Циклы двигателей внутреннего сгорания

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются тепловые двигатели, рабочим телом которых служат газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри самого двигателя. Чаще всего это название относится к поршневым ДВС.

В настоящее время существует множество различных типов, видов и конструкций ДВС, отличающихся друг от друга по всевозможным признакам (скорость сгорания топлива, способ смесеобразования, тип продувки, быстроходность, архитектурная схема расположения цилиндров и т.д.). Все поршневые двигатели можно разбить на две основные группы: низкого и высокого сжатия.

К двигателям низкого сжатия относятся карбюраторные и газовые. Отличительной особенностью этой группы является то, что сжатию в цилиндре подвергается смесь паров топлива с воздухом (горючая смесь). Если считать процесс 1 – 2 адиабатным, то температура в конце сжатия Т₂ определяется выражением:

, (3.16)

где v₁ / v₂ = e – степень сжатия рабочего тела в цилиндре.

Так как эта температура не должна достигать в таких двигателях температуры самовоспламенения горючей смеси, то степень сжатия в них относительно невелика: e = 5 – 8.

Другой характерной чертой таких ДВС является то, что зажигание рабочей смеси в них осуществляется от постороннего источника (чаще всего от искры электрического разряда). Нагретая в конце процесса сжатия горючая смесь, воспламенившись от искры, сгорает сравнительно быстро, при этом объем камеры сгорания между поршнем и головкой цилиндра почти не изменяется. Можно считать, что подвод тепла к рабочему телу осуществляется при
v = const.

Диаграмма изменения давления в цилиндре двигателя за цикл снимается с помощью специального прибора – индикатора и называется индикаторной диаграммой. Линия 0 – 1 индикаторной диаграммы карбюраторного четырехтактного двигателя (рис. 3.8) отражает такт всасывания, происходящий при давлении несколько меньшем, чем атмосферное.

Далее идет процесс сжатия рабочей смеси 1 – 2 по линии, приближающейся к адиабате, затем сгорание топлива 2 – 3, протекающее вблизи v = const. Под давлением продуктов сгорания поршень совершает рабочий ход, отражаемый на диаграмме процессом расширения 3 – 4. Такт выхлопа 4 – 0 замыкает рабочий процесс. Впервые двигатель со сжатием горючей смеси и воспламенением топлива от искрового разряда с последующим быстрым сгоранием был построен немецким изобретателем Отто в 1876 г.

Для термодинамического анализа удобнее рассматривать идеализированный цикл Отто, сохраняющий принципиальные черты действительного цикла. Переходя от реального цикла к термодинамическому, делают следующие допущения:

1) исключаются насосные ходы поршня (процессы всасывания воздуха и вытеснения газов);

2) цикл считается замкнутым, в нем участвует постоянное рабочее тело в количестве 1 кг;

3) состав рабочего тела не изменяется за время цикла, причем рабочее тело обладает свойствами идеального газа;

4) процессы сжатия рабочего тела 1 – 2 и расширения 3 – 4 осуществляются адиабатно;

5) процессы подвода и отвода тепла осуществляются по изохорам
2 – 3 и 4 – 1.