Цикл с подводом тепла при постоянном объеме

Называется еще цикл Отто, является теоретическим циклом двигателей с низкой степенью сжатия. Многочисленный класс карбюраторных и газовых двигателей, нашедших широкое распростра­нение в установках на самолетах, автомобилях, на катерах и мотолодках, в маломощных стационарных установках (например, для приведения в действие небольших электродвигателей и т.п.). Впервые построен немецким изобретателем Н.А. Отто в 1876 г. (топливо – горючий газ), а сам цикл был предложен еще в 1862 г. Бо де Роше. В 1879 г. И. С. Костович впервые построил карбюраторный ДВС на легком жидком топливе.

Отличие этого рабочего процесса, идеальный цикл которого изображен на рисунке 16.5, от рабочего процесса двигателя, рассмот­ренного выше, состоит в следующем:

а) в цилиндр засасывается не воздух, а горючая смесь, состоя­щая из топлива и воздуха (или из горючего газа и воздуха);

б ) процесс сжатия 1-2 горючей смеси доводится до меньшего давления, поскольку двигатель работает с меньшей степенью сжатия ( ), и вследствие этого называется работающим с низкой степенью сжатия;

Рис. 16.5. Рабочий процесс

в) вследствие малой в конце процесса сжатия не достигается температура, при которой происходит самовоспламенение горючей смеси; это обусловлено тем, что если в этом двигателе принять для слишком большое значение, то горючая смесь в результате чрезмерного повышения ее температуры может самовоспламениться до того, как поршень дойдет до в.м.т. Такое предварительное воспламенение горючей смеси обусловливает возникновение резких толчков двигателя, опасных для его работы;

г) процесс подвода тепла и увеличения давления происходит в результате зажигания смеси пропускаемой через нее электрической искрой (свеча), что приводит к практически мгновенному сгоранию ее, которому соответствует изохора 2-3;

д) процесс изобарного расширения отсутствует и продукты сгора­ния от состояния, отображенного на рисунках точкой 3, начинают расширяться (в идеале адиабатно) до состояния, отображаемого на диаграммах точкой 4, после чего следует открытие клапана 5 и выпуск в атмосферу продуктов сгорания. После этого процес­сы цикла возобновляются.

В данном случае объемы и совпадают и поэтому .

Для определения характерных точек цикла служат те же уравнения, что и для предыдущего цикла при тех же буквенных обозначениях. Поскольку для данного цикла уравнения (16.16) и (16.17) приобретают соответственно вид

и , (16.19)

и . (16.20)

Тепло в цикле подводится только в изохорном процессе 2-3, сообразно с чем количество его выражается уравнением

, (16.21)

и на рисунке 16.5 изображается площадью 2 – 3 – 3' - 1'.

Количество отведенного тепла определяется по той же формуле, что и в случае цикла Тринклера.

Для определения работы цикла следует поступить также, как и в предыдущем случае.

Термический к.п.д. цикла можно определить, если в уравнении (16.18) положить . Тогда получаем

. (16.22)

Рис. 16.6. Зависимость от и k

Из формулы видно, что цикла тем больше, чем выше степень сжатия и показатель адиабаты k.

Зависимость от и k показана на рисунке 16.6. При малых значениях степе­ни сжатия увеличение вызывает весьма сущест­венное увеличение , тогда как при больших значениях (более 7) возрастание при увеличении оказывается незначительным.

Совершенствование ДВС происходит как раз в направлении увеличения с целью повышения . Если в начале 80-х годов прошлого века в конце сжатия составляло всего 2 – 2,5 бар, то в настоящее время оно достигает уже 6 – 12 бар, а - соответственно 5 – 9 для карбюраторных двигателей и 6 – 10 для газовых двигателей. Практически повышение в двига­телях, работающих по циклу Отто, ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси. Повышение температуры смеси, вызываемое адиабатическим сжатием, нагрева­нием от стенок цилиндра, а также от остаточных газов, при высоких могут привести к самовоспламенению смеси еще в процессе сжатия. Следствием этого будет возникновение большого усилия на поршень и другие детали кривошипно–шатунного меха­низма, что может привести к поломке двигателя, т.к. по линии З'-3 происходит сжатие сгоревшей смеси.

Рис. 16.7. Потери из-за самовоспламенения

Кроме того, создаются условия, когда скорость сгорания сильно возрастает, а процесс сгорания приближается к взрыву. Это явление называется детонацией, оно сопровождается мгновенным повышением давления, приводит к повреждению отдельных деталей, или даже аварии двигателя и резко снижает его экономичность, когда детонация возникает еще в процессе сжатия смеси.

Возникновение совершенно недопустимой детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива. Поэтому для различных топлив имеют различные предельные значения. Для того, чтобы сделать возможной работу двигателя с большими степенями сжатия, приходится идти на применение «бедных смесей», с большим избытком воздуха, а в некоторых случаях добавлять к топливу специальные вещества, называемые антидетонаторы (напр., тетраэтилсвинец), которые повышают детонационную стойкость топлива.

Увеличение цикла сдерживает относительно небольшое максимально допустимое значение температуры . Для обычных бензиновых и керосиновых двигателей во избежание преждевременного воспламенения смеси ; для газовых – до 8.

Рис. 16.8. Pv-диаграмма

Работа этого цикла может быть найдена по зависимости: или как разность работ расширения и сжатия

Иногда работу, полученную за цикл, выражают как произведение объема, описываемого поршнем , на так называемое среднеиндикаторное давление : . представляет собой услов­ное постоянное давление, под действием которого поршень за один ход совершает работу, равную работе, получаемой за четыре такта (площадь abcd равна площади 1234 на рис. 16.8).