16. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Цикл Карно служит эталоном, к которому необходимо стремится при создании реальных машин. Однако в реальных условиях невозможно осуществить изотермические процессы расширения и сжатия, поэтому в основу работы реальных двигателей положе­ны другие циклы.

Тепловые поршневые машины, использующие в качестве рабочих тел продукты сгорания жидких и газообразных топлив, сжигаемых внутри цилиндра, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС). ДВС предшествовали паровые машины, причем в них применялся пар сравнительно невысоких давлений и темпера­тур, что приводило к низким к.п.д. паровых установок. В паро­вых машинах тепло подводится к рабочему телу вне цилиндра.

Идея создания ДВС одним из первых была высказана С. Карно.

Их разделяют на поршневые двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели.

Процесс сгорания топлива внутри цилиндра или в специальных камерах сгорания является необратимым. Кроме того, работа реальных ДВС и ГТ сопровождается трением, лучеиспусканием, потерями теплоты в окружающую среду; химические свойства и количество рабочего тела на всех стадиях кругового процесса меняются. Мы рассмотрим циклы, являющиеся идеализацией действительных процессов, протекающих в реальных двигателях. Сущность идеализации состоит в том, что действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами идеальных газов, что дает возможность использовать при их анализе необходимые закономерности, полученные нами ранее, в расчет же вводятся различные поправочные коэффициенты.

ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей.

Во-первых, компактность, как следствие того, что источник тепла находится внутри двигателя и, следовательно, нет необ­ходимости в больших теплообменных поверхностях.

Во-вторых, значительное превышение известных предельных величин непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, т.к. тепловыделение идет в объеме самого рабочего тела и, кроме того, стенки цилиндра и головки блока цилиндров имеют принудительное охлаждение.

Рис. 16.1. Работа поршневых ДВС

Работа поршневых ДВС совершается в результате того, что возвратно-поступательное движение поршня 2, совершаемое им в цилиндре 1 двигателя, при помощи шатуна 6, колена 7 и вала 8 преобразуется во вращательное движение этого вала. Создаваемый на этом валу крутящий момент используется для вращения рабочих элементов механизма (электродвигателя или машины), соединенного с ДВС, или передается на трансмиссию.

Поршень совершает возвратно-поступательное движение в результате давления, оказываемого на него продуктами сгора­ния вводимого в цилиндр газового или мелко-распыленного жидкого топлива, отталкивающими при расширении поршень по направ­лению к валу, и под действием надетого на вал двигателя махо­вика, силы инерции которого заставляют поршень возвращаться в исходное положение.

Крайние положения поршня называют мертвыми точками: верхней мертвой точкой (в. М. т.) у крышки 3 цилиндра и нижней мертвой точкой (н. м. т.) в противоположном конце. Объем цилиндра двигателя, ограниченный с одной стороны крышкой, а с другой – поршнем, находящимся в в. М. т., называют объемом камеры сжатия. Все существующие поршневые ДВС разделены на две основные группы по типу идеального цикла:

1) ДВС, для которых идеальным является цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты;

2) ДВС, для которых идеальным является цикл с изохорным под­водом теплоты.

Кроме того принято рассматривать еще идеальный цикл с изобарным подводом теплоты.