2.5).

Розходження вимог, які пред'являються до двигунів внутрішнього згоряння залежно від їхнього призначення, призвели до створення найрізноманітніших типів цих двигунів. Однак з термодинамічної точки зору, тобто по характеру використовуваних у цих двигунах робочих циклів, їх можна підрозділити на наступні три класи:

а) двигуни, що використовують цикл із підведенням тепла при постійному об'ємі (V = const);

б) двигуни, що використовують цикл із підведенням тепла при постійному тиску (Р = const);

в) двигуни, що використовують цикл зі змішаним підведенням тепла, тобто з підведенням тепла як при постійному об'ємі, так і при постійному тиску.

1. Цикл із підведенням тепла при постійному об'ємі (цикл Отто)

Перший газовий двигун, у якому провадився стиск газової суміші з наступним миттєвим згорянням її, був створений німецьким конструктором Н.А.Отто в 1876 р. Перший бензиновий двигун з карбюратором був розроблений і побудований моряком російського флоту О.С.Костовичем в 1879 році.

Цей ідеальний цикл треба вважати моделлю робочого процесу поршневого двигуна внутрішнього згоряння легкого палива, ідеалізована індикаторна діаграма якого показана на мал. 2.5. Здесь V₁ - повний об'єм циліндра, V₂ - об'єм камери стиску, V_h = V₁ - V₂ - робочий об'єм циліндра. Зневажаючи втратами, усмоктування вважають таким, що відбувається при постійному, а саме, атмосферному тиску Р_н (індикаторна лінія а -1).

Рис. 2.5. Ідеальна діаграма циклу ДВС із підведенням тепла при V=const в V-P координатах

Стиснення робочого тіла в циліндрі ДВС приймається адіабатним (процес 1-2). Робота стиснення при цьому затрачається тільки на збільшення внутрішньої енергії, а отже, й температури робочого тіла (ідеального газу), і тому температура досягає максимально можливої в даних умовах величини.

У двигунах внутрішнього згоряння із запаленням робочої суміші біля верхньої мертвої точки (ВМТ) від електричної іскри – 5, час згоряння дуже малий, у зв'язку із чим припустимо прийняти, що весь процес згоряння (тобто процес підведення тепла) здійснюється при постійному об'ємі. Таким чином, у цьому випадку необоротний процес згоряння треба моделювати ізохорою 2-3.

Розширення 3-4, як і стиснення, приймається адіабатним. У результаті адіабатного розширення накопичена робочим тілом внутрішня енергія перетвориться в роботу.

Відомо, що в поршневому ДВС до 70 % продуктів згоряння мимовільно, тобто без витрат роботи, залишають циліндр двигуна протягом першої фази вихлопу, називаної випуском. Зневажаючи втратами, можна вважати, що тиск при цьому миттєво падає від Р₄ до Р_н (тиску навколишнього середовища). Потім при русі поршня від нижньої мертвої точки (НМТ) до ВМТ починається друга фаза вихлопу - виштовхування порції газу, що залишилася в циліндрі (індикаторна лінія 1-в). У цих умовах L_вс = L_выт, і з погляду розрахунку можна взагалі зневажати наявністю усмоктування й виштовхування, тобто вважати, що на вході у двигун робоче тіло перебуває в стані “1”, а на виході - у стані “4”. Остаточна ідеальна схема явища буде такою: вихлопний клапан відкривається в НМТ і робоче тіло повністю й миттєво залишає циліндр двигуна. Потім без усякої витрати роботи циліндр миттєво заповнюється новою порцією робочого тіла. Тоді

L_ = L₁₂₃₄ = mPd = Q₁ - (U₄ -U₁), Дж. (2.6)

У повній відповідності із другим законом термодинаміки рівняння (2.6) показує, що навіть в ідеальному випадку наявна кількість тепла Q₁ не може бути повністю перетворена в роботу. Енергія (U₄ -U₁) - це втрата, визначена другим законом термодинаміки, тобто втрата, що має смисл Q₂

Q₂= U₄ - U₁, Дж.

