Работа всех механических тепловых двигателей включает четыре основных процесса (стадии):

1) компрессия (сжатие);

2) подвод тепла;

3) расширение,

4) отвод тепла.

На рис. 3.4 показаны эти четыре процесса, происходящие в двигателе, рабо­тающем по замкнутому циклу Ренкина. В этом случае процесс расширения про­исходит в турбине или в специальных поршневых механизмах, применявшихся на первых железнодорожных локомотивах.

Паровые двигатели начала XX в. имели эффективность менее 10 %. В результате количество отводимого тепла было огромным: около 9 Дж на каж - ■ їй джоуль полезной работы [см. уравнение (7)].

Для того чтобы не использовать громоздкие конденсаторы, на таких локомоти­вах применялся сброс пара непосредственно в окружающий воздух (рис. 3.5)

В машинах открытого цикла используемая вода не возвращается обратно в цикл. Поэтому в паровозах требовался большой запас воды, который периоди­чески пополнялся на железнодорожных станциях. Размер водяного бака огра­ничивался лишь размерами самого локомотива.

Теплота должна быть подведена в цикл от внешнего источника. Так, напри­мер, в цикле Ренкина используется внешнее сжигание топлива.

Другим примером двигателей открытого цикла является турбина, работающая по циклу Брайтона с внутренним сжиганием топлива, которая нашла широкое применение в авиации (рис. 3.6).

	Подвод
Сжатие	теплоты	Расширение	Возврат теплоты
Воздух —>—Компрессор -	Камера	—1 Турбина	в систему —>
сгорания		Выхлоп
	А Топливо

Рис. 3.6. Цикл Брайтона, используемый в турбореактивных двигателях с открытым циклом

Примеры двигателей, работающих по замкнутому циклу:

паровой двигатель, работающий по циклу Ренкина, двигатель Стирлинга.

Примеры двигателей с открытым циклом:

двигатель Отто (с искровым зажиганием),

двигатель Дизеля (с поджигом топлива за счет компрессии),

двигатель с открытым циклом Брайтона.

Для цикла Ренкина характерно то, что рабочее тело претерпевает изменение агрегатного состояния (пар-жидкость). При этом рабочие тела могут бьггь раз­личными. Для работы при очень низких температурах (например, когда темпера­тура нагрева составляет всего 25 °С, как при использовании океанской тепловой

энергии) в качестве рабочего тела может применяться аммиак. Для работы при меренных температурах, например в случае использования солнечных нагре - зтелей, можно применять фреоны. В паровых машинах, работающих по циклу Ренкина на традиционных электростанциях, где сжигается ископаемое топливо, рабочим телом служит вода, хотя, возможно, эффективнее было бы использо - ать более опасную ртуть.

Паровые двигатели не применяются в автомобилях из-за того, что они нуж­даются в громоздком конденсаторе или в баке с водой. Брайтоновские турбины открытого цикла выводят тепло вместе с рабочим телом и не требуют дополни­тельных устройств для отвода тепла, в результате чего их применяют в авиации. Двигатели, использующие в качестве рабочего тела газ, имеют несколько мо - - фикаций (табл. 3.4). Важнейшей особенностью газовых двигателей является. что для получения высоких значений КПД требуется обеспечить высокие степени сжатия рабочего тела.

В газовых турбинах могут быть два типа компрессоров: осевые и радиальные шентробежные). Ступень центробежного компрессора может обеспечить сте - ень сжатия около 3:1. Поэтому для получения степени сжатия 9:1 потребуется с пользовать две ступени. Недостатком такого типа компрессоров является от - юсительно невысокая эффективность, которая снижается с увеличением числа > следовательно установленных ступеней. Это связано с тем, что в радиальных • мпрессорах требуется изменять направление потока газа при перепуске шгз одной ступени в другую, что сопряжено с высокими газодинамическими герями: значительная часть энергии входящего потока теряется при вих­ре эбразовании.

Осевые компрессоры имеют небольшую степень повышения давления в сту­пи (около 1,2 1), Однако этот недостаток компенсируется последовательной Ьновкой нескольких ступеней с малыми газодинамическими потерями. Так, лшационный газотурбинный двигатель «Тупе» производства компании Rolls - Ro. ce имеет суммарную степень повышения давления 13,5:1. Компрессор этого - мгателя состоит из 15 ступеней, средняя степень повышения в каждой из ко - ых 1,189:1. В случае осевого компрессора потери при переходе потока между пенями минимальны, поскольку выходящий из одной ступени поток сразу поступает в последующую без изменения направления. Одним из недостат - в использования осевых турбин является снижение их эффективности при еньшснии габаритных размеров турбины, что обусловлено увеличением по - >ь. связанных с перетеканием потока через радиальный зазор между лопатками корпусом турбины. По этой причине в газотурбинных двигателях небольшой шности, работающих по циклу Брайтона, используют, как правило, радиаль - компрессоры.

Таблица 3.4. Природа четырех основных стадий в различных типах двигателей Цикл Сжатие Подвод теплоты Расширение Отвод теплоты Карно Адиабата Изотерма Адиабата Изотерма Отто Адиабата Изохора Адиабата Изохора Дизеля Адиабата Изобара Адиабата Изохора Брайтона Адиабата Изобара Адиабата Изобара Стирлинга Изотерма Изохора Изотерма Изохора Эрикссона Изотерма Изобара Изотерма Изобара

Газовые турбины в перспективе можно будет эффективно применять сов­местно с твердооксидными топливными элементами: горячий газ из топливных элементов может быть направлен в газовую турбину для дополнительного сра­батывания его температурного потенциала.

В двигателях, работающих как по циклу Ренкина, так и по циклу Брайтона, каждый из четырех процессов протекает в отдельном устройстве. Компрессор обеспечивает сжатие рабочего тела, турбина — расширение, а подвод теплоты производится в специальной камере сгорания. Таким образом, в этих двигателях можно отдельно проводить оптимизацию каждого из элементов.

В двигателях Отто и дизельных двигателях все основные процессы, за ис­ключением отвода тепла, происходят в одном устройстве (цилиндре). Отвод же теплоты осуществляется в отдельном устройстве. Такая многофункциональность работы цилиндра требует поиска компромиссов в оптимизации всех процессов для получения наибольшей суммарной эффективности.

В то время как в двигателях Ренкина и Брайтона горение осуществляется в непрерывном режиме в камере сгорания, в двигателях Отто и Дизеля оно проис­ходит периодически. При этом, в связи с тем что длительность отдельных про­цессов крайне мала, возможно иметь достаточно высокую температуру горения. Кроме того, теплота сгорания выделяется непосредственно в рабочем теле, а не подводится через теплообменники, что дает несомненное преимущество двигате­лям с внутренним сгоранием по сравнению с двигателями внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, про который более детально будет рас­сказано в конце этой главы, хотя и был разработан давно, но не нашел пока широ­кого применения. По крайней мере, теоретически этот двигатель имеет достаточно большую по сравнению с остальными типами двигателей расчетную эффективность. Он является экологически более чистым, чем двигатель Отто, из-за того что сгорание происходит вне его. Кроме того, поскольку в двигателе Стирлинга не происходит взрывного сгорания, он работает плавнее и бесшумнее других двигателей. Несмотря на то что в данном двигателе используется замкнутый цикл, в связи с высоким КПД двигателя не требуется установки сложного теплоотводящего оборудования.

Цикл Стирлинга сегодня находит практическое применение в холодильной - тнике. И поскольку его рабочими телами являются гелий, водород или воздух, • отшчие от фреоновых холодильных машин он является экологически более

Ч. опасным.

Сравнительные характеристики наиболее популярных тепловых механических s.-гателей приведены в табл. 3.5.

) 4 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ОТТО

В идеальном цикле Отто топливно-воздушная смесь адиабатиче - сж и мается от объема Vl до объема V2. На р, Н-диа грамме, представленной на с. 3.7, этот процесс описывается линией между точками 1 и 2. Так,

Из закона идеального газа

р2У2 = PlVx Т2 7І ’

т _tp2v2_ (vXl

1 'Wr 'Щ) ’

Т2 = т/‘-'

г — степень сжатия V] / V2. Процесс сжатия можно считать адиабатическим, Юльку этот процесс происходит настолько быстро, что теплообмен с ок­лей средой через стенки цилиндра произойти практически не успевает.

