Цикл отто характеризуется тем что сгорание происходит при
Как видно из самого названия, двигатель внутреннего сгорания представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива (бензин, керосин, соляровое масло и др.). В газовых двигателях давления рабочего тела не слишком высоки и температуры его намного превышают критические, что позволяет с хорошим приближением рассматривать рабочее тело как идеальный газ.
Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей. Во-первых, благодаря тому что у двигателя внутреннего сгорания горячий источник теплоты находится как бы внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод теплоты от горячего источника к рабочему телу. Это приводит к большей компактности двигателей внутреннего сгорания, например, по сравнению с паросиловыми установками. Второе преимущество двигателей внутреннего сгорания состоит в следующем. В тех тепловых двигателях, в которых подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника, верхний предел температуры рабочего тела в цикле ограничивается температурой, допустимой для конструкционных материалов (так, повышение температуры водяного пара в паротурбинных установках лимитируется свойствами сталей, из которых изготовляются элементы парового котла и паровой турбины; с ростом температуры, как известно, снижается предел прочности материала). В двигателях же внутреннего сгорания предельное значение непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего теплоту не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела, может существенно превосходить этот предел. При этом надо еще иметь в виду, что стенки цилиндра и головки блока цилиндров имеют принудительное охлаждение, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический КПД.
Рассмотрим цикл Отто (названный так по имени немецкого конструктора Н.А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.). Схема двигателя работающего по циклу Отто, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рисунке ниже.
Поршень I совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженном всасывающим III и выхлопным IV клапанами. В процессе а—1 поршень движется слева направо, в цилиндре создается разрежение, открывается всасывающий клапан III и в цилиндр подается горючая смесь, приготовленная в специальном устройстве — карбюраторе. Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с некоторым количеством паров бензина (или другого горючего). После того как поршень дойдет до крайнего правого положения, процесс заполнения цилиндра горючей смесью заканчивается и всасывающий клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении — справа налево. При этом горючая смесь в цилиндре сжимается и ее давление возрастает (процесс 1-2). После того как давление смеси в цилиндре достигает определенного значения, соответствующего точке 2 на индикаторной диаграмме, с помощью электрической свечи V производится поджигание горючей смеси. Процесс сгорания смеси происходит практически мгновенно, поршень не успевает переместиться, и поэтому процесс сгорания можно считать изохорным. В процессе сгорания выделяется теплота, за счет которой рабочее тело, находящееся в цилиндре, нагревается и его давление повышается до значения, соответствующего точке 3 на индикаторной диаграмме. Под действием этого давления поршень вновь перемещается вправо, совершая при этом работу расширения, отдаваемую внешнему потребителю. После того как поршень дойдет до правой мертвой точки, с помощью специального устройства открывается выхлопной клапан IV и давление в цилиндре снижается до значения, несколько превышающего атмосферное (процесс 4-5); при этом часть газа выходит из цилиндра. Затем поршень вновь движется влево, выталкивая из цилиндра в атмосферу оставшуюся часть отработавших газов).
После этого начинается новый цикл — всасывание следующей порции горючей смеси и т.д. Таким образом, поршень в цилиндре двигателя, работающего по циклу Отто, в течение одного цикла совершает четыре хода (такта) — всасывание, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продуктов сгорания в атмосферу.
КПД цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела (V1/V2), и при степени сжатия 9 достигает 55%.
Таким образом, идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4) и двух изохор (изохора подвода теплоты 2-3 и изохора отвода теплоты 4-1). Работа, производимая двигателем за один цикл, изображается площадью 2-3-4-1-2.
Карбюраторные двигатели, работающие по циклу Отто, широко распространены в технике: они применяются в легковых и многих грузовых автомашинах, на самолетах (с поршневыми двигателями).
Источник
Цикл Отто является теоретическим циклом двигателей с предварительной подготовкой горючей смеси, подачей ее в цилиндр, сжатием и принудительным воспламенением. Четырехтактный двигатель (рис. 10.1) имеет цилиндр 7, поршень 2, совершающий возвратно-поступательное движение, впускной 5 и выпускной 4 клапаны.
