Доброго дня! Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) - це теплова машина, в якій підведення теплоти до робочого тіла здійснюється за рахунок спалювання палива усередині самого двигуна. Робочим тілом в таких двигунах є на першому етапі повітря або суміш повітря з легкозаймистих паливом, а на другому етапі - продукти згоряння. У поршневих двигунах внутрішнього згоряння підведення теплоти відбувається безпосередньо в циліндрі в процесі згоряння палива. Ці двигуни мають порівняно високу економічність, малі габарити і вага, що припадає на одиницю потужності, і тому в основному застосовуються в якості транспортних двигунів: в авіації, автомобільному, водному та залізничному транспорті. Крім того, вони використовуються в стаціонарних енергетичних установках малої потужності.
Недоліком поршневих двигунів є необхідність застосування кривошипного механізму, призначеного для перетворення поступального руху поршня в обертальний. Наявність незбалансованих мас в кривошипному механізмі при збільшенні числа обертів призводить до виникнення великих механічних навантажень. Тому потужні двигуни внутрішнього згоряння виконуються тихохідними, що збільшує їх габарити і вага.
Різні вимоги, що пред'являються до двигунів внутрішнього згоряння в залежності від їх призначення, привели до створення найрізноманітніших типів цих двигунів. Однак з термодинамічної точки зору їх можна класифікувати за характером процесів. Цикли, які застосовуються в двигунах, можна поділити на такі три види:
1) цикл з підведенням теплоти при постійному обсязі;
2) цикл з підведенням теплоти при постійному тиску;
3) змішаний цикл, в якому теплота підводиться при постійному обсязі і при постійному тиску.
Цикл з підведенням теплоти в процесі при постійному обсязі.
Особливістю двигунів, що працюють за цим циклу, є зовнішнє приготування робочої суміші, яка потім подається в циліндр, де стискається і запалюється від електричної іскри, причому згорання відбувається дуже швидко і процес можна розглядати як відбувається при постійному обсязі. Так як зовнішнє сумішоутворення здійснюється при низькій температурі, двигун може працювати тільки на легких паливах, які добре поєднуються з повітрям. Такий двигун вперше був побудований в 1876 році німецьким винахідником Отто і працював на газовій суміші.
Теоретичний цикл з підведенням теплоти при υ = const складається з двох адіабати і двох изохор (рис. 2). У процесі 1-2 відбувається адіабатне стиснення робочої суміші, яка в точці 2 запалюється за допомогою електричної іскри і згорає в процесі 2-3 при постійному обсязі. У процесі 3-4 адиабатного розширення продуктів згоряння палива відбувається переміщення поршня і проводиться робота розширення. У точці 4 відкривається вихлопної клапан, і тиск в циліндрі падає до атмосферного pa.
При цьому частина відпрацьованих газів залишає порожнину циліндра. Надалі в результаті зворотно-поступального руху поршня виштовхуються залишки продуктів згорання і всмоктується наступна порція робочої суміші. На теоретичній діаграмі (рис. 2) ці процеси збігаються з ізобарою ра, проте умовно їх поєднують з ізохорним процесом 4-1, в якому відводиться кількість теплоти q2, фактично уносимой разом з видаляються газами.
Реальні цикли двигунів внутрішнього згоряння помітно відрізняються від теоретичних, тому при теоретичному аналізі вводяться також і інші припущення. Як робоче тіло при дослідженні циклів двигунів внутрішнього згоряння приймається ідеальний газ, кількість і властивості якого незмінні (насправді вони змінюються в результаті згоряння розпорошеного палива).
Процеси стиску і розширення не є адіабатне, тому що в реальному двигуні існує тертя і відбувається теплообмін між стінками циліндра і газом. Процес 2-3 насправді також відрізняється від ізохоричного через переміщення поршня за час горіння палива. Внаслідок розвитку всіх процесів в часі певні точки переходу від одного процесу до іншого (точки 1, 2, 3 і 4) в реальних циклах відсутні, і процеси змінюють один одного поступово (рис. 1).
Однак при термодинамічній аналізі циклів двигунів внутрішнього згоряння ці відхилення від ідеальних умов не враховуються, що істотно спрощує теоретичне дослідження циклів.
Відповідно до формули
термічний к. п. д. циклу з підведенням теплоти при постійному обсязі зростає зі збільшенням ступеня стиснення ε, яка дорівнює відношенню υ1 / υ2 (рис.2) і показує, у скільки разів зменшується об'єм робочої суміші при її стисненні. Однак величина ε обмежується температурою самозаймання робочої суміші.
Якщо в процесі адиабатного стиснення 1-2 температура в циліндрі перевищить температуру самозаймання, то робоча суміш спалахне передчасно, що не тільки знизить економічність двигуна, а й призведе до вельми небезпечним перевантажень. Тому ступінь стиснення в двигунах з згорянням при υ = const не перевищує ε = 6-9 (вибирається в залежності від властивостей палива).