Следовательно, затраченная при сжатии работа равна увеличению внутренней энергии газа:

(12»

Ж 3

Цикл Дизеля

3'

2

4

Объем V

Рис. 3.7. р, К-диаграмма цикла Отто

В конечной точке фазы сжатия (точка 2) электрическая искра поджигает рабочую смесь, которая в идеальном случае должна мгновенно сгорать. При этом температура и давление мгновенно увеличиваются и рабочее тело пере­ходит в состояние, изображенное на диаграмме точкой 3. В ходе этого про­цесса (подвод теплоты) объем рабочего тела не меняется. Количество подве­денного тепла

Ql,3 ~ йси № Т2) •

Поведение рабочего тела в процессе расширения аналогично поведению при сжатии:

(14)

Таким образом, при работе двигателя получается полезная работа W34-Wl ■ при подведенной энергии Q2 3. Следовательно, эффективность двигателя

Г3(1-^)-Г2(1-^)

Тз-Т2

Если учесть, что согласно уравнению (11) г1^ = ТА/Т2, соотношение (15) мож - записать как

Из этого следует, что идеальный цикл Отто имеет эффективность, равную эффективности цикла Карно, соответствующего диапазону температур между максимальной «довзрывной» и минимальной температурой двигателя Отто. При эм идеальный цикл Отто никогда не сможет иметь эффективность равную эф - ктивности цикла Карно, соответствующего самой большой и самой низкой мпературе цикла Отто.

80 Бензин Спирт 0 0 4 8 12 lb 20 Степень сжатия, %

Рис. 3.8. Эффективность двигателей Дизеля и Отто в зависимости от степени сжатия

Теоретическая эффективность изображена на рис. 3.8 в зависимости от степе - сжатия рабочего тела. Эффективность двигателя Дизеля ниже, чем двигателя. так как у дизеля сгорание происходит при постоянном давлении (см. плот - ^акрашенную область на рис. 3.7), тогда как при искровом зажигании — постоянном объеме. Поэтому общая площадь цикла на р, К-диаграмме у дви - :я Дизеля будет меньше, чем у двигателя Отто. Идеальная эффективность теля Дизеля определяется как

(17)

= V3/V2 (см. рис. 3.7) — так называемый коэффициент спрямления, или нь расширения в течение периода сгорания.

На практике дизельные двигатели тем не менее имеют большую эффектиь ность, чем двигатели Отто, поскольку последние работают с меньшей степенью сжатия во избежание детонации (см. § 3.6).

Эффективность может быть увеличена следующим образом:

1) путем повышения у;

2) путем повышения степени сжатия.

Так как у у воздуха больше, чем у паров топлива, то работа на обедненної смеси будет более эффективна. Негативный момент использования обедненной смеси состоит в том, что ее сгорание протекает медленнее, чем сгорание обо­гащенной смеси. Если же смесь будет очень бедной, то сгорание может статт нестабильным, а работа двигателя неустойчивой, в результате увеличится веро­ятность возникновения обратной вспышки на выхлопе.

Стехиометрическое соотношение топливно-воздушной смеси для бензин равно 14,7:1. Однако максимальная мощность достигается при сильно обоп - щенной смеси с соотношением от 12:1 до 13:1, тогда как максимальный КПД реализуется для относительно бедной смеси с соотношением топливо/возд от 16:1 до 18:1. В двигателях со стратифицированным горением реализуется им тересный компромисс: при тангенциальном впрыске топлива и воздуха в ци­линдр обогащенная смесь за счет действия центробежных сил образуется стенок цилиндра, а более бедная — у оси. Горение инициируется у стенок далее распространяется к центру цилиндра. Таким образом, для обедненной в среднем смеси достигается высокий КПД двигателя и решается проблем устойчивого горения топлива.

