§ 135. Процессы в двигателях внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания вошли в употребление в последние два десятилетия XIX в. вхема работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания пояснена на рис. 275. Горючая смесь топлива с воздухом засасывается в цилиндр двигателя через карбюратор и в нужный момент воспламеняется электрической искрой или же жидкое топливо через форсунку впрыскивается под большим давлением в рабочий цилиндр в процессе сжатия воздуха и там самовоспламеняется от высокой температуры воздуха (чтобы обеспечить хорошее распыление, впрыскивание топлива производят под давлением в несколько сотен атмосфер).

Рис. 275. Схзма работы четырехтактного двигателя.

Наряду с четырехтактными двигателями с начала XX в. стали применять двухтактные двигатели, принцип устройства которых пояснен на рис. 276. В двухтактных двигателях полость, в которой происходит движение кривошипа, устраивается герметичной; эту полость называют кривошипной камерой. Во время рабочего хода поршень, толкаемый расширяющимися продуктами сгорания, часть производимой работы затрачивает на сжатие воздуха в кривошипной камере. В некоторый момент при движении поршня вправо (согласно рис. 276) левый край поршня подходит к имеющемуся в стенке цилиндра отверстию «выхлопному окну». При дальнейшем движении поршня отработавшие газы вырываются через это выхлопное окно, и давление в цилиндре падает. Несколько позже, при

движении поршня в том же направлении, левый край поршня открывает «продувочное окно»; сжатый воздух из кривошипной камеры устремляется через продувочное окно в цилиндр и вытесняет из цилиндра остатки отработавших продуктов сгорания. Освобождение цилиндра от отработавших продуктов сгорания и заполнение его свежим воздухом продолжается до прихода поршня в правую «мертвую» точку и на обратном пути его до момента перекрытия выхлопного окна. После этого происходит сжатие, продолжающееся до прихода поршня в левую «мертвую» точку; сгорает новая порция топлива, и цикл повторяется.

В двигателях внутреннего сгорания рабочее расширение продуктов сгорания происходит столь быстро (при 1500 об/мин в сотую долю секунды), что большой теплоотдачи от раскаленных продуктов сгорания к охлаждаемым стенкам цилиндра и поршню не успевает произойти. Если бы этой теплоотдачи не было совсем, то сжатие и расширение в двигателе происходили бы адиабатно. Наличие потерь и неравновесность процессов учитывают тем, что считают показатель степени х в уравнении Пуассона отличающимся от теоретической величины и определяют этот показатель опытным путем. Уравнение с эмпирическим показателем степени называют уравнением политропы.

Рис. 276. Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания.

При расширении с потерями энергии, вызванными теплоотдачей, политропа круче спадает к оси объемов, чем адиабата, так как уменьшение давления происходит не только вследствие расширения, но и вследствие дополнительного охлаждения газа, вызванного теплоотдачей; поэтому ярасш и разность может служить мерой теплопотерь. Однако в начальной стадии рабочего расширения в двигателях внутреннего сгорания высокая температура газа поддерживается продолжающимся сгоранием топлива. По указанной причине политропа в начальной стадии рабочего расширения оказывается более пологой, чем адиабата (показатель степени для политропы в начальной стадии расширения на меньше, чем показатель степени для адиабаты). В последующей стадии рабочего расширения вследствие охлаждения продуктов сгорания при их соприкосновении со стенками цилиндра и поршнем политропа расширения пересекает адиабату и круче спадает к оси объемов, чем адиабата (в этой стадии показатель степени в уравнении политропы на превышает показатель степени в уравнении адиабаты). В итоге средний показатель степени в уравнении политропы всего процесса расширения в целом оказывается примерно таким же, как показатель степени в уравнении адиабаты при высокой температуре продуктов сгорания (так, для бензиновых двигателей гсрасш 1,24, причем при температуре порядка 2000° вследствие увеличения теплоемкостей величина ; для процессов сжатия в двигателях внутреннего сгорания в среднем

Рис. 277. Цикл Отто.

Идеализированный цикл двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием (четырехтактного двигателя или же двухтактного — это безразлично) — так называемый цикл Отто — изображен на рис. 277. Процессы в двигателе внутреннего сгорания в действительности не составляют замкнутого цикла, так как продукты сгорания после их выхлопа и охлаждения не являются, конечно, тождественными с исходной рабочей смесью топлива и воздуха. Но можно показать, что для термодинамического вычисления эффективности двигателя указанное обстоятельство не имеет большого значения - коэффициент полезного действия двигателя существенно не изменился бы, если бы рабочим

веществом в двигателе был идеальный газ, внезапно получающий извне теплоту, равную теплоте сгорания топлива, и после рабочего расширения и изохорного охлаждения возвращающийся в исходное состояние.