Цикл з підведенням теплоти при постійному тиску.
У двигунах, що працюють за цим циклу, стиску піддається не робоча суміш, а повітря, температура якого в кінці процесу стиснення (точка 2 на рис. 3) перевищує температуру самозаймання палива і становить 600-800 ° С. Завдяки цьому подається в циліндр розпорошену рідке паливо, змішуючись з повітрям, самозаймається і горить, причому подача палива регулюється таким чином, щоб горіння йшло при постійному тиску (ізобара 2-3). Розпилювання що подається в циліндр палива виробляється стисненим повітрям (тиск 5-9 МПа), що надходять зі спеціального компресора (такі двигуни часто називають компресорними). У процесі 3-4 відбувається адіабатне розширення продуктів згоряння, а процес 4-1 аналогічний такому ж в циклі зі згорянням при υ = const. Цей цикл був вперше запропонований і здійснений Дизелем.
З огляду на те що стисненню піддається тільки повітря, передчасне займання (детонація) палива виключається, двигуни працюють з великими ступенями стиснення (близько 15-20) і мають великий к. П. Д. Так як утворення горючої суміші відбувається при високій температурі, в цих двигунах спалюються важчі види палива.
Недоліком цих двигунів є наявність компресора високого тиску, що знижує надійність, а також ускладнює конструкцію і споживає деяку частину потужності двигуна. Тому вони в даний час витіснені Безкомпресорні двигунами, в яких розпилювання палива здійснюється паливним насосом.
Змішаний цикл.
Двигуни, що працюють по змішаному циклі, є більш досконалими в порівнянні з двигунами з Ізобаричний згорянням, так як у них відсутня компресор. Перший патент на бескомпрессорний двигун високого тиску був виданий в 1901 р російському інженеру Г. В. Трінклера. Однак ці двигуни отримали широке поширення значно пізніше, коли вдалося здійснити тонке розпилювання палива за допомогою паливного насоса і форсунок спеціальної конструкції. В даний час по змішаному циклі працюють переважно транспортні двигуни, в яких використовується важке паливо.
У змішаному циклі, як і в циклі з ізобарним згорянням, стиску піддається повітря. Паливо подається в циліндр за допомогою насоса в кінці стиснення (точка 2 на рис. 4) при тиску 30-150 МПа і внаслідок високої температури повітря самозаймається. Подача палива під великим тиском створює сприятливі умови для гарного розпилювання і перемішування його з повітрям, що забезпечує досить повне згорання палива і підвищення економічності двигуна. Процес горіння йде спочатку при постійному обсязі (ізохора 2-3), а потім при постійному тиску (ізобара 3-3 ').
Порівняння циклів.
Як вже зазначалося раніше, порівняння економічності двигунів доцільно проводити за допомогою Ts-діаграми, так як ця діаграма дозволяє за відповідними площами визначити кількість теплоти. На рис. 5 виконано порівняння розглянутих вище циклів двигунів при однаковій кількості відводиться теплоти q2, якій відповідає площа 1-4-b-a-1, і однакових максимальних параметрах циклу в точці 3.
Ступінь стиснення для циклу з згоряння палива при p = const (визначається положенням точки 2 "в кінці адиабатного стиснення повітря) більше, ніж для циклу з згорянням при υ = const (точка 2). Це відповідає дійсним умовам роботи двигунів, так як відмінною рисою і перевагою двигунів з підведенням тепла при р = const є можливість використання високих ступенів стиснення.
Тому доцільно зіставити двигуни при однакових максимальних тисках і температурах (точка 3 на рис. 2-4), оскільки ці параметри визначають величину механічних і термічних напруг, а отже, і конструктивні особливості двігателей.Прі однакових максимальних параметрах в циклі 1-2 "- 3-4-1 (рис. 5) з підведенням теплоти при p = const робота, рівна площі циклу, більше роботи в циклі 1-2-3-4-1 з підведенням теплоти при υ = const. Так як кількість відводиться теплоти q2 , якій відповідає площа 1-4-b-а-1, в обох циклах од наково, то термічний к. п. д. в умовах однакових максимальних параметрів для циклу з підведенням теплоти при p = const вище.
Термічний к. П. Д. Змішаного циклу 1-2'-3'-3 -4-1 має середнє значення між термічними коефіцієнтами корисної дії розглянутих циклів. Насправді для змішаного циклу і циклу Дизеля оптимальна ступінь стиснення однакова і становить ε = 16-18, тому безкомпресорні двигуни працюють при більш високих максимальних параметрах (точка 3 на рис. 5 розташована вище) і, отже, є найбільш економічними. Ісп. література: 1) Теплоенергетика і теплотехніка, Загальні питання, Довідник під ред. В.А. Григор'єва і В.М. Зоріна, Москва, «Енергія», 1980. 2) Теплотехніка, Бондарєв В.А., Процька А.Е., Гринкевич Р.Н. Мінськ, вид. 2-е, "Вишейшая школа", 1976.