19 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Идеальные циклы поршневых ДВС

Идеальные циклы поршневых ДВС

В двигателях этого типа подвод теплоты к рабочему телу, находящемуся в цилиндре, осуществляется не из окружающей среды через разделительную стенку, а происходит в самом рабочем теле при химической реакции горения топлива. Такая особенность обусловила их название в отличие от двигателей с внешним теплоподводом, к которым относится, например, пароэнергетическая установка, где теплота рабочему телу (воде и водяному пару) передаётся от топочных газов через стенки теплообменных поверхностей парогенератора.

Так как на судах речного флота преимущественно применяются четырехтактные дизели, далее будет рассмотрен принцип действия такого двигателя. На рисунке 9.1 показана его схема.

Рабочий процесс осуществляется за четыре хода поршня. При движении поршня вниз через открытый клапан впуска К1 из окружающей среды в цилиндр поступает воздух, необходимый для горения топлива. Когда поршень достигает нижнего положения (нижней мёртвой точки), клапан впуска закрывается, и при следующем ходе поршня вверх происходит процесс сжатия газа в цилиндре. Вблизи верхнего положения поршня (верхней мёртвой точки) в цилиндр форсункой впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. Выделившаяся в процессе горения теплота увеличивает внутреннюю энергию рабочего тела, что сопровождается увеличением давления и температуры газа. Следующее за этим перемещение поршня сверху вниз, называемое рабочим ходом, происходит с передачей энергии в форме работы от газа, находящегося в цилиндре, через кривошипно-шатунный механизм потребителю энергии, которым может быть гребной винт, электрогенератор, компрессор и др. После рабочего хода, при очередном движении поршня снизу вверх, следует вытеснение продуктов сгорания через клапан К2 в атмосферу. Затем рабочий процесс повторяется в той же, строго определённой, последовательности.

Если в цилиндре ДВС установить датчик прибора, фиксирующего давление газа в каждом положении поршня, то с помощью такого прибора можно проследить за динамикой изменения давления в рабочем пространстве. Полученный при этом график , где V — объём цилиндра, называется индикаторной диаграммой. На рисунке 9.1,б линия 1-2 соответствует ходу всасывания, 2-3 — процессу сжатия, 3-4 — рабочему ходу и 41 — процессу выпуска газа, а изобара р определяет давление атмосферного воздуха.

Так как рабочий процесс в таком двигателе осуществляется за четыре хода поршня (такта), он называется четырёхтактным. Следует отметить, что два хода поршня у этих двигателей предназначены для осуществления процесса газообмена — выпуска отработанного газа и впуска свежего воздуха. Существуют двухтактные ДВС, у которых процесс газообмена происходит на части хода поршня, что обеспечивается особой конструкцией таких двигателей.


Рабочий процесс, происходящий в поршневых ДВС, очень труден для анализа из-за сложности физических и химических процессов, происходящих в цилиндрах, однако некоторые упрощения позволяют использовать термодинамические методы анализа, дающие возможность выяснить основные закономерности в процессах энергообмена и наметить пути совершенствования этих двигателей.

На рисунке 9.2 показана такая упрощенная термодинамическая модель поршневого ДВС. Предполагается, что в цилиндре этой модели находится постоянное количество (1кг) идеального газа, химический состав которого не изменяется и теплоёмкость которого не зависит от температуры. Горение топлива заменяется условным термодинамическим процессом подвода теплоты, а выпуск газа в атмосферу — условным процессом отвода теплоты. Процессы сжатия и расширения принимаются адиабатными.

Обобщенный цикл такой термодинамической модели, с учётом вышесказанного, состоит из следующих термодинамических процессов:

— адиабатного сжатия 1-2;

— изохорного 2-3 и изобарного 3-4 процессов подвода теплоты;

— адиабатного расширения 4-5;

— изохорного процесса отвода теплоты 5-1.

Отношение объёмов в процессе сжатия называется степенью сжатия

,

отношение давлений в процессе изохорного подвода теплоты называется степенью повышения давления

,

отношение объёмов в процессе изобарного подвода теплоты называется степенью предварительного расширения

Термический кпд цикла определяется по формуле

,

где — теплота, подведённая в процессах 2-3 и 3-4,

;

— отведённая в процессе 5-1 теплота.

, (9.1)

где — показатель адиабаты, — температуры в соответствующих точках цикла.

Температуры в характерных точках цикла определяются, исходя из того, что известны параметры ( ) в начальной точке 1 и безразмерные характеристики e,l и r.

Для адиабатного процесса 1-2 справедливо соотношение

, откуда

В изохорном процессе

В следующем изобарном процессе

с учетом значения температуры , следует:

После подстановки значений температур в формулу (9.1) получается

и, окончательно после сокращений,

(9.2)

Задаваясь различными значениями e,l,r и k, можно определить влияние этих безразмерных характеристик на термический кпд цикла. Такие зависимости показаны на рисунке 9.4,а. Из графиков видно, что термический кпд цикла ДВС возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления, но снижается с увеличением степени предварительного расширения. Кроме того, из формулы (9.2) следует, что применение в качестве рабочих тел одноатомных газов с большим показателем адиабаты оказывается предпочтительным по сравнению с двухатомными и многоатомными газами. Правда, эта рекомендация для реальных ДВС, работающих в условиях земной атмосферы и использующих углеводородное многоатомное топливо, практического значения не имеет.

из процесса 1-2 — ;

из процесса 2-3 —

из процесса 3-4 — ;

Удельная работа цикла ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты определяется по алгебраической сумме работ отдельных процессов, в которых она не равна нулю:

(9.3)

Частным вариантом рассматриваемого цикла является цикл ДВС с изохорным подводом теплоты 1234, представленный в диаграмме на рисунке 9.4,б. При r =1 формула термического кпд значительно упростится

(9.4)

Таким образом, в цикле ДВС с изохорным подводом теплоты термический кпд зависит только от показателя адиабаты и степени сжатия газа. Удельная работа этого цикла определяется алгебраическим суммированием работ в процессах 1-2 и 3-4:

(9.5)

Ещё одним частным вариантом является цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (1256 на рисунке 9.4,б). Для этого цикла l=1, и формула термического кпд имеет вид:

(9.6)

Удельная работа цикла с изобарным подводом теплоты равна

(9.7)

На рисунке 9.5 в диаграмме T — s показаны все три цикла ДВС при следующих условиях:

— начальные параметры одинаковы;

— степень сжатия одна и та же, поэтому процесс 1-2 оказывается одинаковым для всех циклов;

— подведённая теплота в циклах одинакова.

Из последнего условия следует, что площади под процессами подвода теплоты равны:

В принятых условиях в цикле с изобарным подводом теплоты количество отведенной теплоты, определяемое площадью , оказывается наибольшим, а в цикле с изохорным подводом теплоты — наименьшим. Промежуточное значение отведённой теплоты ( а) получается в цикле 12345 с изобарно-изохорным подводом теплоты.

Из основополагающей формулы термического кпд следует, что при одинаковом количестве подведённой теплоты термический кпд больше в том цикле, где отводится меньше теплоты. Это означает, что в заданных условиях сравнения наибольшим термическим кпд обладает цикл с изохорным подводом теплоты, а наименьшим — цикл с изобарным подводом теплоты.

Дата добавления: 2015-11-10 ; просмотров: 671 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Электронная библиотека

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие циклы:

· со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

· с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

· с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const).

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью, и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух, и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100…150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих процессов (рис. 9.14): aс – адиабатное сжатие; cz’ – изохорный подвод теплоты; z’z – изобарный подвод теплоты; ze – адиабатное расширение; еа – изохорный отвод теплоты.

Рис. 9.14. Диаграммы работы цикла со смешанным подводом теплоты

Цикл является как бы обобщающим для всех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом зависит от заданного начального состояния в точке с и от параметров цикла:

Читать еще:  Установки для бурения алмазным инструментом

· степени сжатия (степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc; разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра Vh);

· степени изохорного повышения давления ;

· степени предварительного (изобарного) расширения .

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

Термический КПД смешанного цикла равен:

Подставляя выражения для соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим:

Как видно из формулы (9.9), термический КПД цикла растет с увеличением и k и уменьшается с увеличением . Степень изохорного повышения давления связана с величиной . Чем больше , тем меньше (при тех же значениях и q2). Тогда с ростом термический КПД смешанного цикла увеличивается.

Работа теоретического цикла определяется по формуле:

Отношение работы цикла к рабочему объему vh характеризует среднее давление цикла:

Среднее давление смешанного цикла равно:

Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления цикла является повышение начального давления – наддув двигателя.

Рассмотренный идеальный цикл лежит в основе работы всех современных дизелей.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является частным случаем рассмотренного цикла со смешанным подводом теплоты, когда степень изобарного расширения = 1.

По этому циклу работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь до давления 1,0… 1,5 МПа и поджигается в конце сжатия от электрической искры. Идеальный цикл Отто (рис. 9.15) состоит из процессов адиабатного сжатия (ас), подвода к рабочему телу теплоты при v = const (cz), адиабатного расширения (ze) и отдачи рабочим телом теплоты при v =const (еа).

Параметры в узловых точках цикла определяются так же, как и для цикла со смешанным подводом теплоты.

Рис. 9.15. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Из выражения (9.11) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. Несмотря на то, что с увеличением степени сжатия растут термический КПД и полезная работа цикла, при больших степенях сжатия ( > 10) в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси.

Еще более существенным является то обстоятельство, что с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры в конце сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. По этой причине двигатели, работающие по циклу v = const, имеют вполне определенные предельные значения степени сжатия ( = 5,5…9,0).

Явление детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому сорт применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия для двигателей легкого топлива.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) является также частным случаем обобщающего цикла при = 1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0…5,0 МПа, и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля (рис. 9.16) состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты Термический КПД и среднее давление цикла из формул (9.9) и (9.10) при = 1 соответственно равны:

Влияние на такое же, как и в циклах Тринклера и Отто, т.е. с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла. При увеличении степени предварительного расширения ( ), как видно из формулы (9.12), термический КПД цикла должен падать.

Рис. 9.16. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

При постоянной степени сжатия увеличение вызовет увеличение объема vz , который зависит от подводимого количества теплоты q1. При увеличении q1 увеличивается объем vz, а вместе с ним увеличивается и работа цикла. Таким образом, возрастание приводит к увеличению работы и уменьшению термического КПД.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при v = const и p = const, видим, что они различаются множителем:

Отсюда следует, что при одинаковых степенях сжатия > .

Термодинамическая эффективность каждого из рассмотренных циклов зависит от конкретных условий его осуществления. Целесообразнее сравнивать циклы при различных степенях сжатия , но при одинаковых максимальных давлениях и температурах и одинаковом отведенном количестве теплоты q2.

Из TS-диаграммы (рис. 9.17) следует, что наибольший термический КПД будет у цикла с подводом теплоты при р = const:

КПД смешанного цикла имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при p = const и v = const.

Рис. 9.17. Сравнение циклов при различных степенях сжатия

При оптимальных степенях сжатия (для цикла Отто

Идеальные циклы поршневых ДВС

Главное меню

Судовые двигатели

Идеальным циклом двигателя называется круговой замкнутый обратимый цикл, представляющий собой совокупность последова­тельных процессов, совершаемых идеальным газом в цилиндре идеальной машины. При идеальном цикле допускаются следую­щие отступления: 1) с идеальным газом, находящимся в цилиндре, совершаются только физические, по не химические изменения, т. е. состав и масса газа остаются постоянными; 2) тепло подво­дится к газу извне, а не в процессе сгорания топлива в цилиндре; 3) процессы сжатия и расширения совершаются по адиабатам, т. е. без теплообмена с внешней средой (стенки цилиндра теплоне­проницаемые и трение между поршнем и стенками цилиндра отсутствует); 4) теплоемкость газа не зависит от температуры; 5) выпуск отработавших газов заменяется передачей некоторого количества тепла холодному источнику при постоянном объеме. Идеальные циклы применяют для исследования действительных циклов, происходящих в реальных двигателях, и сравнения по сте­пени использования тепла различных типов двигателей, незави­симо от их конструктивных особенностей.

