Материал: Техническая термодинамика. Булыгин Ю.А., Кретинин А.В

Подставив найденные значения T1 , T2 и T4 , выраженные через T3' , в уравнение (д) получим:

и после умножения числителя и знаменателя второго члена на k 1 и сокращения дроби на T3' , получим

достигают 0.65 0.70.

Иногда цилиндр двигателя имеет специальную предкамеру (форкамеру), расположенную в торцевой части его и соединѐнную с рабочим объѐмом цилиндра одним или несколькими узкими каналами.

Во время сжатия воздуха давление p1 в цилиндре

возрастает быстрее, чем давление p2 в форкамере; за

счет разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра в форкамеру, который распиливает впрыскиваемое сюда топливо. При достижении температуры самовоспламенения сильно обогащѐнная топливовоздушная смесь вспыхивает, направление потока меняется и смесь продуктов сгорания, воздуха и

несгоревших в форкамере паров топлива (Т = 1500 - 180О°С) устремляется в цилиндр. Сильное вихреобразование обеспечивает хорошее перемешивание топлива с воздухом,

образуя однородную смесь, сгорающую в цилиндре при p const .

Цикл с подводом тепла при постоянном объёме

Называется ещѐ цикл Отто, является теоретическим циклом двигателей с низкой степенью сжатия. Многочисленный класс карбюраторных и газовых двигателей, нашедших широкое распространение в установках на самолетах, автомобилях, на катерах и мотолодках, в маломощных стационарных установках (например, для приведения в действие небольших электродвигателей и т.п.). Впервые построен немецким изобретателем Н. А. Отто в 1876 г. (топливо - горючий газ), а сам цикл был предложен еще в 1862 г. Бо де Роше. В 1879 г. И. С. Костович впервые построил карбюраторный ДВС

116

на легком жидком топливе.

Отличие этого рабочего процесса, идеальный цикл которого изображѐн на рисунках, от рабочего процесса двигателя, рассмотренного выше, состоит в следующем:

а) в цилиндр засасывается не воздух, а горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха (или из горючего газа и воздуха);

б) процесс сжатия 1-2 горючей смеси доводится до меньшего давления, поскольку двигатель работает с меньшей степенью сжатия ( 6 12 ), и вследствие этого называется работающим с низкой степенью сжатия;

в) вследствие малой в конце процесса сжатия не достигается температура, при которой происходит самовоспламенение горючей смеси; это обусловлено тем, что если в этом двигателе принять для слишком большое значение, то горючая смесь в результате чрезмерного повышения ее температуры может самовоспламениться до того, как поршень дойдѐт до в.м.т. Такое предварительное воспламенение горючей смеси обусловливает возникновение резких толчков двигателя, опасных для его работы;

г) процесс подвода тепла и увеличения давления происходит в результате зажигания смеси пропускаемой через нее электрической искрой (свеча), что приводит к практически мгновенному сгоранию ее, которому соответствует изохора 2-3;

д) процесс изобарного расширения отсутствует и продукты сгорания от состояния, отображенного на рисунках точкой 3, начинают расширяться (в идеале адиабатно) до состояния, отображаемого на диаграммах точкой 4, после чего следует открытие клапана 5 и выпуск в атмосферу продуктов сгорания. После этого процессы цикла возобновляются.

Для определения характерных точек цикла служат те же уравнения, что и для предыдущего цикла при тех же буквенных обозначениях. Поскольку для данного цикла1 уравнения (16) и (17) приобретают соответственно вид

Тепло в цикле подводится только в изохорном процессе 2-3, сообразно с чем количество его выражается уравнением

и на рисунке изображается площадью 2 – 3 - 3' - 1'.

117

Количество отведенного тепла определяется по той же формуле, что и в случае цикла Тринклера.

Для определения работы цикла следует поступить также, как и в предыдущем случае.

Термический к.п.д. цикла можно определить, если в уравнении (18) положить1. Тогда получаем

века p2 в конце сжатия составляло всего 2 - 2,5 бар, то в настоящее время оно достигает уже 6 - 12 бар, а - соответственно 5 - 9 для карбюраторных двигателей и 6 - 10 для газовых двигателей. Практически повышение в двигателях, работающих по циклу Отто, ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси. Повышение температуры смеси, вызываемое адиабатическим сжатием, нагреванием от стенок цилиндра, а также от остаточных газов, при высоких могут привести к самовоспламенению смеси еще в процессе сжатия. Следствием этого будет возникновение

большого усилия на поршень и другие детали кривошипно –шатунного механизма, что может привести к поломке двигателя, т.к. по линии З'-3 происходит сжатие сгоревшей смеси.