Для цикла Отто, так же как и для рассматриваемого ниже цикла Дизеля, весьма важной величиной, определяющей эффективность использования теплоты сгорания, является степень сжатия горючей смеси: где объемы в начале и в конце сжатия. В двигателях, цикл которых близок к циклу Отто, смесь воздуха с топливом вводится в цилиндр через карбюратор перед сжатием (точка 1) или же в других конструкциях топливо впрыскивается в цилиндр во время сжатия. К концу сжатия (точка 2), когда в цилиндре должна произойти вспышка, введенное в цилиндр топливо благодаря интенсивному перемешиванию его с воздухом и повышению температуры оказывается уже достаточно хорошо подготовленным для быстрого сгорания. Подготовленная так смесь воспламеняется электрической искрой и сгорает настолько быстро, что процесс сгорания протекает при почти неизменном объеме (линия 2—3). Во избежание преждевременного самовоспламенения горючей смеси в двигателях, работающих по циклу Отто, приходится ограничиваться небольшой степенью сжатия После рабочего расширения продуктов сгорания (линия 3—4) следует выхлоп (линия 4—1). Действительный ход процессов показан на рис. 277 пунктиром.

Вычисление, которое легко может быть выполнено посредством уравнений Клапейрона и Пуассона, показывает, что термодинамический к. п. д. цикла Отто равен:

где для идеализированного цикла показатель степени в уравнении адиабаты. Указанной простой формулой, подставляя в нее вместо х эмпирический показатель степени часто пользуются в ориентировочных расчетах для определения так называемого индикаторного к. п. д. , который после умножения его на механический к. п. д. двигателя дает эффективный к. п. д. (Механический к. учитывает потери на трение и привод вспомогательных механизмов; эти потери обычно не превышают 10—20%, поэтому при ориентировочной оценке эффективного к. п. д. часто принимают

Эффективный к. п. д. карбюраторных и газовых двигателей чаще всего составляет 24—28%.

Рис. 278. Цикл Дизеля.

В двигателях, работающих по циклу Дизеля (рис. 278), в начале сжатия (линия 1—2) цилиндр наполняется чистым воздухом и топливо вбрызгивается в цилиндр незадолго до конца сжатия (вблизи точки 2), когда температура воздуха в цилиндре, сжатого до давления уже значительно превосходит температуру самовоспламенения рабочей смеси. Жидкое топливо поступает в цилиндр в мелкораспыленном состоянии, самовоспламеняется и сгорает при почти неизменном давлении (линия 2—5). Далее следуют рабочее расширение (линия 3—4) и выхлоп (линия 4—1). Большая степень сжатия (от до обеспечивает двигателям Дизеля высокий коэффициент полезного действия. Эффективный к. п. д. этих двигателей составляет 30—35%. Наиболее высокий к. п. д. (до 38%) имеют так называемые бескомпрессорные дизели, у которых начальная стадия горения рабочей смеси идет почти при неизменном объеме, а последующая стадия рения продолжается при мало изменяющемся давлении.

Основным топливом для двигателей внутреннего сгорания служат продукты перегонки нефти: бензин, лигроин, керосин, газойль и соляровое масло, получаемое выделением мазута из тяжелых остатков нефти. При переработке нефти

широко применяют крекинг нефти — термическое разложение углеводородов нефти на более простые под влиянием нагрева до 500—650° С, часто при давлении в несколько десятков атмосфер; при крекинге получается примерно в два раза больше бензина, чем при простой перегонке. По количеству природных запасов нефти Советский Союз стоит на первом месте: мы располагаем более чем половиной ровых запасов нефти.

При сгорании бензина, керосина, солярового масла выделяется 10000—11 000 ккал на каждый топлива. Работа одной лошадиной силы в час эквивалентна 634 ккалк Стало быть, если при сжигании топлива выделяется 10 500 ккал (это число считают стандартной теплотворностью топлива), то при -процентном превращении тепла в работу для получения в час потребовалось бы топлива. Поскольку в работу в действительности превращается только часть энергии, выделяемой топливом, равная эффективному к. п. д. двигателя, то для получения в час требуется не 60 гтоплива, а в большее в количество топлива. Таким образом, удельный расход топлива на лошадиную силу в час равен час. Отсюда получается, что при эффективном к. соответствует средней эффективности дизелей) удельный расход топлива составляет час; при (как это обычно имеет место у карбюраторных моторов) расход топлива составляет час, а при удельный расход топлива достигает час.