Відносячи розрахунок до одиниці маси, одержимо

q₂= u₄ - u₁, Дж/кг. (2.7)

Відзначимо далі, що

1. За принципом дії ДВС у станах виду “1” і “4” робоче тіло має однакові питомі об'єми: m = idem (добавкою палива зневажаємо), V = idem і тому ₄ = ₁.

2. Умова (2.7) задовольняється для ізохорного процесу.

3. Нічого не змінить припущення про те, що в процесі бере участь та сама порція робочого тіла.

У зв'язку з викладеним можливо припущення про те, що термодинамічно розімкнутий ідеальний робочий процес поршневого ДВС здійснюється однією й тією же порцією робочого тіла (ідеального газу) і умовно замикається ізохорним процесом 4-1 (рис. 2.6), протягом якого від робочого тіла відводиться кількість тепла q₂, визначена рівнянням (2.7).

Саме таким шляхом відбувається перехід від термодинамічно розімкнутого ідеалізованого робочого процесу поршневого ДВС до кругового процесу, до ідеального циклу з підведенням тепла при постійному об'ємі. На мал. 2.7. цикл представлений в S-T діаграмі.

Рис. 2.6. Цикл Отто в -P діаграмі

При дослідженні ідеальних циклів ДВС уводяться наступні поняття:

1. Ступенем стиску називають відношення повного об'єму циліндра до об'єму камери стиску  = V₁/V₂.

2. Ступенем підвищення тиски називаються відношення виду

.

3. Ступенем розширення називають відношення виду  = V₄/V₃.

Тепловикористання в ідеальному циклі оцінюється термодинамічним ККД.

За визначенням

.

У нашому випадку

, Дж/кг

и

, Дж/кг.

Обмежимося випадком С_v = const, тоді

, Дж/кг,

, Дж/кг.

Вносячи ці результати у вираження для термодинамічного ККД, одержимо

(а).

Цикл однозначно визначається завданням початкового стану робочого тіла, властивості якого в точці 1 передбачаються відомими, а також значеннями ступеня стиску  і ступеня підвищення тиску . Процеси стискання й розширення вважаються адіабатними при k = const, а ступінь розширення  виявляється тут рівною ступеню стиску , тому що ₄ = ₁ і ₃ = ₂. Тоді температури у всіх характерних точках циклу (2, 3, 4) будуть дорівнювати:

у точці 2

у точці 3

(б)

у точці 4

.

Вносячи результати (б) в (а), знаходимо

. (2.8)

Рис. 2.7. Цикл Отто в S-T діаграмі

Цей результат показує, що для даного робочого тіла термодинамічний ККД ідеального циклу з підведенням тепла при постійному об'ємі залежить лише від ступеня стиску, а саме, зростає зі ступенем стиску (показник адіабати k  1).

Зі збільшенням показника адіабати k (для різних робочих тіл) термодинамічний ККД при тому же ступені стиску збільшується.

Отже, з погляду збільшення _t вигідно збільшувати ступінь стиску. Однак практично здійснити стиснення до надто високих значень , що супроводжується значним підвищенням температури й тиску, не вдається з тієї причини, що при досягненні певного значення (часто ще до приходу поршня у ВМТ) відбувається самозапалювання пальної суміші. Як правило, цей процес носить детонаційний характер і руйнує елементи двигуна. Тому ступінь стиску у звичайних карбюраторних двигунах не перевищує 712. Величина ступеня стиску залежить від якості палива, підвищуючись із поліпшенням його антидетонаційних властивостей, які характеризуються октановим числом.

Тепло q₁, що підводиться до робочого тіла в циклі Отто (мал. 2.7), зображується в S-Т діаграмі площею а-2-3-в-а, а тепло q₂, що відводиться від робочого тіла - площею а-1-4-в-а, тепло q_ц = q₁-q₂, перетворене в роботу , - площею 1-2-3-4-1. В -Р діаграмі робота циклу 1_ц зображується площею 1-2-3-4-1 (рис. 2.6).