Циклы двигателей внутреннего сгорания

Цикл быстрого горения был построен немецким инженером Отто после изобретения им в 1876 г. четырехтактного ДВС (по принципу, предложенному французским инженером Бо-де-Роша в 1862 г). Цикл Отто в р-v диаграмме изображен на рис. 3.

Из рисунка видно, что цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – сжатие; 2-3 – взрывообразное (быстрое) горение (подвод теплоты q ₁); 3-4 – расширение продуктов сгорания (рабочий ход); 4-1 – выхлоп (отвод теплоты q ₂).

Цикл Дизеля был построен после изобретения в 1897 г. немецким инженером Дизелем своего двигателя. В этом двигателе горение нефти осуществлялось в результате ее “распыления” струей воздуха и самовоспламенения в результате сжатия в цилиндре воздуха (топливо с “распыливающим” воздухом подавалось в цилиндр в конце сжатия). Цикл Дизеля показан на рис. 4, где 1-2 – процесс сжатия; 2-3 – медленное горение (сжатый воздух не мог распределить нефть в виде достаточно мелких капель, поэтому горение происходит плохо, т.е. медленно); 3-4 – рабочий ход и 4-1 – выхлоп.

Следует отметить, что в последнее время ни один так называемый “дизель” по циклу Дизеля не работает, т.к. после усовершенствований, выполненных русским инженером Г.В. Тринклером (и получившим в 1904 г. патент на свой бескомпрессорный двигатель), они работают по циклу Тринклера (рис. 5). На этом рисунке: 1-2 – сжатия; 2-3 – быстрое горение; 3-4 – медленное горение; 4-5 – рабочий ход; 5-1 – выхлоп.

Характеристиками циклов являются следующие:

– степень сжатия;

– степень повышения давления;

– степень предварительного расширения.

Анализ циклов (рисунки 3, 4, 5) показывает, что в цикле Дизеля λ=1 (давление в цилиндре при самовоспламенении и горении топлива не меняется), а в цикле Отто (т.е. нет фазы медленного горения топлива).

Анализ процессов, происходящих с рабочим телом при работе ДВС, позволяет оценить влияние характеристик циклов на КПД двигателя. Для этого необходимо вспомнить цикл и выводы Карно, касающиеся способов повышения КПД любого теплового двигателя.

1.5. Цикл Карно. Анализ влияния характеристик циклов ДВС
на их КПД

Свой знаменитый цикл С. Карно опубликовал в 1824 г. Логика построения этого цикла заключается в том, что, если цикл составить из наиболее эффективных процессов, то и эффективность такого цикла будет наибольшей, т.е. КПД будет максимальным.

Эффективность процесса изменения состояния рабочего тела определяется потерями теплоты – чем они меньше, тем процесс более эффективен. Тогда самым эффективным процессом (из четырех стандартных) является адиабатный, так как при протекании этого процесса отсутствует теплообмен с окружающей средой. Но две адиабаты (эквидистантные кривые) не могут образовать цикл.

Из оставшихся трех стандартных процессов наиболее эффективным является изотермический процесс, т.к. внутренняя энергия рабочего тела не меняется. Цикл Карно, состоящий их двух адиабат и двух изотерм, показан на рис. 6.

Очевидно, что после сжатия 3-4 необходим подвод теплоты (изотерма 4-1),после чего рабочее тело совершает рабочий ход 1-2 (расширение) и затем осуществляя-ется изотермический отвод теплоты 2-3.

И если КПД любого цикла определяется по формуле (1), то после подстановки q₁ и q₂ изотермических процессов и несложных математических преобразований можно получить КПД цикла Карно

, (2)

из которой видно, что для повышения КПД необходимо температуру подвода теплоты (Т ₁) увеличивать, а температуру отвода теплоты (Т ₂) уменьшать. Это является правилом повышения эффективности работы любого теплового двигателя (здесь Т ₁ и Т ₂ соответственно максимальная и минимальная температура цикла).

Зная общие правила повышения КПД теплового двигателя, можно проследить влияние характеристик циклов на КПД. Очевидно, что увеличение ε и λ вызывает повышение КПД циклов ДВС, а увеличение r снижает КПД. В первом случае с ростом ε и λ растет средняя температура подвода теплоты, а во втором – чем больше r, тем хуже горит топливо, раз оно догорает в камере сгорания после прохождения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ).