Идеальные циклы поршневых двигателей
Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания
Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.
Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.
Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода - вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.
***
Цикл Отто
Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия - в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.
В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.
Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.
Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает "превращаться" в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.
Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.
Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.
***
Цикл Дизеля
Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.
Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе "Л.Нобеля" показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.
Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает "убежать" от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).
Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.
По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.
Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.
Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного ("чистого") дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.
Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по "чистому" циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.
***
Цикл Сабатэ – Тринклера
Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.
В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.
Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).
Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.
Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ - Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.
Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей - 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.
Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.
***
Сравнение эффективности идеальных циклов
Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).
Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.
Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.
Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.
Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.
Здесь отрезки 1–2, 1–2' и 1–2" изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2'–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2"–3' и 3'–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.
Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.
Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.