1 ІДЕАЛЬНІ ЦИКЛИ ПОРШНЕВИХ ДВИГУНІВ

1.1          Особливості та види ідеальних циклів

 

Під час роботи двигуна в його циліндрі, внаслідок зворотньо-поступального руху поршня постійно відбуваються зміни  параметрів стану робочого тіла, тобто його тиску Р, об'єму V і температури Т. Сукупність цих змін складає робочий цикл ДВЗ. В реальних двигунах цикл є необоротним через наявність втрат або говорять, що цикл незамкнутий, але для вивчення та оцінки досконалості теплових процесів у ДВЗ спочатку розглядають теоретичний умовний, або ідеальний (зразковий), оборотний цикл, який відрізняється від дійсного такими особливостями:                         

 1) цикл здійснюється із сталою кількістю одного і того ж самого робочого тіла;

 2) теплота підводиться ззовні від гарячого джерела і відводиться в холодильник миттєво;

 3) теплоємність і хімічний склад робочого тіла в циклі сталі;

 4) процеси   стиску   і   розширення   відбуваються   адіабатно, тобто   без теплообміну із зовнішнім середовищем.

 Звідси можна зробити висновок, що ідеальні цикли можуть відбуватися в уявній тепловій машині і робочим тілом є ідеальний одноатомний газ з постійною теплоємністю. Ці цикли називають ще термодинамічними. Дані цикли використовуються для визначення граничних показників ДВЗ, які на практиці недосяжні, і для аналізу впливу ряду визначальних факторів на ці показники.

 Цикли ДВЗ зображаються графічно у вигляді діаграм в Р-V координатах, де Р - тиск газу в надпоршневому просторі; V - об'єм надпоршневого простору;

 Ми будемо розглядати ідеальні цикли поршневих двигунів з неповним розширенням робочого тіла. В цих двигунах механічна робота здійснюється циклічно. Робочий процес складається із стиску робочого тіла, підведення до нього теплоти, здійснення роботи за рахунок його розширення і повернення у початковий стан. Ідеальні цикли поршневих ДВЗ за способом підведення теплоти поділяються на три види:

 1) Цикл з підведенням теплоти при сталому об'ємі (V = соnst), або цикл Отто (рис. 1.1, а). За цим циклом працюють ДВЗ з іскровим запалюванням -карбюраторні, газові двигуни та з впорскуванням бензину у впускний трубопровід.

 2) Цикл з підведенням теплоти при сталому тиску (Р = сonst), або цикл Дизеля (рис.1.1, б). За цим циклом працювали компресорні дизелі, в яких впорскування палива здійснювалось через форсунки за допомогою стиснутого повітря.

Рис. 1.1.  Ідеальні цикли з неповним розширенням робочого тіла

 

3) Цикл із змішаним підведенням теплоти, коли одна частина теплоти підводиться при сталому об'ємі (V = соnst), а друга - при сталому тиску (Р=сonst) - цикл Трінклера (рис. 1.1, в). За цим циклом працюють безкомпресорні дизелі, в яких впорскування палива здійснюється через форсунки за допомогою паливного насоса високого тиску.

У   кожному   циклі:   а-с  - адіабатний  стиск,  с-z  - підведення  теплоти   в кількості ; z-в - адіабатне розширення, в-а - відведення теплоти в кількості . Відводиться теплота у всіх трьох циклах при V=соnst.

 

1.2          Основні показники циклу

 

 Ідеальні цикли поршневих ДВЗ характеризуються рядом показників, пояснення яких дамо на прикладі циклу із змішаним підведенням теплоти (рис. 1.1, в).

  На діаграмі відмічені верхня мертва точка (в.м.т.) і нижня мертва точка (н.м.т.) - крайні положення поршня теплової машини. Між цими точками рухається поршень, обмежуючи при цьому робочий об'єм циліндра . Об'єм простору над поршнем при його положенні в в.м.т. називається об'ємом камери згоряння . Повний об'єм циліндра - це об'єм простору над поршнем при його положенні в НМТ. Очевидно, що повний об'єм  циліндра рівний сумі робочого об'єму  і об'єму  камери згоряння, тобто:

 

.

 

 Відношення повного об'єму циліндра  до об'єму камери згоряння  називається ступенем стиску :

.

 

 - ступінь попереднього розширення;

 

 - ступінь наступного розширення;

 

 - ступінь підвищення тиску під час згоряння;

 

Ефективність використання теплоти в ідеальних циклах оцінюється термічним ККД:

,                         (1.1)

де  - кількість теплоти, перетвореної в циклі на корисну роботу. Рівняння термічного ККД циклу із змішаним підведенням теплоти:

 

,                            (1.2)

 

де ,

 

k -показник адіабати.