Поршень соединяется с валом двигателя кривошипно-шатунным механизмом 3. Клапаны 4, 5 открываются и закрываются в нужный момент распределительным устройством, жестко связанным с углом поворота вала двигателя. На рисунке показана также индикаторная диаграмма — зависимость давления в цилиндре от положения поршня, т.е. от объема цилиндра над поршнем. Первый такт работы двигателя происходит при движении поршня от крайнего левого положения (верхней мертвой точки) до крайнего правого положения (нижней мертвой точки). Впускной клапан открыт, цилиндр заполняется предварительно подготовленной горючей смесью (такт всасывания). Давление в цилиндре меньше атмосферного, на индикаторной диаграмме — линия 0—1. Второй такт — сжатие смеси (линия 1—2). Поршень перемещается из нижней мертвой точки к верхней при закрытых клапанах. В конце сжатия, обычно с некоторым опережением, происходит воспламенение топлива от электрического разряда электрозапального устройства («свечи») 6.
Вследствие того что в цилиндре находится подготовленная горючая смесь, топливо сгорает практически мгновенно, так что поршень не успевает значительно переместиться в обратном направлении. На диаграмме процессу сгорания соответствует линия 2—3. Третий такт — расширение продуктов сгорания (рабочий ход). Пор-
Рис. 10.1. Схема и индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием
тень двигается к нижней мертвой точке, клапаны закрыты, на диаграмме — линия 3—4. В конце рабочего хода поршня открывается выпускной клапан, давление резко падает (линия 4—5) — происходит выхлоп продуктов сгорания в атмосферу через выпускной клапан. После прохождения поршнем нижней мертвой точки начинается четвертый такт — выталкивание отработанных продуктов сгорания (линия 5-0) через выпускной клапан. По достижении поршнем верхней мертвой точки цикл заканчивается и может повторяться. В четырехтактном двигателе один рабочий ход совершается на каждые два оборота вала. Необходимо отметить, что точки на индикаторных диаграммах (рис. 10.1 и 10.2) поставлены условно, поскольку в циклах двигателей нет резкой границы между процессами.
На рис. 10.2 приведена схема и индикаторная диаграмма двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Цилиндр 1 соединяется с герметичной камерой (картером) 2, в которой распо-
Рис. 10.2. Схема и индикаторная диаграмма двухтактного двигателя с внешней подготовкой горючей смеси
ложен кривошипно-шатунный механизм 3. Всасывание горючей смеси, выхлоп и выталкивание продуктов сгорания происходят через окна, расположенные в стенках нижней части цилиндра. Окна последовательно открываются и закрываются движущимся поршнем 4.
В конце процесса сжатия смеси при движении поршня к верхней мертвой точке в картере создается разрежение, открывается соединенное с карбюратором впускное окно 5, через которое свежая горючая смесь подается в картер. После воспламенения и сгорания смеси совершается рабочий ход. Поршень движется к нижней мертвой точке. В определенном положении поршня закрывается впускное окно 5 и открывается выпускное окно 6, через которое происходят выхлоп продуктов сгорания и удаление из цилиндра оставшихся после выхлопа газов. После закрытия впускного окна 5 движение поршня приводит к увеличению давления в картере (предварительное сжатие). С приближением к нижней мертвой точке открывается продувочное окно 7. Горючая смесь поступает из камеры в цилиндр, вытесняя остатки продуктов сгорания через выпускное окно. После прохождения нижней мертвой точки поршень последовательно перекрывает продувочное и выпускное окна. После закрытия выпускного окна начинается процесс сжатия смеси в цилиндре, завершающийся воспламенением топлива электроза- пальным устройством («свечой») 8 и его сгоранием. Таким образом, рабочий цикл двигателя содержит два такта, происходящих за один оборот коленчатого вала.
На индикаторной диаграмме выхлопу, продувке и введению горючей смеси соответствуют линии 4—0—1. Линия 1—2, как и на диаграмме четырехтактного двигателя, соответствует сжатию горючей смеси, линия 2—3 — сгоранию топлива, линия 3—4 — расширению продуктов сгорания.
Для анализа цикла двигателя Отто примем следующие допущения:
- 1) в цилиндре на протяжении всего цикла находится газ, количество, состав и свойства которого неизменны (процессы всасывания и выталкивания отсутствуют);
- 2) тепловыделение за счет сгорания топлива в цилиндре рассматривается как подвод теплоты от внешнего источника;
- 3) отвод теплоты с уходящими газами и засасывание свежей смеси заменяются процессом отвода теплоты при постоянном объеме;
- 4) теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры, а само рабочее тело представляет собой идеальный газ;
- 5) все процессы обратимые.
