Материал: Теоретические основы теплотехники 1

(эта величина в поршневых ДВС называется степенью сжатия), работающего

по циклу Карно, достигает 400, а давление в

точке (а) – p = 280 – 300 МПа. Двигатель с такими параметрами нереален,

ибо давление в цилиндрах современных ДВС редко превышает 10 МПа, а

степень сжатия 16 – 18. Кроме того, работа, совершаемая в цикле Карно,

очень мала и двигатель практически будет работать только для самообслу-

живания (на себя).

Для снижения давления в точке (а) и степени сжатия цикл видоизме-

няют: отвод теплоты осуществляют не по изотерме с –d, а по изохоре c1 – d;

подвод теплоты осуществляют не по изотерме a–b, а по изохоре

a1 – b или по изобаре a2 – b. В соответствии с этими изменениями, из цикла Карно, как эталонного, получают два термодинамических цикла ДВС: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) (рис. 43), состоящий из двух изохор и двух адиабат (a1-b-c1-d-a1) и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля), состоящий из изобары a2–b, изохоры с1– d и двух адиабат b–c1 и d–a2 (a2-b-c1-d- a2). Полученные циклы имеют КПД меньше, чем КПД цикла Карно. Однако, двигатели, которые работают по этим циклам, характеризуются меньшими потерями на трение и требуют бо-

лее коротких цилиндров.

Работа поршневых ДВС обычно оценивается с помощью индикаторной диаграммы, которая показывает взаимосвязь давления и объема в цилиндре двигателя при движении поршня. При движении поршня от внутренней мертвой точки М1 к наружной мертвой точке М2 (рис. 44) клапан (I) открыва-

ется и в цилиндр двигателя засасывается заранее приготовленная в устрой-

ствах двигателя смесь воздуха и топлива (в карбюраторных двигателях) при давлении р1 (0–а) (рис. 44).

137

Рис. 44. Теоретическая диаграмма цикла Отто

При движении поршня в обратном направлении клапаны I и II закрыты и смесь сжимается по адиабате а – b до давления р2. Объем уменьшается до

V0, равного объему камеры сгорания цилиндра. В точке M1 происходит вос-

пламенение смеси от электрического разряда и, поскольку рабочая смесь уже заранее подготовлена и хорошо перемешана, она сгорает достаточно быстро и теоретически при постоянном объеме. Цикл Отто иногда называют циклом

быстрого горения.

Выделившаяся теплота продуктов сгорания при v = idem вызывает рез-

кое повышение давления и температуры в цилиндре (b–с). Образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются (с–d), совершая полезную рабо-

ту. В точке М2 открывается выхлопной клапан II и продукты сгорания выбра-

сываются в атмосферу. Считают, что теоретически выхлоп осуществляется в процессе d–а. Оставшиеся в цилиндре двигателя газы при атмосферном дав-

лении р1 выталкиваются поршнем в атмосферу, когда он идет от точки М2 до

138

точки М1 (а–0). Затем цикл повторяется. Замкнутый контур a-b-с-d-а теоре-

тически характеризует работу двигателя за один цикл при сгорании одной порции топлива. Эффективность циклов ДВС и факторов, влияющих на ра-

боту двигателей, удобно и наглядно оценивать в координатах p-v, Т–S на ба-

зе анализа работы термодинамических циклов тепловых двигателей, хотя ре-

альные двигатели и не работают по таким циклам (рис. 45).

Рис. 45. Цикл Отто в координатах p-v (а) и T-s (б)

Процесс (1–2) в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс (2–3) - изохорный подвод теплоты q1, процесс (3–4) - адиабат-

ное расширение и процесс (4–1) - изохорный отвод теплоты q2.

Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты lц q1 q2 и численно равна площади (1-2-3-4-1). Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чем выше степень сжатия, тем выше КПД цикла. Действительно, если в цикле Отто сжатие вести до точки

(2'), а подвод теплоты - по изохоре (2'–3'), то цикл 1-2'-3'-4 будет иметь большую степень сжатия, чем исходный цикл (рис. 45). При этом увеличива-

ется количество теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле q1 , при неиз-

менном значении количества теплоты, отводимой от рабочего тела в цикле

140

Рис. 46. Циклы Отто и Дизеля в координатах p-v (а) и T-s (б)

Сравним между собой циклы Отто и Дизеля при одинаковых парамет-

рах точек (1) и (4) с помощью диаграммы Т–s (рис. 46). Если в этих циклах будет одинаковая степень сжатия ε и одинаковое количество отводимой теп-

лоты q2 , то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля. Действительно,

так как изохора в координатах Т–s идет круче изобары, то количество тепло-

ты q1, подводимой по изохоре (2–3'), будет больше количества теплоты, под-

водимой по изобаре (2–3). Следовательно, КПД цикла, определяемый урав-

нением ηt= 1- q2/q1, получается тем выше, чем больше величина q1 при посто-

янном значении q2.

Сравним теперь эти циклы при одинаковых максимально возможных давлениях в цилиндрах двигателя, что соответствует равенству максималь-

ных температур в конце процесса сгорания топлива, когда общей у них ока-

зывается не точка (2), а точка (3) (циклы 1-2'-3-4 и 1-2-3-4). Количество отве-

денной теплоты q2 в сопоставляемых циклах опять одинаково и определяется площадью 1-4-6-5 (рис. 46б). В этом случае количество теплоты q1, подводи-

мой в цикле Дизеля по изобаре (2–3), будет больше, чем количество теплоты,