8.1. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используется цикл Карно.

Требования идеального цикла Карно не выполняет ни один из известных циклов (Отто, Дизеля, Ранкина, Стерлинга). Из анализа цикла Карно следует, что КПД термодинамического цикла зависит от разницы между максимальной температурой Т₁ и минимальной температурой Т₂. Так как температура Т₂ может быть в самом крайнем случае температурой окружающей среды, то КПД термодинамического цикла никогда не достигнет 100 %.

Сжигание топлива непосредственно в цилиндре позволяет достичь максимальной разницы между температурами Т₁ и Т₂. Паровой двигатель или турбина никогда не смогут достичь КПД двигателя внутреннего сгорания, что и проявляется в удельном расходе ими топлива.

При сравнении циклов тепловых двигателей применяются три их типа, отличающиеся процессом изменения давления и температуры газа в цилиндре:

цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ);

цикл с подводом теплоты при постоянном давлении и изменяющемся объеме;

цикл со смешанным подводом теплоты, т. е. подводом сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.

В цилиндрах тепловых двигателей происходят изменения состояния газа, среди которых для сравнения наиболее важны следующие:

адиабатические сжатие и расширение, при которых теплота через стенки цилиндра не подводится к газу и не отводится от него;

изотермические сжатие и расширение, при которых температура газа остается постоянной;

политропное сжатие и расширение, характеризуемое как теплоподводом к газу, так и теплоотдачей газа в течение процесса.

Примером политропного процесса является такт сжатия двигателя внутреннего сгорания. В начале этого такта теплота к поступившему при впуске холодному газу подводится от горячих стенок цилиндра, а в конце такта газ, нагретый в результате сжатия до температуры, превышающей температуру стенок цилиндра, уже отдает теплоту стенкам цилиндра.

В случае идеальных термодинамических циклов предполагается, что теплообмена со стенками цилиндра нет, т. е. процессы носят адиабатический характер.

В качестве первого примера рассмотрим цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, к которому довольно близок действительный цикл работы бензинового двигателя. Этот цикл представлен на рис. 41, где показано изменение давления р в цилиндре в зависимости от объема газа V. Для наглядности в нижней части рисунка схематически изображен цилиндр с поршнем. Диаметр цилиндра D, ход поршня Z. Пунктиром показано верхнее (ВМТ) и нижнее (НМТ) положения поршня. Объем камеры сгорания - V₂, а степень сжатия

Рис. 41. p-V и T-S - диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Q_p и отводимой Q₀ теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

Начнем наблюдать за ходом цикла на рис. 41 от точки 1, соответствующей нижнему положению (НМТ) поршня. При его движении вверх происходит адиабатическое сжатие вплоть до точки 2, соответствующей верхнему положению (ВМТ) поршня. От точки 2 до точки 3 при неподвижном поршне к газу подводится теплота Q_0V и давление газа растет. От точки 3 поршень передвигается к точке 4 (НМТ) и происходит адиабатическое расширение. На участке от точки 4 до точки 1 при неподвижном поршне теплота Q0V от газа отводится к стенкам цилиндра. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы обозначает выполненную работу А_t.

Кроме описанной р-V - диаграммы на рис. 41 изображен тот же цикл в координатах температура Т - энтропия S.

Для нашего анализа достаточно определить, что понимается под величинами энтропии S. Энтропию невозможно измерить прямым путем, поэтому условимся, что если к веществу подводится теплота, энтропия растет, а при отводе от него теплоты - уменьшается. Диаграммы в координатах Т-S будут служить лишь для сравнения с циклом Карно, представляющим максимально достижимый по эффективности цикл.

Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 42. Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения. Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре при сгорании почти постоянным.

По сравнению с предыдущим рисунком диаграмма на рис. 42 отличается тем, что после завершения хода сжатия в точке 2 впрыск топлива происходит при уже начавшемся ходе расширения таким образом, чтобы давление газов при сгорании оставалось постоянным вплоть до точки 3, после которой начинается адиабатическое расширение.

Рис. 42. p-V- и T-S - диаграммы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

В действительности подвод теплоты не протекает лишь при постоянном объеме или только при постоянном давлении. К реальным условиям ближе всего цикл со смешанным подводом теплоты, изображенный на рис. 43. В этом случае подвод теплоты начинается в точке 2 после завершения сжатия, и количество теплоты Q_pV подводится при постоянном объеме до точки 2, 3, а дальнейшее ее поступление в количестве Q_pp происходит при постоянном давлении вплоть до точки 3. После этого от точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение.