Наиболее существенным допущением можно считать исключение процессов всасывания и выталкивания, однако оно не может заметно повлиять на величину работы цикла, поскольку работы в этих процессах близки по величине и имеют противоположные знаки.
Физические свойства газообразных продуктов сгорания топлива близки к свойствам идеального газа.
Учитывая малое изменение объема при практически мгновенном процессе сгорания топлива, представляем его изохорным процессом с подводом теплоты. Объемы в начале выхлопа (т. 4) и в конце заполнения цилиндра свежей порцией смеси (т. 1) равны, поэтому процессы выхлопа, выталкивания и всасывания представляем одним изохорным процессом с отводом теплоты. Процессы сжатия смеси и расширения продуктов сгорания считаем адиабатными.
Таким образом, получаем теоретический цикл двигателя с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением горючей смеси — цикл Отто или цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Теоретический цикл имеет одинаковый вид для четырех- и двухтактных двигателей. Цикл Отто вр, v- и Т, 5-координатах показан на рис. 10.3. Здесь проходят следующие процессы:
- • 1—2 — адиабатное сжатие рабочего тела;
- • 2—3 — изохорный подвод теплоты;
Рис. 10.3. Цикл Отто
- • 3—4 — адиабатное расширение;
- • 4-1 — изохорный отвод теплоты.
Определим величину термического КПД цикла Отто. Количество подведенной теплоты к 1 кг рабочего тела в изо- хорном процессе 2—3
где cv — изохорная теплоемкость; Т2иТ3 — соответственно температуры в начале и конце процесса.
Количество отведенной теплоты от 1 кг рабочего тела в изохорном процессе 4-1
Термический КПД цикла
I
Вводим характеристики цикла:
•
— степень сжатия;
•
— степень повышения давления.
Выразим в уравнении (10.3) температуры в точках 2, 3 и 4 через температуру Тх и характеристики цикла.
Для адиабатного процесса сжатия 1—2
Отсюда
В процессе 2—3
С учетом (10.5)
Для процессов 1—2 и 3—4 записываем:
Деля почленно выражение (10.9) на (10.8) и учитывая, что v, = v4 и v2 = v3, получаем
В процессе 4-1
Из этого соотношения имеем
Преобразуя выражение (10.3), с учетом (10.5), (10.7) и (10.12) получим
После алгебраических преобразований получаем выражение термического КПД цикла Отто:
Из (10.14) следует, что термический КПД цикла Отто возрастает с повышением степени сжатия. В табл. 10.1 приведены значения КПД для различных величин е и к = 1,41.
Надо отметить, что реальные двигатели работают со степенью сжатия в пределах 6-11. При повышении степени сжатия возрастает
Таблица 10.1
Термический КПД цикла Отто при к – 1,41_
е | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Л/ | 0,48 | 0,52 | 0,55 | 0,57 | 0,59 | 0,61 |
температура горючей смеси в конце сжатия, что увеличивает опасность преждевременного самовоспламенения смеси и поломки двигателя. Температура самовоспламенения определяется специальной характеристикой топлива, называемой октановым числом.
Основные достоинства двигателей с принудительным воспламенением топлива: невысокая масса в расчете на единицу мощности; низкий шум во время работы. Недостатки: использование дорогостоящего топлива; относительно низкий КПД из-за ограничений на повышение степени сжатия.
Источник
Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника :: Теплоснабжение и теплотехническое оборудование :: Теоретические основы теплотехники
Этот цикл характеризуется тем, что сгорание происходит при v=const. Цикл был осуществлен немецким конструктором Н.А. Отто в 1876 г.
Схема двигателя, работающего по циклу Отто, и индикаторная диаграмма его работы показаны на рис. 1.4.2, а идеализированный термодинамический цикл Отто – на рис. 1.4.1.