Как мы узнаем позже, при работе двигателя Отто топливная смесь име верхнее ограничение степени сжатия. При большой степени сжатия возможг возникновение детонационного режима воспламенения топливной смеси, ос бенно при ускорении двигателя. Степени сжатия, при которых двигатель може ускоряться без детонации, настолько малы, что применять такое сжатие при рз боте двигателя на стационарных режимах оказывается неэффективно. Решен проблемы обеспечивается путем автоматической задержки момента искрово зажигания во время ускорения двигателя. Искусный метод варьирования степе ни сжатия был придуман в корпорации Daimler-Benz. Цилиндр в этом случ имеет два поршня. Один, как обычно, с помощью кривошипно-шатунного ме ханизма соединен с главным валом, а второй находится в цилиндре в свободно: положении над первым. Между этими поршнями впрыскивается необходим количество топлива, чтобы изменить объем между ними и обеспечить заданнч степень сжатия в каждый конкретный момент.

Рассмотрим бензиновый двигатель со степенью сжатия 9:1, в котором испол зуется топливно-воздушная смесь с у = 1,3. Его теоретическая эффективное будет равна примерно 50 %.

Рис. 3.9. Потери в компонентах автомобиля с искровым зажиганием смеси и распределение затрат энергии. Степень сжатия двигателя 9:1, топливно-воздушная смесь имеет у= 1,3. Теоретический (идеальный) КПД двигателя 50 %. После учета всех потерь конечная эффективность работы двигателя с сопутствующим оборудованием составляет менее 18 %.

Реальный КПД двигателя отличается от теоретического по следующим при­чинам:

1. Горение происходит недостаточно быстро. Сгорание топлива происходи не при постоянном объеме. С другой стороны, в дизеле горение реальн протекает не при постоянном давлении, а при его некотором росте.

2. Имеют место тепловые потери через стенки цилиндра и через соедини тельные элементы поршня. Таким образом, тепло, выделяемое при горе нии, передается рабочему телу не полностью, а лишь частично. Ведущиеся конструкторские разработки направлены на снижение этих тепловых п терь с тем, чтобы максимально приблизить процесс к адиабатическому.

Как правило, влияние перечисленных факторов приводит к снижению КГі реального двигателя до 80 % теоретического, т. е. реальный КПД описашкг выше двигателя будет около 40 %.

Увеличение эффективности работы двигателя возможно за счет:

1) увеличения степени сжатия;

2) ускорения процесса полного сжигания топлива;

3) по возможности обеднения топливно-воздушной смеси;

4) уменьшения тепловых потерь в цилиндрах.

Кроме того, существует ряд потерь, связанных с трением движущихся элементе двигателя (трение скольжения) и с газодинамическим трением рабочего тела. Треш скольжения можно уменьшить конструктивными методами, используя ПОДХОДЯЩ материалы и специальную смазку. Газодинамические потери могут быть умев шены путем грамотного проектирования систем подачи и отвода рабочего те Например, эти потери могут быть уменьшены увеличением числа подводяь и отводящих клапанов (отсюда все более широкое применение находят двигате. с четырьмя клапанами на цилиндре). Мощность двигателя частично можно ре. лировать путем изменения длительности открытия впускных клапанов с уменья нием газодинамических потерь на входе. Ведется разработка специальных эле к ронных систем подавления шума, которые позволят избавиться от традиционнг автомобильных глушителей, благодаря чему выхлоп отработавших газов буд. осуществляться с лучшими газодинамическими характеристиками.

Ведется борьба за повышение эффективности каждого компонента а втом ] биля, влияющего на интегральную эффективность двигателя в целом. Одни из таких ключевых компонентов являются генератор, водяной насос, вентил тор радиаторной системы и др. В современных автомобилях на работу этих с тройств может уходить до половины всей вырабатываемой двигателем энергг Поэтому специально разрабатываемые системы автоматического управлені включают эти устройства только тогда, когда это необходимо. В старых же авт мобилях они работают непрерывно. До 20 % энергии может уходить на обеег. г

чение работы кондиционера, усилителя руля, автоматической трансмиссии и пр. Эффективность последней составляет около 90 %. С учетом потерь и затрат на обеспечение комфорта, удобства управления и на другие «собственные нужды» непосредственно на движение автомобиля в среднем расходуется лишь до 18 % энергии сжигаемого топлива.