Рис. 43. p-V- и Т-S - диаграммы цикла со смешанным подводом теплоты

Описанные выше термодинамические циклы в действительности не выдерживаются. Для сравнения приведем еще цикл Карно (рис. 44), обеспечивающий максимальное использование подводимой теплоты. Этот цикл начинается, как и другие, с адиабатического сжатия от точки 1 до точки 2. На диаграмме Т - S это адиабатическое сжатие изображено вертикальной прямой, так как энтропия при этом не изменяется, а повышается только температура от Т₂ до Т₁. В точке 2 начинается изотермический подвод теплоты, продолжающийся до точки 3. Так как температура не изменяется, то, следовательно, должен увеличиваться объем. На диаграмме Т - S этот процесс изображен горизонтальной прямой при постоянной температуре Т₁. Энтропия газа на этом участке увеличивается.

Рис. 44. p-V и T-S - диаграммы цикла Карню

От точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение, изображенное на диаграмме Т - S вертикальным отрезком 3-4. Затем следует отвод теплоты при постоянной температуре до точки 1. Работа, выполненная в этом цикле, на T - S-диаграмме показана прямоугольником 1-2-3-4 и представляет собой максимально возможное использование теплоты в диапазоне температур от Т₁ до Т₂. Однако реализовать на практике такой цикл невозможно.

В двигателе внутреннего сгорания после расширения газов из цилиндра вместе с ними отводится и содержащаяся в них теплота. В цилиндр затем поступает холодный воздух из окружающей атмосферы. У четырехтактного двигателя это достигается прибавлением такта выпуска и такта впуска, а у двухтактного - продувкой цилиндра при положении поршня в НМТ.

У газотурбинного двигателя сжатие и расширение газа протекает во вращающихся компрессоре и турбине. Давление газа в камере сгорания, если пренебречь потерями от завихрений, почти не меняется, так что давление на выходе компрессора практически равно давлению на входе турбины. Подробнее об этом будет рассказано в 14.3.

Двигатель Стерлинга относится к двигателям с внешним сгоранием. Рабочее тело (воздух) получает теплоту не за счет прямого сгорания топлива в рабочем цилиндре, а путем ее подвода извне через стенки. Подробнее это будет рассмотрено в 14.4. Цикл со смешанным подводом теплоты (см. рис. 43) может служить и для оценки двигателя Стирлинга с тем исключением, что часть отводимой теплоты Q₀ при использовании регенератора снова возвращается в общее количество подводимой теплоты Q_p.

Изменение давления в цилиндре реального двигателя существенно отличается от изменения давлений в термодинамическом цикле. Это вызвано тем, что сгорание топлива не происходит только в момент нахождения поршня в ВМТ или при постоянном давлении в начале хода расширения. Выпускные каналы открываются раньше, чем поршень достигает НМТ, и поэтому давление перед ней уже ниже того, которое было бы в НМТ поршня при закрытом канале. Сжатие также начинается лишь после закрытия впускного клапана, т. е. после НМТ. Однако для четырехтактных двигателей в представленных выше диаграммах термодинамических циклов не изображены процессы изменения давления при тактах впуска и выпуска, из-за наличия которых углы термодинамических циклов в действительных рабочих циклах значительно скруглены вблизи ВМТ и НМТ.

Поскольку в этой книге рассматривается только один практический вопрос - снижение расхода топлива при условии обеспечения эффективного и экономичного функционирования автомобиля, выше были изложены лишь основные принципы, необходимые для понимания циклов работы двигателей.

Для привода автомобиля ранее применялся паровой двигатель, о котором конструкторы не забывают и сегодня. Поэтому кратко поясним принципы работы паросиловой установки по циклу Ранкина.

Схема такой установки изображена на рис. 45. В паровом котле 1 вода нагревается до точки кипения, а насыщенный пар поступает к пароперегревателю 2, в котором температура пара увеличивается. Перегретый пар далее поступает в паровой двигатель 3, цилиндр которого снабжен тепловой изоляцией, где происходит адиабатическое расширение пара и за счет этого совершается работа. Отработанный пар из двигателя поступает в конденсатор 4, где конденсируется в воду. Вода из конденсатора при помощи питающего насоса 5 снова возвращается в паровой котел.

