Двигатель внутреннего сгорания Дизеля.
- Цикл Дизеля, предложенный Рудольфом Дизелем, рассчитан на получение движущей силы путем сжигания каменноугольного порошка; он очень похож на цикл Отто, хотя и отличается от него в нескольких важных отношениях. Для анализа цикла Дизеля воспользуемся схематическим изображением самого двигателя, диаграммой цикла и схемой работы.
- Принципиальное преимущество цикла Дизеля по сравнению с циклом Отто становится ясным уже на первой стадии.
- Выдвижение поршня из цилиндра (из точки А в точку В на диаграмме) приводит к всасыванию только воздуха, а не смеси воздуха с горючим. Поэтому адиабатическое сжатие может осуществляться до более высоких давлений и, следовательно, до более высоких температур, ибо при сжатии воздуха не возникает опасности самовоспламенения и взрыва смеси. Горючее вспрыскивается только в точке С. где достигается высокая температура газа (за счет наличия большого количества возбужденных атомов газа, которые могут весьма интенсивно сталкиваться с атомами горючего), достаточная для воспламенения горючего без электрической искры. В идеальном цикле Дизеля воспламенение горючего происходит при постоянном давлении, тогда как фактически поршень выдвигается из цилиндра. Поэтому температура возрастает (вследствие сгорания горючего), и в то же время объем увеличивается из-за выдвижения поршня. Когда все впрыснутое горючее сгорает, а поршень все еще продолжает выдвигаться из цилиндра, температура и давление падают, так как при этом расширение становится адиабатическим. В конце описанного рабочего хода двигатель попадает в точку Е цикла.
- В точке Е выпускной клапан открывается, при этом горячий газ высокого давления приобретает давление и температуру окружающей среды, поскольку его атомы и энергия рассеиваются в пространстве. Как и в цикле Отто, металлический корпус двигателя служит холодильником, предназначенным для «сброса» теплоты. Аналогично в выпускном клапане порождается хаос, что делает цикл спонтанным и тем самым двигатель — практически полезным; поэтому выпускной клапан является очень важным элементом двигателя. (Можно сказать, что движущая сила автомобиля обусловлена хаосом, который создается его двигателем в выпускном клапане.) Далее поршень начинает вдвигаться в цилиндр, при этом газы выбрасываются из цилиндра в окружающую среду. Таким образом, двигатель возвращается в состояние А. Цикл завершен.
- Прежде чем закончить описание этих двух обычных двигателей, отметим два важных обстоятельства. Во-первых, мы описали циклы четырехтактных двигателей, в которых коленчатый вал дважды совершает оборот, чтобы получить один рабочий ход двигателя. В обоих циклах переход на диаграмме из точки А в точку В и из точки F в точку А сопровождается одним полным поворотом коленчатого вала, но вклада в мощность, развиваемую двигателем, это не дает: эти участки цикла — вспомогательные. Если бы их удалось исключить, то это позволило бы повысить к. п. д. двигателя. В инженерной практике считается, что процессы, не являющиеся необходимыми, не только бесполезны, но и вредны, так как приводят к дополнительным потерям (согласно второму началу термодинамики, в них непременно обнаружится трение). Больший к. п. д. можно получить, исключив такие процессы; однако может оказаться, что способ, которым это будет сделано, приведет к еще большему нежелательному рассеянию энергии.
Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя Дизеля.
- Исключив лишние обороты коленчатого вала, мы приходим к двухтактному двигателю, в котором за один рабочий ход происходит одно вращение коленчатого вала. Здесь показана диаграмма такого двухтактного двигателя Дизеля; в точке В цилиндр вдувается свежий воздух, который вытесняет выхлопные газы, заполняет цилиндр и готовит его к следующему циклу. Практически вдувание воздуха происходит за счет работы самого двигателя. Это требует некоторых затрат выходной мощности в каждом цикле, но полный к. п. д. двигателя возрастает, так как на каждый двухтактный цикл теперь приходится один рабочий ход.
- Второй важный аспект касается еще одного внутреннего недостатка, присущего циклам Отто и Дизеля, который, однако, не принадлежит к числу неустранимых термодинамических потерь, снижающих к. п. д. тепловых двигателей. При каждом цикле рабочий ход двигателя заканчивается в точке Е, когда газ внутри двигателя горячий и находится под давлением. На участке цикла от точки Е до точки F происходит растрата энергии, запасенной в газе, без попытки получить за счет этой энергии какую-либо работу. Как нам известно, эта энергия обладает высоким качеством по нескольким причинам. Одна из них состоит в том, что энергия выбрасывается в окружающее пространство при достаточно высоких температурах, а, как мы знаем, энергия, запасенная при высокой температуре — это энергия высокого качества. Чтобы выгодно использовать такую энергию, необходимо найти способы использования горячего выхлопного газа, а не выбрасывать его в пространство.
- Один из путей улавливания этой энергии состоит в том, чтобы присоединить к выхлопному отверстию двигателя турбину. Таким образом температура газа будет постепенно снижаться до температуры внешней среды (а не рассеиваться там безвозмездно). Турбины экономичны, но их использование ограничено тем, что они рассчитаны на работу в условиях постоянной высокой температуры, а не на периодические температурные всплески, характерные для поршневых двигателей. Однако сейчас мы рассматриваем использование относительно холодных газов на выходе из двигателей Отто и Дизеля, так что указанное ограничение здесь несущественно.
- Индикаторная диаграмма двигателя Дизеля, соединенного с турбиной, работающей от горячих выхлопных газов. Цикл турбины — кривая DXAD.
- Сочетание возвратно-поступательного поршневого двигателя с вращающейся турбиной позволяет продлить участок адиабатического расширения газа (простиравшийся ранее от точки С до точки D) до точки X. Это дает возможность без существенных потерь выделить дополнительную часть энергии, получаемой при сгорании горючего, и тем самым обеспечивает экономичный способ повышения КПД двигателя. Турбина не обязательно должна быть непосредственно соединена с механической системой (нагрузкой), приводимой в движение двигателем, например с колесами автомобиля. Она может быть использована для нагнетания воздуха в цилиндры и повышения таким образом, КПД двигателя. Подобные рассуждения привели к появлению так называемых двигателей с турбонаддувом для легковых автомобилей и грузовиков.
По этой теме:
|