В циклі з підведенням теплоти при Р=соnst  і рівняння (1.2) набуде вигляду:

,                                     (1.3)

де .

 

В циклі з підведенням теплоти при V=соnst .

Тому для цього циклу :

 

.                                            (1.4)

 

1.3 Вплив показників циклу на термічний ККД

 

З рівнянь (1.1 - 1.3) видно, що термічний ККД у всіх розглянутих циклів залежить від ступеня стиску  і показника адіабати к (чим більші , тим вищий термічний ККД). 1з збільшенням  термічний ККД, згідно з рівняннями (1.2 - 1.4), зростає за експонентою (рис. 1.2).

 

Рис. 1.2.  Вплив ступеня стиску  на термічний ККД циклу з підведенням

теплоти при   V=сonst

 

Оптимальним для всіх типів двигунів є значення =13...14. Подальше збільшення  недоцільне, бо в реальних ДВЗ це призводить до зростання максимального тиску згоряння і збільшення втрат на тертя, які перекривають приріст термічного ККД. Але в дизелях застосовуються більш високі значення ступеня стиску (=14...23), щоб підвищити температуру заряду наприкінці стиску для полегшення пуску холодного дизеля.

У рівняннях (1.2 - 1.3)  і , тому при одинакових значеннях   найбільший ККД виходить у циклі з підведенням теплоти при V = const, який використовується в ДВЗ з іскровим запалюванням. Але в реальних ДВЗ з іскровим запалюванням =8...10, подальшому підвищенню  перешкоджає небезпека виникнення детонації. Тому в дизелів кращі показники термічного ККД, ніж в бензинових двигунів (таблиця 1.1).

 

Таблиця 1.1. Середні значення ступеня стиску  та термічного ККД  у різних циклах

 

 

З рівнянь   (1.2-1.4) також видно, що термічний  ККД  збільшується  із зростанням показника адіабати k, який залежить від кількості атомів, що містяться в молі газу. Для двохатомних газів,  з яких, в основному, складається  повітря, k = 1,4; для трьохатомних газів, що становлять основну частину продуктів згоряння, k = 1,33. Тому  вигідніше, щоб двигун працював на бідних горючих сумішах з великим вмістом повітря, ніж на багатих.

Із сказаного випливає, що основним напрямом підвищення паливної економічності двигунів з іскровим запалюванням є забезпечення бездетонаційної роботи на збіднених горючих сумішах за якнайбільшого ступеня стиску. При цьому, щоб не зашкодити двигуну, застосовують електронні системи захисту двигуна від детонації, а також розробляють конструкції бензинових двигунів з автоматичною зміною ступеня стиску  залежно від режиму роботи двигуна. Значних успіхів в цьому досягла фірма Saab. Її двигун при зміні ступеня стиску від 8 до 14 і робочому об`ємі 1,6 л розвиває потужність 225 к.с.

Якщо термічний ККД характеризує економічність циклу, то його механічну роботу характеризує середній тиск циклу. Найбільш ефективним способом його підвищення є збільшення початкового тиску , яке можна досягти застосуванням наддуву, тобто подачею в циліндри свіжого заряду під тиском за допомогою компресора. Більш поширеним є застосування наддуву в дизелях.

Порівнюючи бензинові двигуни і дизелі можна відмітити наступні переваги дизелів:

-   приблизно на 30% краща економічність;

-   у відпрацьованих газах міститься менше токсичних речовин;

- дизельне паливо дешевше і менш  небезпечне в пожежному відношенні, ніж бензин;

-  більший крутний момент при малій частоті обертання колінчастого вала.

До недоліків дизелів можна віднести важчий запуск в зимовий період, більшу масу та більший рівень шуму в процесі роботи. Якщо дотепер ці обидва типи поршневих ДВЗ конкурували між собою, то зараз стараннями дослідників фірми Мercedes-Benz створений двигун, який працює одночасно за обома циклами. Двигун, який назвали „DiesOtto”, працює на бензині, але в двох режимах. На холостому ходу і при повному навантаженні робочу суміш підпалює електрична іскра. А на режимі часткових навантажень відбувається займання від стиску. В цього двигуна змінний від 8 до 14 ступінь стиску, при робочому об`ємі 1,8 л він розвиває потужність 238 к.с., витрата пального автомобілем становить 6 л/100 км.