Рис. 45. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина: 1 - паровой котел; 2 - перегреватель; 3 - паровой двигатель; 4 - конденсатор; 5 - питающий насос

Полезная работа парового двигателя определяется разницей работ, совершаемых собственно паровой машиной и питающим насосом. Так как объем воды, подаваемой насосом в котел, незначителен по сравнению с объемом пара, выходящего из котла при постоянном давлении, то при низких значениях давления работа этого насоса весьма мала и ее можно не учитывать. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где процесс сгорания топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, паровой двигатель не имеет камеры сжатия (сгорания). Это явный выигрыш, поскольку камера сжатия - вредное пространство, которое должно быть минимальным.

Отрицательное свойство парового двигателя состоит в том, что теплота к рабочему телу подводится через металлическую стенку, которая должна иметь высокую термостойкость и прочность. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы работают под давлением выше 10 МПа и при температуре пара 470 °С, величина температуры рабочего тела остается почти на 2000 °С меньше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Минимальная температура Т₂ может быть у сравниваемых циклов одинаковой, так как это практически температура окружающего воздуха. У парового двигателя с конденсатором легко достижимо значение Т₂ = 40 °С.

У хорошей паровой турбины КПД составляет примерно 34 % в сравнении с 40 % у двигателя внутреннего сгорания. Однако при использовании паровой турбины необходимо учитывать, что КПД котла составляет примерно 85 % , так что общий КПД паровой турбины в целом падает до 28,9 %. Топливо для котла дешевле нефтяных моторных топлив, так как в качестве него может использоваться уголь. Теплотворная способность угля, правда, меньше, чем нефти, однако если в качестве котельного топлива используют природный газ или мазут, то разница в затратах по сравнению с углем невелика.

У двигателя внутреннего сгорания отработавшие газы имеют в конце процесса расширения температуру выше 1000 °С, но использовать их теплоту путем дальнейшего расширения в поршневом двигателе очень трудно.

Перевод газа с температурой 1000 °С из одного двигателя в другой связан с большими тепловыми потерями и техническими трудностями. В частности, поршневой двигатель с классическим кривошипным механизмом для дальнейшего расширения отработавших газов с такой температурой непригоден вследствие его размеров и массы.

Для использования энергии большого количества отработавших газов со сравнительно низким давлением наиболее пригодна газовая турбина. Она обычно и применяется для повторного цикла расширения газов и служит при этом либо для привода центробежного компрессора, подающего воздух в двигатель (двигатели с газотурбинным наддувом), либо передает свою мощность (например, через 'зубчатую передачу) непосредственно на коленчатый вал двигателя (так называемый турбокомпаундный двигатель).

Для использования теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания может быть применен и цикл Ранкина. Отработавшие газы нагревают жидкость (например, фреон), пары которой поступают в роторный двигатель. Этот двигатель имеет меньшие размеры и лучше сбалансирован, чем поршневой с кривошипным механизмом.

Конструкция такой комбинированной силовой установки (рис. 46 и 47) уже испытывается. Однако следует учитывать, что в ней можно использовать лишь некоторую часть энергии отработавших газов, соответствующую КПД цикла Ранкина.

Рис. 46. Комбинированная силовая установка: 1 - двигатель внутреннего сгорания; 2 - роторный двигатель на фреоне; 3 - ротор; 4 - вращающийся впускной золотник; 5 - тарельчатый выпускной клапан; 6 - выпускная труба

Рис. 47. Схема комбинированной силовой установки: 1 - двигатель внутреннего сгорания; 2 - выпускная труба; 3 - теплообменник 'отработавшие газы - фреон'; 4 - насос подачи фреона; 5 - дроссельный клапан подачи паров фреона; 6 - роторный двигатель на фреоне; 7 - муфта свободного хода; 8 - теплообменник 'фреон-вода'; 9 - бак с фреоном; 10 - водяной насос двигателя; 11 - радиатор двигателя; 12 - конденсатор воды из отработавших газов двигателя

Кроме описанной схемы с роторным двигателем на фреоне, известны также испытания комбинированной установки, состоявшей из двигателя внутреннего сгорания фирмы "Мак" (США) с турбонаддувом мощностью 212 кВт и паровой турбины, пар в которую поступал из котла, нагреваемого теплотой отработавших газов двигателя. Установленный на грузовом автомобиле для магистральных перевозок двигатель "Мак" работает большей частью с полной мощностью и потому наиболее пригоден для использования теплоты отработавших газов. Паровая турбина, в опытах развила мощность 40 кВт, что соответствовало повышению мощности и, следовательно, экономичности установки на 19 %.