1. Поняття про цикл двигуна внутрішнього згоряння
2. цикл Отто
3. цикл Дизеля
4. Цикл Сабате - Трінклера
5. Порівняння ефективності ідеальних циклів

Поняття про цикл двигуна внутрішнього згоряння

Послідовність термодинамічних процесів в будь-якому сучасному поршневому двигуні внутрішнього згоряння в тій чи іншій мірі наближена до одного з трьох характерних циклів, званих ідеальними циклами Отто, Дизеля і Сабате - Трінклера (Сабатье - Трінклера).
При цьому принципова відмінність цих циклів проявляється лише в характері процесу згоряння палива (підведення теплоти), який в ідеальному циклі Отто протікає в умовах постійного обсягу камери згоряння, в циклі Дизеля - при постійному тиску в циліндрі, а в циклі Сабате - послідовно по ізохорно, а потім по Ізобаричний процесам.

Виходячи з наведених характеристик, цикли Отто, Дизеля і Сабате - Трінклера іноді називають, відповідно, циклами швидкого, постійного і змішаного згоряння, які покладені в основу роботи карбюраторного, компресорного та Безкомпресорні двигунів.

Наведені нижче ідеальні цикли теплових двигунів внутрішнього згоряння описують послідовність термодинамічних процесів, що протікають по двотактному сценарієм, т. Е. Поршень в циліндрі здійснює за один цикл два ходи - вгору і вниз. Реальні теплові двигуни можуть працювати і по двотактному, і по більш ефективному чотиритактному циклу.

***

цикл Отто

Ідеальний цикл теплового двигуна внутрішнього згоряння з примусовим займанням горючої суміші, який зазвичай називають циклом Отто, насправді був описаний і запропонований ще в 1862 році французьким інженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. Е. Задовго до створення Николаусом Августом Отто свого знаменитого двигуна, перший зразок якого був виготовлений через півтора десятиліття - в 1878 році. Тому заслуга Отто полягає лише в здійсненні зазначеного циклу на практиці.

У своєму двигуні Отто першим застосував стиснення робочої суміші для підняття максимальної температури циклу, яке здійснювалося за адіабаті (т. Е. Без теплообміну з зовнішнім середовищем). Послідовність термодинамічних процесів в циклі Отто можна простежити за наведеною нижче діаграмі (рис. 1).
Після стиснення газо-паливної суміші вона запалала від зовнішнього джерела (свічки), після чого починався процес підведення теплоти, який протікав практично по Ізохор (т. Е. При постійному обсязі циліндра двигуна). Цей процес на діаграмі представлений у вигляді вертикального ділянки, що починається з моменту займання горючої суміші в циліндрі.
Ізохорний характер процесу підведення теплоти пояснюється тим, що запалав газо-повітряна суміш згоряє дуже швидко, при цьому процес супроводжується різким підвищенням (стрибком) тиску і температури в циліндрі.

Далі слід було адіабатичне розширення, в процесі якого двигуном здійснювалася корисна робота (робочий хід поршня). В кінці процесу розширення слідував Ізохоричний відведення теплоти (відкривання клапанів і продування циліндра). На цьому цикл завершувався, після чого слід було повторення зазначеної послідовності процесів, що становлять низку аналогічних циклів.

Як зазначалося вище, А. Отто першим застосував стиснення робочої суміші перед займанням, завдяки чому ККД його двигуна значно перевищував ККД двигуна Е. Ленуара , В якому стиск не передбачалося. Сучасні двигуни, що працюють за схемою циклу Отто, мають ступінь стиснення (в залежності від конструктивних особливостей) від 8 до 12,5. За такого циклу працюють двигуни з примусовим займанням горючої суміші, що використовують як паливо бензин або газ.
Більш висока ступінь стиснення в таких двигунах призводить до детонаційному самозаймання суміші , Т. Е. Втрачається контроль над процесом запалення і згоряння палива, а сам двигун, по суті, починає "перетворюватися" в безладно працює дизель з усіма наслідками, що випливають від детонації наслідками.

