Цикл двигателя с изохорным подводом теплоты

 

Цикл с изохорным подводом теплоты – цикл Отто – это цикл бензиновых двигателей внутреннего сгорания с внешнем смесеобразованием в карбюраторе и при принудительном искровым зажиганием горючей смеси. Их называют карбюраторными двигателями и применяют главным образом на автотранспорте (особенно легковом) и в качестве привода на генераторах электрической энергии.

Рассмотрим рабочий процесс поршневого ДВС (рис. 2.17).

 

а	б	в	г
Рис. 2.17. Рабочие процессы поршневого двигателя внутреннего сгорания: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – шатун; 4 – кривошип; 5 – всасывающий патрубок; 6 – нагнетательный патрубок; 7 – нагнетательный клапан; 8 – всасывающий клапан

 

При движении поршня из крайнего верхнего положения (верхняя мертвая точка – ВМТ) в крайне нижнее (нижняя мертвая точка – НМТ) и открытом всасывающем 8 и закрытом 7 выхлопном клапане происходит наполнение цилиндра порцией горячей смеси (рис. 2.17, а).

При движении поршня вверх происходит сжатие горючей смеси (рис. 2.17, б). Клапаны 7 и 8 закрыты.

В ВМТ горючая смесь сгорает в цилиндре двигателя с повышением температуры и давления. Продукты сгорания, воздействуя на поршень, перемещают его из ВМТ в НМТ (рис. 2.17, в). Клапаны 7 и 8 закрыты.

При движении поршня вверх и открытом клапане 7 происходит выталкивание продуктов сгорания (рис. 2.17, г).

На р - V -диаграмме (рис. 2.18, а): 5-1 – процесс всасывания в цилиндр горючей смеси; 1-2 – сжатие смеси; 2-3 – процесс горения смеси, воспламенение которой осуществляется от специального запальника – свечи; 3-4 - процесс расширения продуктов сгорания; 4-1-5 – процесс выхлопа продуктов сгорания в атмосферу.

Всасывание 5-1 и выталкивание 1-5 не являются термодинамическими процессами, так как параметры рабочего вещества при этом не меняются.

Площадь под линией 5-1 представляет собой работу всасывания L_ВС, а площадь под линией 1-5 – работу выталкивания L_ВЫТ. Так как процессы всасывания и выталкивания направлены в разные стороны, то

 

L_ВС + L_ВЫТ = 0.

 

Обратимый термодинамический цикл на 1 кг рабочего вещества, представленный на р - u -диаграмме (рис. 2.18, б), состоит из адиабатного сжатия (процесс 1-2), подвода к газу теплоты при u = const (процесс 2-3), адиабатического расширения (процесс 3-4) и отдачи газом теплоты при u = const (процесс 4-1).

 

а	б
Рис. 2.18. Цикл ДВС с подводом теплоты при u = const в диаграммах

 

Цикл с подводом теплоты при u = const определяется заданием начального состояния в точке 1 и параметров цикла:

сжатия

 

степени повышения давления

 

Параметры рабочего вещества в узловых точках цикла, определяются при рассмотрении отдельных процессов, находятся по формулам, которые были представлены в главе 1.2:

точка 2

точка 3

точка 4

 

Термический КПД этого цикла может быть определен с помощью уравнения

 

Количество подводимой и отводимой теплоты на 1 кг рабочего вещества, участвующего в цикле, можно определить, используя первый закон термодинамики,

 

Для процессов, происходящих при u = const (d u = 0)

 

 

следовательно, для цикла, идущего с подводом теплоты, при u = const

 

 

Подводимая теплота q ₁ на T - s -диаграмме (рис. 2.19) представляет собой пл. 2-3-3'-1', а отводимая теплота q ₂ – пл. 1-4-3'-1'.

Термический КПД цикла равен

 

или

(2.4)

 

 

Рис. 2.19. Цикл ДВС с подводом теплоты при u = const в Т - s -диаграмме

 

Работа цикла определяется количеством подводимой теплоты и значением термического КПД

 

Анализ уравнения (2.4) показывает, что термический КПД цикла с подводом теплоты при u = const растет с увеличением степени сжатия e.

 

Рис. 2.20. Зависимость термического КПД цикла от степени сжатия

 

На рис. 2.20 представлена зависимость h_tu = f (e) для различных рабочих веществ (различных k). С увеличением степени сжатия выше 10-12 темп возрастания h_tu уменьшается. Следовательно, степень сжатия более чем 10-12 применять нецелесообразно, так как значительно возрастает максимальное давление в цикле.

В двигателях, работающих по циклу u = const, в цилиндр двигателя поступает свежая рабочая смесь – смесь воздуха с топливом. Топливо-воздуш-ная смесь сжимается и около ВМТ зажигается электрической искрой. При больших степенях сжатия в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси. Кроме того с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры конца сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. Появление детонации является причиной того, что практически в двигателях, работающих по циклу u = const, степени сжатия имеют вполне определенные предельные значения.

Явление детонации в значительной степени зависит от марки применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому марка применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия.