Введение

Термодинамический цикл для поршневых двигателей с искровым зажиганием

Цикл Отто – это идеализированный термодинамический цикл, описывающий работу типичного поршневого двигателя с искровым зажиганием. Это наиболее распространенный термодинамический цикл, используемый в автомобильных двигателях. Цикл Отто описывает изменения, происходящие с газом под воздействием изменений давления, температуры, объема, подвода и отвода тепла. Газ, подвергающийся этим изменениям, называется системой. В данном случае система определяется как рабочая жидкость (газ) внутри цилиндра. Описывая изменения, происходящие в системе, можно также, в обратном порядке, описать влияние системы на окружающую среду. В случае цикла Отто, результатом будет выработка достаточной полезной работы системой для приведения в движение автомобиля и его пассажиров. Цикл Отто состоит из: верхней и нижней частей цикла – пары квазипараллельных и изэнтропных процессов (без трения, адиабатически обратимых); левой и правой сторон цикла – пары параллельных изохорных процессов (с постоянным объемом). Изэнтропный процесс сжатия или расширения подразумевает отсутствие потерь эффективности (потери механической энергии) и отсутствие теплообмена с системой в течение этого процесса. Цилиндр и поршень считаются непроводящими для тепла в течение этого времени. Работа совершается над системой в процессе нижнего изэнтропного сжатия. Тепло поступает в цикл Отто через левый процесс повышения давления, а часть тепла отводится через правый процесс понижения давления. Сумма работы, подведенной к системе, плюс подведенное тепло минус отведенное тепло дает чистую механическую работу, произведенную системой.

Процессы

Процессы описаны следующим образом: Ранее, примерно в 1854–57 годах, два итальянца (Эухенио Барсанти и Феличе Маттеуччи) изобрели двигатель, который, по слухам, был очень похож, но патент был утерян. Первым человеком, построившим рабочий четырехтактный двигатель – стационарный двигатель, использующий смесь угольного газа и воздуха в качестве топлива (газовый двигатель) – был немецкий инженер Николаус Отто. Именно поэтому принцип четырехтактного цикла сегодня обычно известен как цикл Отто, а четырехтактные двигатели с искровым зажиганием часто называют двигателями Отто.

Процессы

Цикл состоит из четырех частей: масса, содержащая смесь топлива и кислорода, всасывается в цилиндр опускающимся поршнем, затем она сжимается поднимающимся поршнем, масса воспламеняется искрой, высвобождающей энергию в виде тепла, образовавшийся газ расширяется, толкая поршень вниз, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра при повторном подъеме поршня. Поскольку поршень может перемещаться вдоль цилиндра, объем газа изменяется в зависимости от его положения. Процессы сжатия и расширения, вызванные движением поршня, идеализируются как обратимые, то есть полезная работа не теряется из-за турбулентности или трения, и во время этих двух процессов тепло не передается газу ни извне, ни от него. После завершения расширения в цилиндре остаточное тепло отводится, и, наконец, газ выпускается в окружающую среду. Механическая работа совершается в процессе расширения, и часть ее используется для сжатия воздушной массы следующего цикла. Механическая работа, произведенная за вычетом работы, затраченной на сжатие, представляет собой полезную работу, которую можно использовать для движения или привода других машин. Альтернативно, полезная работа равна разности между количеством произведенного тепла и количеством отведенного тепла.

Процесс 01 впускной ход (синий оттенок)

Масса воздуха (рабочая жидкость) всасывается в цилиндр от точки 0 до точки 1 при атмосферном давлении (постоянном давлении) через открытый впускной клапан, при этом выпускной клапан закрыт на протяжении всего процесса. Впускной клапан закрывается в точке 1.

Процесс 12 компрессионный ход (B на диаграммах)

Поршень движется от нижней мертвой точки (BDC, максимальный объем) к верхней мертвой точке (TDC, минимальный объем), в то время как рабочий газ с начальным состоянием 1 изентропически сжимается до состояния 2, определяемого степенью сжатия (V1/V2). Механически это изентропическое сжатие воздушно-топливной смеси в цилиндре, также известное как ход сжатия. Этот изентропический процесс предполагает отсутствие потерь механической энергии на трение и отсутствие теплообмена с окружающей средой, что делает процесс обратимым. Для осуществления процесса сжатия требуется подведение механической работы к рабочему газу. Обычно степень сжатия для типичного двигателя составляет около 9–10:1 (V1:V2).

Фаза зажигания процесса 23 (C на диаграммах)

Поршень на мгновение останавливается в ВМТ. В этот момент, известный как фаза воспламенения, топливовоздушная смесь остается в небольшом объеме в верхней точке такта сжатия. Тепло подводится к рабочему телу за счет сгорания впрыснутого топлива, при этом объем практически не изменяется. Давление возрастает, и это отношение называется "коэффициентом расширения".

Процесс 34 расширения (D на диаграммах)

Повышенное давление оказывает силу на поршень и толкает его к нижней мертвой точке (НМТ). Расширение рабочего тела происходит изэнтропически, и система совершает работу над поршнем. Отношение объемов называется "коэффициентом изэнтропического расширения". (Для цикла Отто он совпадает с коэффициентом сжатия). Механически это расширение горячей газовой смеси в цилиндре, известное как рабочий (расширения) ход.

Процесс 41 идеализированное тепловое отвержение (A на диаграммах)

Поршень на мгновение останавливается в нижней мертвой точке (НМТ). Давление рабочего газа мгновенно падает с точки 4 до точки 1 в процессе постоянного объема, поскольку тепло отводится в идеализированный внешний теплоотвод, который приводится в контакт с головкой цилиндра. В современных двигателях внутреннего сгорания теплоотводом может служить окружающий воздух (для маломощных двигателей) или циркулирующая жидкость, такая как охлаждающая жидкость. Газ вернулся в состояние 1.

Процесс 10 выхлопный ход

Выхлопной клапан открывается в точке 1. При движении поршня от "НМТ" (точка 1) к "ВМТ" (точка 0) с открытым выхлопным клапаном, отработанные газы выпускаются в атмосферу, и цикл начинается заново.

Повышение мощности и эффективности

Различие между давлением и температурой выхлопных и впускных газов означает, что можно добиться некоторого повышения эффективности, используя турбокомпрессор, который извлекает часть оставшейся энергии из потока выхлопных газов и передает ее во впускной поток для повышения давления впуска. Газовая турбина способна извлекать полезную рабочую энергию из выхлопного потока, которую затем можно использовать для наддува впускного воздуха. При расширении в газовой турбине давление и температура выхлопных газов снижаются, и эта энергия затем используется для повышения давления и температуры впускного газа. Передача энергии приводит к повышению эффективности, а также к увеличению удельной мощности двигателя. Впускной воздух обычно охлаждается для уменьшения его объема, поскольку работа, совершаемая за один такт, напрямую зависит от массы воздуха, поступающего в цилиндр; более плотный воздух обеспечивает большую работу за цикл. На практике температуру впускного воздуха также необходимо снижать, чтобы предотвратить преждевременное воспламенение в бензиновом двигателе; поэтому для отвода тепла и снижения температуры впуска используется интеркулер. Такая схема повышает как эффективность, так и мощность двигателя. Применение механического нагнетателя, приводимого в действие коленчатым валом, увеличивает выходную мощность (удельную мощность), но не повышает эффективность, поскольку он использует часть полезной работы двигателя для наддува впускного воздуха и не извлекает энергию, которая в противном случае была бы потеряна с потоком выхлопных газов высокой температуры и давления в атмосферу.