Через відносно невисокий ступінь стиснення горючої суміші в циліндрах, термічний ККД таких двигунів нижче, ніж в дизельних двигунах, і досягає 30-35%.

Двигуни, що працюють по циклу Отто, в даний час широко застосовуються в автомобілях, човнових моторах, малопотужних літальних апаратах і т. П.

***

цикл Дизеля

Інший характерний ідеальний цикл для ДВС називають циклом Дизеля, на ім'я винахідника дизельного двигуна. Цей цикл характеризується підведенням теплоти (згоряння палива) по ізобарі, т. Е. При постійному тиску в циліндрі двигуна.

Як і у випадку з циклом Отто, називати цикл, в якому згорання палива здійснюється по ізобарі, циклом Дизеля буде не зовсім справедливо.
Спочатку Р. Дизель пропонував здійснювати спалювання палива по изотерме (як в ідеальному циклі Карно) і запатентував саме такий спосіб підведення тепла до робочого тіла.
Однак, вже перші практичні випробування показали, що цикл, запропонований Р. Дизелем, не має ніякого практичного і теоретичного значення. Будь-яке наближення процесів горіння до изотерме в циклі Дизеля призводило до збільшення витрати палива.
І лише через якийсь час аналіз діаграми робочого циклу дизельного двигуна, побудованого в Росії на заводі "Л. Нобеля" показав, що лінія згоряння палива в ньому протікає по ізобар. При цьому досягався найвищий ККД.
Проте, назва цикл Дизеля встановилося і тепер назавжди пов'язане з ім'ям знаменитого винахідника конструкції теплових двигунів унікального типу.

Цикл Дизеля протікає за наступним сценарієм (див. Діаграму на рис. 1).
Стиснення здійснюється по адіабати, як і в циклі Отто, з тією лише різницею, що ступінь стиснення і тиск в кінці такту значно вище. Це простежується на наведеній діаграмі.
В кінці такту стиснення відбувається вприскування палива і починається його горіння (підведення теплоти), яке здійснюється за ізобарі, т. Е. При постійному тиску.
Саме в цьому полягає принципова відмінність циклу Дизеля від циклу Отто, де теплота підводиться ізохорно (при постійному обсязі), оскільки паливо згорає дуже швидко, а його займання (від іскри) починається трохи раніше, ніж поршень досягав верхнього положення.
Ізобарна спалювання палива в дизельному двигуні пов'язано з відносно повільним (лавиноподібним) займанням - спочатку згоряють легкі фракції, потім більш важкі. В результаті процес горіння розтягується в часі і поршень встигає "втекти" від верхньої мертвої точки, при цьому тиск в циліндрі залишається незмінним.
Далі, як і в циклі Отто, слід було адіабатичне розширення, а потім Ізохоричний відведення теплоти (випуск газів і продування циліндра після відкривання клапанів).

Принципова і конструктивна відмінність полягала в тому, що Дизель запропонував стискати в циліндрі НЕ топливовоздушную суміш, як в двигунах Отто, а повітря. В кінці такту стиснення температура повітря піднімалася настільки, що впорскується в циліндр паливо займається самостійно, т. Е. Відбувалося самозаймання палива.
Для здійснення самозаймання доводилося значно збільшити ступінь стиснення, яка в дизельних двигунах в 2-3 рази вище, ніж в карбюраторних двигунах.
Дизель, проектуючи свій двигун, припускав застосувати стократну ступінь стиснення, але, як показали перші ж випробування, теплова і механічна напруженість деталей двигуна при таких навантаженнях перевищувала допустимі значення. Дослідні зразки не витримували навантаження і руйнувалися навіть при значне тяжких конструкції з метою підвищення міцності.
Проте, сучасні розробки щодо вдосконалення дизельних двигунів спрямовані, в тому числі, на значне збільшення ступеня стиснення, оскільки це безпосередньо пов'язано з підвищенням ККД і економічності двигуна.