Для сгорания бензина, керосина или дизельного топлива требуется около воздуха, Приблизительно в такой пропорции вводится воздух в линдры карбюраторных двигателей. Но в дизелях хорошее сгорание капелек более тяжелого топлива достигается только при значительных избытках воздуха, который засасывают поэтому (при полной нагрузке двигателя) в количествах в раза больших, чем указанное выше (а при недогрузках в еще больших количествах). В связи с этим резко различаются температурные режимы дизелей и карбюраторных моторов. Так, например, температура сгорания бензина в авиационных двигателях достигает 2400—2500° С, а температура продуктов сгорания при выхлопе (который для получения большой мощности при малых габаритах двигателя производится при 4—5 избыточных атмосферах) остается еще весьма высокой и составляет 1200—1400° С. Для дизелей более характерны температуры сгорания порядка 1600—1700° С и температуры выхлопа 500—700° С.

Если проанализировать тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания, то сразу обнаруживается, что теплота, не превращенная в работу, слагается главным образом из тепла, уносимого продуктами сгорания при выхлопе, и теплоты, отданной охлаждающей среде через стенки цилиндра. Когда выхлоп производится при небольшом избыточном давлении (это осуществимо только в стационарных двигателях, где нет необходимости стремиться к предельной компактности двигателя), то теплота, уносимая продуктами сгорания при выхлопе, является термодинамически неизбежной потерей и может быть только косвенно использована для каких-либо целей подогрева. При больших избыточных давлениях выхлопа (как в авиационных моторах) остаточное теплосодержание выхлопных газов может быть непосредственно использовано для получения дополнительной работы; с этой целью выхлопные газы направляют в газовую турбину, которая вращает нагнетатель, поджимающий воздух, подаваемый в двигатель.

Что касается теплоты, отдаваемой продуктами сгорания через стенки цилиндров охлаждающей среде (например, охлаждающей воде), то хотя эта теплота часто составляет около энергии, внесенной сгорающим топливом, но устранение этой теплоотдачи не может намного увеличить производимую двигателем работу. Действительно, примерно половина этой теплоты отдается через стенки цилиндров охлаждающей воде после открытия выхлопного клапана; если бы этой теплоотдачи не было, то это тепло было бы унесено выхлопными газами. Из остающейся половины примерно тепла отдаются охлаждающей среде к концу хода

расширения, когда площадь соприкосновения газов и стенок цилиндра велика. Эффективность этого тепла в связи с понизившимся давлением газов весьма мала. Таким образом, примерно только 5/6 тепла, отданного охлаждающей среде, могла бы быть более или менее эффективно (допустим с к. п. д. в 40%) превращена в работу. Следовательно, производимая двигателем работа возросла бы примерно только на тепла, отданного охлаждающей среде, т. е. эффективный к. п. д. двигателя при полном устранении теплоотдачи к охлаждающей среде возрос бы не более чем на 2—4% Тот же итог получится, если, доведя жидкость, охлаждающую двигатель, до кипения, использовать ее во вспомогательной паровой машине.

Сказанным объясняется, почему главное внимание при усовершенствовании двигателей внутреннего сгорания было обращено на: 1) устранение потерь в начальной стадии рабочего расширения, когда давление, а поэтому и работоспособность газов велики; 2) обеспечение условий возможно более полного сгорания топлива (что для малолетучих моторных топлив и привело к дизельному циклу в варианте бескомпрессорного дизеля); 3) использование давления выхлопа присоединением к двигателю газовой турбины; 4) уменьшение размеров и веса двигателей (вес авиационных двигателей удалось довести примерно до на 1 л. с. их мощности).

Чтобы правильно оценить значение двигателей внутреннего сгорания, достаточно вспомнить, что эти двигатели привели к повсеместному использованию автомашин, обеспечили развитие авиации, позволили механизировать сельское хозяйство: к 1957 г. на полях Советского Союза работало свыше полутора миллионов тракторов; дизели получили широкое применение на электростанциях, на судах (теплоходах), на локомотивах (тепловозах), в танках, в землечерпательных машинах и т. д.