Работа двигателя состоит из следующих четырех периодов или тактов. В процессе а-1 поршень 1 движется слева направо, создавая разрешение в цилиндре, всасывающий клапан 111 открывается и в цилиндр подается заранее подготовленная в специальном устройстве – карбюраторе – горючая смесь: смесь воздуха с парами топлива. При достижении поршнем крайнего правого положения и заполнения цилиндра горючей смесью всасывающий клапан закрывается; на этом заканчивается первый такт работы двигателя – такт всасывания рабочего тела.
Поршень начинает двигаться справа налево, горючая
Рис. 1.4.2. Схема двигателя, работающего по циклу Отто:
1-поршень;2-цилмндр; 3-всасывающий клапан; 4- выхлопной клапан; 5- электрическая свеча.
смесь сжимается, ее давление и температура повышается (участок 1- 2); на этом заканчивается второй такт – такт сжатия. В точке 2 горючая смесь воспламеняется от дугового разряда, создаваемого электрической свечой 5.
Сгорание топлива в горючей смеси происходит практически мгновенно, следовательно, процесс сгорания топлива протекает при постоянном объеме (v=const).
При сгорании топлива выделяется теплота, за счет которой давление рабочего тела повышается до точки 3. В результате теплового расширения продуктов сгорания топлива поршень из крайнего левого положения перемещается в крайнее правое положения – это третий такт работы двигателя – рабочий ход. В этом такте (участок 3-4 ) за счет расширения рабочего тела совершается работа, которая и отдается внешнему потребителю.
В момент достижения поршнем крайнего правого положения (точка 4) открывается выпускной клапан 4 и продукты сгорания под действием избыточного давления в цилиндре выбрасываются из него, их давление снижается, происходит выхлоп продуктов сгорания (участок 4-5) за счет того, что давление продуктов сгорания несколько выше атмосферного. После осуществления выхлопа начинается четвертый такт – выпуск. Поршень перемещается справа налево, вытесняя рабочее тело из цилиндра, давление в котором становится равным атмосферному.
При достижении поршнем крайнего левого положения цикла работы двигателя внутреннего сгорания завершается.
От начального давления Р1 и объема V1(положение поршня I, рисунок 1.4.1) 1кг идеального газа сжимается по адиабате 1 – 2 до объема V 2( положение поршня II), при этом давление его возрастает до Р2. далее, при постоянном объеме т.е. по изохоре 2 – 3, к газу от источника подводится тепло q1, вследствие чего его давление возрастает (положение поршня I). Наконец, в изохорном процессе 4 – 1 от газа отводится в холодильник тепло q2 и цикл замыкается, т.е. газ приходит в первоначальное состояние (точка 1).
Термический КПД можно выразить в общем виде так:
Однако высокие степени сжатия в двигателях, работающих по данному циклу, недопустимы, так как температура горючей смеси при сжатии может превысить температуру воспламенения и топливо загорится раньше, чем поршень придет в свое крайнее положение, что может привести к аварии. Степень сжатия в этих двигателях зависит от свойств применяемого топлива и изменяется в пределах от 6 до 12.
Термический КПД цикла зависит от физических свойств рабочего тела (топлива) , на что указывает присутствие в формуле показателя адиабаты, однако этот коэффициент изменяется в узких пределах и поэтому его влияние на термический КПД невелико.
Источник
Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания
Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера). 
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.
Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.
Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода – вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.
***
Цикл Отто
Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия – в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.
В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.
Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.
Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает “превращаться” в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.
Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.
Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.
***
Цикл Дизеля
Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.
Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе “Л.Нобеля” показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.
Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает “убежать” от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).
Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.
По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.
Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.
Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного (“чистого”) дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.
Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ – Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по “чистому” циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.
***
Цикл Сабатэ – Тринклера
Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.
В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.
Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).
Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.
Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ – Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.
Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей – 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.
Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.
***
Сравнение эффективности идеальных циклов
Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).
Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.
Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.
Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.
Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.
Здесь отрезки 1–2, 1–2′ и 1–2″ изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2’–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2″–3′ и 3’–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.
Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.
Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.
***
Термодинамика поршневого двигателя
Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине “Основы гидравлики и теплотехники”
(в формате Word, размер файла 68 кБ)
Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине “Основы гидравлики и теплотехники” (в формате Word):
- для специальности СПО “Механизация сельского хозяйства”
- для специальности СПО “Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта”
Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине “Основы гидравлики и теплотехники” (в формате Word):
- для специальности СПО “Механизация сельского хозяйства”
- для специальности СПО “Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта”
Источник