За легендою вважається, що Р. Дизель винайшов свій знаменитий двигун, накачуючи ручним насосом колесо велосипеда. Після кількох енергійних маніпуляцій насосом, він зауважив, що його корпус-циліндр сильно нагрівся, і навіть обпікав руку. Це і наштовхнуло винахідника на ідею, яка принесла йому світову славу і безсмертя в пам'яті вдячного людства.

Особливістю системи живлення Дизеля, в його первозданному вигляді, було компресорне пневматична розпилювання палива, на зміну якому згодом прийшло механічне розпилювання за допомогою паливних насосів високого тиску (ТНВД) і форсунок, запропонованих в 1898 році французом Сабате.

Відмова від пневматичного (компресорного) вприскування був пов'язаний з тим, що на привід компресора доводилося 10-15% корисної роботи двигуна, в зв'язку з чим витрата палива у таких дизелів був не зовсім прийнятним, тобто ефективні показники були нижчими, ніж у циклу Сабате - Трінклера. Крім того, гідравлічний уприскування палива дозволяв збільшити динамічні показники роботи дизельного двигуна.
Однак індикаторні і екологічні показники компресорного ( "чистого") дизельного двигуна були вище, ніж у двигунів, що працюють за циклом Сабате - Трінклера (про них мова піде нижче). Пов'язано це було з більш якісним смесеобразованием - в циліндр подавалася топливовоздушная суміш, а не паливо в рідкій фазі як у сучасних дизелів.

Повсюдний перехід від пневматичного на механічне (Безкомпресорні) розпилювання палива і відповідно з циклу Дизеля на цикл Сабате - Трінклера почався в 30-х роках минулого століття.
В даний час двигуни, що працюють по "чистому" циклу Дизеля не виробляються, за винятком експериментальних і дослідних зразків.

***

Цикл Сабате - Трінклера

Цикл, що включає два послідовних термодинамічних процесу згоряння палива - спочатку по Ізохор, а потім по ізобарі, називають циклом Сабате - Трінклера. Мабуть, це назва циклу теж можна оскаржити, оскільки французький інженер Сабате (Сабатье) запатентував в 1898 року не цикл, а механічний пристрій (форсунку з розпилювачем), яке повинно було подавати рідке паливо безпосередньо в циліндри в два етапи. За задумом Сабате це повинно привести до більш повного і швидкому згорянню палива.

На початку минулого століття російський інженер Густав Трінклер винайшов принципово новий двигун, дослідний зразок якого був виготовлений в 1902 році на Путіловському заводі. Знята з працюючого двигуна індикаторна діаграма показала, що згоряння палива в ньому відбувалося по змішаному циклі - спочатку по Ізохор (при постійному обсязі), а потім по ізобарі (при постійному тиску).
Таким чином, першим в світі двигуном з самозаймання, що працює по циклу змішаного згоряння, був двигун конструкції Г. Тринклера, виготовлений в Росії.

Термодинамічні процеси в циклі Сабате - Трінклера здійснюється в наступній послідовності (див. Діаграму на рис. 1).
Стиснення повітря, як і в циклі Дизеля, здійснювалося по адіабати. Теплота підводиться змішано: ізохорно (вертикальний ділянку на pV діаграмі), а потім ізобарно (горизонтальну ділянку на діаграмі).
Далі слід було адіабатичне розширення, після чого Ізохоричний відведення теплоти (вертикальний відрізок в кінці такту розширення на діаграмі).

Змішаний цикл в двигуні Трінклера мав місце завдяки застосуванню гідравлічного вприскування палива за допомогою форсунок, а також попередньою займання палива не в циліндрі, а в окремій невеликій камері, з'єднаної каналом з об'ємом циліндра. Саме в цю камеру безкомпресорним (гидромеханическим) способом впорскується паливо, де і починався процес його горіння.
Застосування окремої камери дозволяло підтримувати в ній вищу температуру, ніж в циліндрі, оскільки її стінки не встигали охолонути при відведенні теплоти з циліндра. Завдяки цьому процес горіння палива в камері протікав дуже швидко (практично, по Ізохор, як в циклі Отто), а потім горіння поширювалося в циліндр і тут вже протікало по Ізобаричний сценарієм, як в циклі Дизеля.
Двигуни Трінклера частіше називають Безкомпресорні або форкамерно дизелями або просто дизелями.