Различают идеальные циклы: с подводом тепла при постоян­ных объеме и давлении и смешанным подводом тепла. Лучшим для современных судовых двигателей внутреннего сгорания явля­ется цикл со смешанным подводом тепла. На рис. 198 показаны диаграммы этого цикла в координатах р, V и Т, s . Основными процессами цикла являются: ас — адиабатное сжатие: сz’ — изохорный подвод тепла Q ?1 ; z’z — изобарный подвод тепла Q p 1 ; zе — адиабатное расширение и еа — отвод тепла Q 2 к холодному источ­нику по изохоре.

Основные характеристики цикла следующие: Степень сжатия ? — отношение полного объема цилиндра V a к объему в конце сжатия V с

Степень повышения давления ?— отношение давления р z в конце подвода тепла к давлению р с в конце сжатия

Степень предварительного расширения ? — отношение объема V z в конце подвода тепла к объему V с в конце сжатия

Степень последующего расширения ?— отношение объема V е в конце расширения к объему V z в конце подвода тепла

Так как V е =V а , то из произведения

Термический к. п. д. ? t — отношение количества тепла, превра­щенного в работу в цилиндре идеальной машины, к количеству тепла, затраченному на совершение работы:

Подставив значение для количества подведенного и отведен­ного тепла и произведя некоторые преобразования (из курса тех­нической термодинамики), получим окончательное выражение для термического к. п. д. смешанного цикла:

Из этого выражения следует, что термический к. п. д. возрас­тает с повышением степени сжатия ?, показателя адиабаты k и степени повышения давления ? и уменьшается при увеличении степени предварительного расширения ?. При перегрузках вслед­ствие повышенной подачи топлива величина ? возрастает, что приводит к уменьшению экономичности двигателя.

Расчетный или теоретический цикл отличается от идеального и действительного, занимая между ними промежуточное положение. В расчетном цикле учитывают все явления, имеющие место в действительном цикле, но полагают, что сжатие и расширение протекают с постоянными показателями политроп. Процессы на­полнения и выпуска полагают протекающими при неизменных давлениях, причем начало и конец каждого процесса совпадают с моментом прихода поршня в крайние положения. Процессы сго­рания топлива считают происходящими сперва при V = const, за­тем при р = const.

На рис. 199 приведены схемы действительного и расчетного циклов дизеля со смешанным подводом тепла.

Читать еще:  Диагностика двигателя по свечам зажигания

Циклы двухтактных ДВС отличаются от циклов четырехтакт­ных только процессами наполнения цилиндров и выпуска отрабо­тавших газов: у двухтактных ДВС они совмещены.

Действительный цикл ДВС, под которым понимают ряд после­довательно повторяющихся в цилиндре процессов, обусловливаю­щих работу двигателя, значительно отличается от идеального. Количество газа в действительном цикле меняется: с ним проис­ходят не только физические, но и химические изменения. Подвод тепла осуществляется не извне, а за счет сжигания топлива внутри цилиндра. Вследствие теплообмена с окружающей- средой про­цессы расширения и сжатия происходят не адиабатно, а политропно, причем показатели политроп непрерывно изменяются. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не возвращается в первоначальное состояние, а удаляется из цилиндра. Вместо него цилиндр заполняется свежим зарядом. Про­цессы наполнения цилиндра и выпуска газов происходит при пе­ременном давлении. Начало и конец процессов выпуска и напол­нения не совпадают с моментами прихода поршня в крайние по­ложения. Процесс сгорания происходит не при V = const и р = const как в идеальном цикле, а представляет более сложный процесс.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Реальные двигатели внутреннего сгорания: индикаторные диаграммы, идеальные циклы и КПД

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называют тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, при этом сгорание осуществляется непосредственно внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания имеют поршневую или роторную конструкцию.