Кроив того создаются условия, когда скорость сгорания сильно возрастает, а процесс сгорания приближается к взрыву. Это явление называется детонацией, оно сопровождается мгновенным повышением давления, приводит к повреждению отдельных деталей, или даже аварии двигателя и резко снижает его экономичность, когда детонация возникает еще в процессе сжатия смеси.

Возникновение совершенно недопустимой детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива. Поэтому для различных топлив имеют различные предельные значения. Для того, чтобы сделать возможной работу двигателя с большими степенями сжатия, приходится идти на применение «бедных смесей», с большим избытком воздуха, а в некоторых случаях добавлять к топливу специальные вещества, называемые антидетонаторы (напр., тетраэтилсвинец), которые повышают детонационную стойкость топлива.

118

двигателей во избежание преждевременного воспламенения смеси 4 7 ; для газовых - до 8.

Работа этого цикла может быть найдена по зависимости: l g1 t или как разность работ расширения и сжатия

pi представляет собой условное постоянное

давление, под действием которого поршень за один ход совершает работу, равную работе, получаемой за четыре такта (площадь abcd равна площади 1234 на рис.).

Цикл с подводом тепла при постоянном давлении

Называется ещѐ цикл Дизеля, является теоретическим циклом двигателей с высокой степенью сжатия. Первый компрессорный дизель (топливо-керосин) был построен в 1895 г, немецким инженером Р. Дизелем, а дизель, работавший на тяжѐлом топливе (сырая нефть) с процессом сгорания при р= сопst , был построен в 1899 г. на заводе «Русский дизель».

Невозможность применения высоких в двигателях легкого топлива, из-за самовоспламенения, привела к идее раздельного ввода в цилиндр воздуха и топлива, когда в цилиндре сжимается чистый воздух. Это позволяет работать с большими . В конце сжатия давление воздуха достигает 30 - 40 бар, а температура 600 – 800 °С, что выше температуры самовоспламенения даже тяжелых топлив: масла, мазута.

Отличается от работы двигателя со смешанным подводом тепла следующими особенностями:

а) в цилиндр двигателя при ходе поршня от в.м.т. к н.м.т, засасывается воздух, который затем сжимается до высокого давления теоретически по адиабате (процесс 1-2 на рисунках). По завершении этого процесса в цилиндр впрыскивается через форсунку мелко распылѐнное сжатым воздухом ( р = 50 – 60 бар) от специального компрессора жидкое топливо, которое самовоспламеняется вследствие высокой температуры предварительно сжатого в цилиндре воздуха (величина доводится иногда до 20, рассматриваемые двигатели называют работающими с высокой степенью сжатия);

б) процесс горения топлива происходит постоянно, до мере поступления его из форсунки, поэтому давление в течение его изменяется мало и в идеальном цикле этому процессу соответствует изобара 2 - 3. В положении поршня, соответствующем на p -

диаграмме точке 3, впуск топлива прекращается и начинается расширение продуктов сгорания, которому соответствует адиабата 3-4, после чего открывается выпускной

клапан, давление изохорно падает до p1 (изохора 4 - 1) и продукты сгорания

выталкиваются при открытом клапане 5 в атмосферу. Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе.

119

Как видно из рисунков, в цикле отсутствует процесс изохорного подвода тепла,

Для этого цикла все характерные точки можно определить по формулам для цикла Тринклера, учтя при этом следующее:

а) формулы (9), (10) и (11) к циклу не относятся, т. к. в нем нет изохорного процесса с подводом тепла;

б) нужно учесть, что на диаграммах процесс изохорного сжатия отсутствует и заменяется изобарным расширением, обозначаемым линией 2-3 и заменить в соответствующих формулах индексы 3 и 3' соответственно на индексы 2 и 3".

Количество подведѐнного в цикле тепла:

жесткостью работы (быстрым увеличением давления), увеличением веса двигателя, механическими потерями, нижний - температурой самовоспламенения горючего.

Надо отметить, что двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном