Идеальные термодинамические процессы ДВС

Идеальными термодинамическими процессами являются циклические процессы, согласно которым работал бы идеальный двигатель. С помощью данных процессов можно с точки зрения их экономичности судить о различных способах работы двигателя. Используя один или несколько термодинамических процессов, возможно моделировать отдельные такты работы двигателя с учетом желаемой точности и рассчитанного расхода топлива, а затем сравнивать результат с реальным процессом. Так как речь идет о циклическом тепловом процессе, при его моделировании необходимо рассчитывать обычные изменения параметров работы, таких, как компрессия, подвод и отведение теплоты, расширение рабочего тела. При этом в большинстве двигателей подвод теплоты осуществляется посредством сгорания топлива в смеси с воздухом, а отведение теплоты — путем вывода из цилиндров отработавших газов и впуска свежего заряда воздуха либо топливо-воздушной смеси.

Коэффициент избытка воздуха является самой важной величиной для процесса сгорания, влияющей на коэффициент полезного действия двигателя. Целью расчета является оценка влияния на экономичность работы двигателя изменений в его конструкции или технологическом процессе. Таким образом, идеальные термодинамические процессы используются при выборе принципа работы будущего двигателя и его конструкции.

Рис. 3.4. Термодинамический процесс

• 1—2: изоэнтропийное сжатие;
• 2—3: подвод теплоты при постоянном объеме, сгорание при постоянном объеме (изохорический подвод теплоты);
• 3—4: подвод теплоты при постоянном давлении, сгорание при постоянном давлении (изобарный подвод теплоты);
• 4—5: изоэнтропийное расширение;
• 5—1: отведение теплоты при постоянном объеме.

Термический коэффициент полезного действия

Термический коэффициент полезного действия — это отношение эффективной мощности к подведенной мощности всего двигателя:

Ф_n — полезная теплота на единицу времени;
Ф_z — подведенная теплота на единицу времени;
Ф_a — отведенная теплота на единицу времени.

Вышеуказанная формула служит для определения термического коэффициента полезного действия, но для его расчета она все же не подходит.

Ниже будет выведена формула определения термического коэффициента полезного действия сначала для всех процессов, а затем для процесса сгорания при постоянном объеме.

Подводимая теплота из расчета на один рабочий цикл состоит из двух составляющих:

Подвод теплоты при постоянном значении V:

m — масса газа из расчета на один рабочий цикл;

c_v, c_p — удельная теплоемкость.

Для облечения расчета, опускаем зависимость от температуры и не учитываем диссоциацию рабочего тела. Если вводить изоэнтропийную экспоненту, то формула для нее будет выглядеть следующим образом:

Для дальнейшего выведения формулы используются следующие величины.

1. Степень сжатия:

2. Степень повышения давления:

3. Степень предварительного расширения газа:

Для изоэнтропийного сжатия 1-2 (рис. 3.4) используется следующая формула:

С помощью вышеуказанных соотношений можно вычислить количество теплоты, подводимой на каждый рабочий цикл:

Количество теплоты, отводимой на каждый рабочий цикл, высчитывается так:

Тогда теплота, отводимая на каждый рабочий цикл, составляет:

Формулу для термического коэффициента полезного действия всего идеального термодинамического цикла можно вывести из вышеуказанных уравнений. При этом вместо тепловых потоков указывается количество теплоты на рабочий цикл.

В случае с исключительным подводом теплоты при постоянном объеме ψ=1 получаем на основе уравнения 3.18:

и при указанной степени сжатия максимальный коэффициент полезного действия составит:

• все параметры должны быть такими же, как и в настоящем двигателе;
• в цилиндре находится чистый заряд воздуха или топливовоздушной смеси и нет остаточного газа от предыдущего рабочего цикла;
• коэффициент избытка воздуха λ должен быть таким же, как и в настоящем двигателе;
• топливо сгорает полностью (при λ > 1);
• сгорание происходит согласно термодинамическим закономерностям и может быть смоделировано посредством подвода теплоты при постоянном давлении и постоянном объеме. При этом оба предельных случая «подвод теплоты только при постоянном давлении (изобарический процесс)» и «подвод теплоты только при постоянном объеме (изохорный процесс)» известны как процессы Дизеля и Отто;
• отсутствие теплообмена между рабочим телом и окружающими стенками цилиндра во время тактов сжатия и рабочего хода. При этом данные такты доступны для простого расчета изоэнтропийного изменения состояния;
• такты впуска и выпуска представляют собой отвод теплоты; при этом предполагается, что при впуске в цилиндр рабочего тела и выпуске отработавших газов не возникают гидравлические потери;
• во время рабочего цикла не возникают утечки газа вследствие негерметичности;
• рабочее тело является не идеальным, а реальным газом. Это означает, что удельная теплоемкость изменяется в зависимости от температуры, и при высокой температуре происходит диссоциация рабочего тела (распад молекул на атомы).

В этом случае коэффициент полезного действия будет слишком высоким, но все же можно определить его изменения сообразно циклическому процессу. Разумеется, зависимость коэффициента полезного действия от коэффициента избытка воздуха нельзя доказать точно. На рис. 3.5 представлены кривые коэффициента полезного действия, который определялся согласно данным видам расчетов.

Рис. 3.5. Кривые коэффициента полезного действия для идеального двигателя внутреннего сгорания (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме)

Процесс сгорания и топливо

Так как подвод теплоты происходит при сгорании топлива, параметры процесса сгорания и используемое топливо являются решающими факторами для подвода теплоты и, как следствие, для обеспечения оптимального коэффициента полезного действия работы двигателя. В рамках термодинамического упрощения, выполненного ранее, в отношении распределения подвода теплоты (подвод при постоянном объеме или подвод при постоянном давлении), тип сгорания топлива определяет значимость отдельных составляющих общего подвода теплоты. В основном необходимо отметить следующее:

Чем выше температура кипения топлива и чем меньше степень обогащения топливовоздушной смеси, тем дольше происходит процесс горения топлива.

При этом подвод теплоты при постоянном давлении увеличивается, так как поршень, как правило, двигается вниз, в то время, как смесь еще горит. Так как при одинаковой степени сжатия коэффициент полезного действия при увеличении доли изобарического подвода теплоты понижается по отношению к изохорному подводу теплоты, желательным было бы усовершенствованное приготовление топливовоздушной смеси для обеспечения быстрого изохорного сгорания. С другой стороны, для усовершенствованного приготовления смеси требуется склонность топлива к неконтролируемому сгоранию при высоких степенях сжатия, отчего степень сжатия должна понижаться за счет коэффициента полезного действия.

В теории различают три основных типа сгорания смеси, которые должны оцениваться по-разному (рис. З.б).

Рис. 3.6. Схемы типов сгорания топливовоздушной смеси

□ Однородное сгорание: топливовоздушная смесь, равномерно распределенная в камере сгорания, сгорает одновременно, начиная от центров самовоспламенения;

□ сгорание с предварительным смешиванием с фронтом пламени: такая же равномерно распределенная однородная смесь сгорает, начиная от источника воспламенения, через фронт пламени, который распространяется в камере сгорания. Данный тип сгорания является типичным для двигателей с принудительным искровым зажиганием (бензиновых). Так как смесь воспламеняется принудительно, следует исключить самовоспламенение, а топливо должно быть трудновоспламеняющимся и иметь низкую температуру кипения для приготовления хорошей горючей смеси;

□ диффузионное сгорание: в данном случае, в то время как одна часть топлива уже сгорает, происходит расширение объема газа, вызванное диффузией, и последующее сгорание остальной части топлива. Данный тип сгорания типичен для дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива, которое впрыскивается в уже существующее пламя. Необходимо, чтобы топливо обладало высокой температурой кипения и было легковоспламеняющимся, что является типичным для дизельного топлива.

На сегодняшний день бензин и дизельное топливо в большинстве случаев являются минеральными.

Отведение специальных циклических процессов

Из всего вышесказанного следует, что бензиновый двигатель с принудительным зажиганием имеет сравнительно низкую степень сжатия, но при этом, из-за наличия пламени после предварительного смешивания топлива с воздухом, обеспечивает более выгодное термодинамически сгорание при постоянном объеме.

Напротив, дизельный двигатель имеет более высокую степень сжатия, так как топливо впрыскивается только в конце такта сжатия воздуха в цилиндре. Из-за этого диффузионное сгорание происходит медленнее, так что в классическом дизельном двигателе доля сгорания при постоянном давлении, менее выгодного термодинамически, преобладает благодаря движению поршня вниз. Так как в целом преимущество более высокой степени сжатия превышает недостаток большей доли сгорания при постоянном объеме, классические дизельные двигатели позволяют достичь более высокого термодинамического коэффициента полезного действия в отличие от бензиновых двигателей.

Дальнейшее улучшение процесса работы дизельного двигателя достигается с помощью турбонагнетателя, приводимого в действие потоком отработавших газов. Благодаря этому удается увеличить количество подаваемого в цилиндр воздуха при неизменном рабочем объеме и, таким образом, повысить удельную мощность двигателя. Конечная температура при сжатии, возрастающая при увеличении количества воздуха в цилиндре, не является критичной в дизельном двигателе с точки зрения процесса его работы, так она не может привести к преждевременному воспламенению, как в бензиновом двигателе, в котором используется горючая топливовоздушная смесь.

При использовании непосредственного впрыска топлива в бензиновом двигателе также можно увеличить степень сжатия или использовать эффект турбонаддува даже при слегка сниженной степени сжатия. Этого можно достичь посредством внутреннего охлаждения с одновременным испарением жидкого впрыскиваемого топлива, что снижает опасность преждевременного и неконтролируемого сгорания смеси.

С увеличением степени сжатия повышается термический коэффициент полезного действия. При использовании турбонаддува в бензиновом двигателе достигается постоянный термический коэффициент полезного действия при повышенной мощности двигателя. Это позволяет заменить двигатели с большим рабочим объемом, которые сильно задросселированы в режимах частичной нагрузки и работают с неоптимальным коэффициентом полезного действия, на двигатели с меньшим рабочим объемом, которые при приблизительно одинаковой номинальной мощности имеют незначительные дроссельные потери в режимах частичной нагрузки. Данная концепция известна также как Downsizing (уменьшение габаритов).

Процесс однородного сгорания пока не удается использовать в серийных моторах. До сих пор для дизельных двигателей выбираются пути стабилизации процесса сгорания посредством понижения степени сжатия и рециркуляции отработавших газов. Равномерно распределенные горячие отработавшие газы служат, вследствие своей высокой температуры, инициатором последующего воспламенения в камере сгорания. После этого они поддерживают начинающееся горение, поскольку при этом выделяется меньше теплоты. Целью является необходимость повлиять на температуру сжатия воздуха посредством точного добавления количества отработавших газов таким образом, чтобы сделать возможным безопасное возгорание смеси в желаемый момент — в том числе без хорошо управляемого впрыскивания топлива. Необходимо учитывать тот факт, что с помощью данных мер и многократных впрыскиваний, типичных для современных дизельных двигателей, классический процесс работы дизельного двигателя приближается к процессу работы бензинового двигателя, в котором доля сгорания при постоянном объеме увеличивается и составляет весь процесс подвода теплоты.

С другой стороны, в современных бензиновых двигателях благодаря непосредственному впрыску топлива уменьшается опасность преждевременного воспламенения смеси благодаря внутреннему охлаждению, связанному с испарением топлива. При использовании непосредственного впрыска топлива во время такта сжатия можно вызвать расслоение смеси непосредственно в зоне свечи зажигания. Расслоение смеси должно происходить благодаря конструктивному исполнению днища поршня или посредством подачи топлива через насадку на форсунке в виде капель таким образом, чтобы вблизи свечи зажигания располагалась относительно насыщенная легковоспламеняющаяся смесь. В этом случае инициируемое свечой зажигания воспламенение уже не имеет исключительно взрывной тип, наоборот, возрастает составляющая, типичная для диффузионного пламени. При этом способ сгорания смеси в современном бензиновом двигателе приближается к способу сгорания смеси в дизельных двигателях.

С непосредственным впрыском топлива и расслоением горючей смеси связано использование отработавших газов. В данном случае нейтрализация отработавших газов, допустимая для случая λ=1, оказывается невозможной по причине использования на автомобиле катализатора в системе выпуска.

В бензиновом двигателе однородный способ сжигания смеси также достигается посредством высокой скорости рециркуляции отработавших газов. Точное управление скоростью рециркуляции отработавших газов является одной из самых сложных проблем, особенно при неустойчивой работе двигателя. Возрастающий шум, возникающий в процессе сгорания, и высокие предельные значения давления также должны учитываться при разработке.

В целом, плохая работа двигателя по этим причинам ограничивается до максимальных средних нагрузок и частот вращения коленчатого вала.

https://www.peugeotbook.ru/reading/engines/display/idealnye-termodinamicheskie-processy-dvs