Як згадувалося вище, все що випускаються в даний час дизельні двигуни насправді працюють по циклу Сабате - Трінклера, т. Е. Циклу зі змішаним підведенням теплоти і з механічним розпилюванням палива.

Ступінь стиснення у безнаддувних двигунів досягає значення 18-22; у наддувних високофорсованих двигунів - 13-15.
Помічено, що зі збільшенням робочого об'єму циліндрів дизельного двигуна і зі зменшенням його спритності зростає економічність, т. Е. ККД.

Область застосування цих двигунів дуже широка. Їх встановлюють в генераторних, насосних, енергетичних установках і на електростанціях, в легкових і вантажних автомобілях, тракторах, сільськогосподарської та дорожньої техніки, на тепловозах, судах, літаках і т. Д.

***

Порівняння ефективності ідеальних циклів

Спробуємо порівняти ефективність розглянутих вище ідеальних циклів за допомогою діаграми Ts (рис. 2), яка описує залежність між ентропією і температурою робочого тіла. Аналіз буде найбільш наочним при однакових ступенях стиснення в розглянутих двигунах (уявімо, що таке можливо).

З наведеної діаграми (рис. 2б) видно, що процеси стиснення 1-2 у всіх трьох типів двигунів (карбюраторного, дизельного і Безкомпресорні) збігаються, а якщо відводити однакову кількість теплоти, то будуть збігатися і процеси 4-1.

Слід зазначити, що на діаграмі T-s ізохора завжди проходить крутіше ізобари, отже, в карбюраторному двигуні при однаковій кількості підведеної теплоти буде відбуватися більше роботи на величину заштрихованої площі. Виходячи з цього, можна зробити висновок: ізохорно спалювання палива ефективніше ізобарного.

Однак насправді названі двигуни працюють при різних ступенях стиснення, і практичний інтерес викликає порівняння їх ефективності при однакових максимальних температурах згоряння, оскільки саме вони визначають в основному температурну напруженість машини і її ККД.

Наступна діаграма Ts (рис. 2в) показує цикли Отто, Дизеля і Сабате-Трінклера при одній і тій же максимальній температурі. У цьому випадку на діаграмі T-s повинні збігатися точки 3, що відповідає однаковою максимальній температурі в циклі і однаковій кількості відводиться за цикл теплоти.

Тут відрізки 1-2, 1-2 'і 1-2 "зображують адіабатне стиснення в циклах Отто, Дизеля і Сабате-Трінклера відповідно, 2-3 - Ізохоричний підведення теплоти в циклі Отто, 2'-3 - ізобарний в циклі Дизеля, 2 "-3 'і 3' 3 - Ізохоричний і ізобарний в циклі Сабате-Трінклера. Решта процеси - адіабатне розширення (робочий хід) 3-4 і Ізохоричний відведення теплоти 4-1 - при розглянутих умовах однакові для всіх трьох циклів.

Як видно з цієї діаграми, максимальна теплота q0 (площа, яка знаходиться всередині контуру циклу), перетворюються в корисну роботу і, отже, максимальний термодинамічний ККД має місце в разі циклу Дизеля, мінімальний - в разі циклу Отто. Цикл Сабате-Трінклера по ефективності перетворення теплоти в корисну роботу займає проміжне положення.

Звичайно, найбільш цінні результати дає зіставлення циклів при однакових максимальних температурах і однакових витратах палива (однакових кількостях підводиться за цикл теплоти). Але зробити це за допомогою діаграми T-s практично неможливо, оскільки довелося б так підбирати кількість відводиться теплоти, щоб площі кожного з порівнюваних циклів були однакові.
Такий аналіз може бути проведений за допомогою моделювання на комп'ютері.

***

Термодинаміка поршневого двигуна

Завантажити теоретичні питання до екзаменаційних білетів
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки"
(В форматі Word, розмір файлу 68 кБ)

Завантажити робочу програму
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):

Завантажити календарно-тематичний план
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):