Индикаторная диаграмма ДВС

Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить на диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь цикл. Такую диаграмму, полученную с помощью специального прибора индикатора, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикаторной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.

На рис. 10.1 изображена индикаторная диаграмма, двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме. В качестве горючего для этих двигателей принимают легкое топливо – бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого крайнего (мертвого) положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, что эта линия не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры рабочего тела не изменяются. При обратном движении поршня всасывающий

Рис. 10.1. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя

c подводом теплоты в процессе v = const

клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси – кривая 1-2 – линия сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого крайнего (мертвого) положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание смеси происходит почти мгновенно, т.е. при постоянном объеме – кривая 2-3 – линия повышения давления. В результате сгорания топлива температура и давление газов резко увеличиваются, (точка3). Затем продукты сгорания расширяются, поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. Кривая 3-4 – линия расширения. В точке 4 открывается всасывающий клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного. При последующем движении поршня в крайнее левое положения из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении несколько большем атмосферного давления. Линия 4-1 – линия выхлопа. Далее цикл повторяется в таком же порядке.

Рассмотренный цикл совершается за четыре хода поршня (такта) за два оборота вала. Такие двигатели называются четырехтактными.

Из описания работы реального двигателя с быстрым сгора-

нием топлива при постоянном объеме видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.д.

Анализ такого цикла сточки зрения тепловых процессов невозможен, а поэтому исследуются не реальные процессы ДВС, а идеальные, обратимые циклы. В качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно малая. Подвод теплоты к рабочему телу происходит от внешних источников, а не за счет сжигания топлива. То же можно сказать об отводе теплоты.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом количества теплоты, состоящий из двух изохор и двух адиабат.

На рис. 10.2-а, б представлен цикл в и диаграммах, который осуществляется следующим образом.

Идеальный газ с начальными параметрами и сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре рабочему телу сообщается количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в начальное состояние, при этом отводится количество теплоты в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления . Определим термический КПД этого цикла, полагая, что удельная теплоемкость и величина постоянны:

Количества подведенной и отведенной теплоты будут равны: , . Тогда термический КПД цикла –

,

Рис. 10.2. Цикл ДВС с подводом теплоты в процессе

а - диаграмма, б - диаграмма

Определим параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:

в точке 2 - , , ;

в точке 3 - , , ;

;

в точке 4 - , ,

и .

Подставляя найденные значения в уравнение для термодинамического КПД цикла, получаем

.

Таким образом, термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты в процессе при

(10.1)

зависит от степени сжатия и показателя адиабаты и увеличивается с возрастанием этих характеристик. От степени повышения давления термический КПД этого цикла не зависит.

На - диаграмме (рис. 10.2-б) КПД определяется отношением соответствующих площадей

.

При равенстве площадей подведенного количества теплоты в двух циклах (), но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, так как в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты, т.е. пл. 61910< пл. 6145.

Исследования показывают, что в ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме нельзя применять высокие степени сжатия из-за возможности преждевременного воспламенения (детонации – взрывное горение). Поэтому, степень сжатия для карбюраторных двигателей изменяется в пределах 4-9.

Теоретическая полезная удельная работа рабочего тела (продуктов сгорания горючего) зависит от взаимного расположения процессов расширения и сжатия. Увеличение средней разности давлений между линиями расширения и сжатия позволяет уменьшить размеры цилиндра двигателя. С учетом среднего давления (высота заштрихованного прямоугольника на рис. 10.2-а), теоретическая полезная удельная работа будет равна

.

Давление называют средним индикаторным давлением (среднее цикловое давление), т.е. это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла.

Для рассматриваемого цикла с подводом теплоты при среднее индикаторное давление будет равно

.

Из приведенной формулы следует, что давление возрастает с увеличением параметров и . С другой стороны теоретическая полезная удельная работа , которую производит рабочее тело за один цикл, равна разности работ расширения и сжатия:

.