Поршневые ДВС разделяют по способу подготовки горючей смеси (внешнее или внутреннее смесеобразование) и способу ее воспламенения (принудительное или самовоспламенение — воспламенение от сжатия).

К двигателям внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением относят газовые и карбюраторные, ДВС с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением называют дизелем.

По числу тактов (такт — ход поршня от одной мертвой точки до другой), за которые совершается цикл, поршневые ДВС делят на четырехтактные и двухтактные.

Графическую запись реального процесса, протекающего внутри цилиндра ДВС, называют его индикаторной диаграммой.

Рассмотрим кратко индикаторную диаграмму четырехтактного ДВС с внутренним смесеобразованием и с воспламенением от сжатия (дизель), представленную на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) через открытый впускной клапан в цилиндр поступает воздух (такт всасывания, впуска) в процессе г—а. Второй такт сжатия а—с происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при закрытых впускном и выпускном

клапанах. На подходе поршня к ВМТ в сжатый воздух через специальную форсунку подается топливо, которое после распыливания самовоспламеняется. При этом выделяется большое количество теплоты, вследствие чего значительно возрастают давление и температура продуктов сгорания. Одновременно начинается третий такт расширения — рабочий ход (процесс c—z’—b). Четвертый такт — выпуск (процесс Ь—г) происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при открытом выпускном клапане. Затем процессы повторяются.

Реальные процессы не совпадают с тактами. Так, выпуск газов и наполнение цилиндров воздухом начинаются раньше и заканчиваются позже соответствующих тактов, в зависимости от времени открытия соответствующих клапанов. Топливо также подается с опережением, а его подача заканчивается уже на такте расширения.

Площадь индикаторной диаграммы в координатах pV характеризует работу, которая подразделяется на две части. Отрицательную работу называют работой насосных потерь LH W положительную — индикаторной работой цикла Ц.

Отношение величины индикаторной работы к теплоте, вносимой в цилиндр за цикл, называют внутренним или индикаторным КПД:

Двухтактные ДВС отличаются от четырехтактных тем, что в них процессы наполнения и выпуска совмещены по времени. На рис. 5.8 представлена индикаторная диаграмма двухтактного дизеля с двумя типами окон — продувочными и выпускными, открываемых и закрываемых телом поршня.

Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля

Процесс сжатия начинается при ходе к ВМТ после закрытия телом поршня всех окон в точке а. При подходе поршня к ВМТ подается топливо, которое распыливается и самовоспламеняется. Рабочий ход заканчивается в точке b в момент открытия выпускных окон. В точке е открываются продувочные окна, через которые подается специально подготовленный воздух. Процесс продувки заканчивается в точке / = 1) противоречит второму началу термодинамики, а термодинамический предел (в заданном интервале температур) возможен в цикле Карно (п?).

Термические КПД идеальных циклов реальных двигателей всегда ниже КПД цикла Карно. Внутренние потери, связанные с необратимостью реальных процессов, степень отличия их от идеальных процессов оцениваются относительным индикаторным КПД roi, а механические потери — механическим КПД г|мех.

Далее эффективный КПД двигателя ге уменьшается за счет механических потерь передачи к движителю (колеса, винт и т.и.), а затем и за счет потерь механической энергии, определяемых КПД движителя.

Представленная схема, справедливая для любого теплового двигателя, работающего на какой-либо потребитель, позволяет представить место частного КПД в общей системе коэффициентов полезного действия, оценить его весомость, рассмотреть возможности его повышения и влияние на общий КПД транспортной установки.

Рассмотрим ниже идеальные циклы двигателей и проанализируем пути повышения их КПД.

Циклы поршневых двигателей

Поршневые двигатели в настоящее время широко используются на лёгких самолётах. Рабочими элементами поршневого двигателя (рис. 6.12) являются цилиндр и поршень, соединённый через шатун и коленчатый вал с потребителем мощности (винтом). При перемещении поршня изменяется объём цилиндра от максимального V до минимального V , и наоборот. Положение поршня, соответствующее V , называют нижней мёртвой точкой (НМТ), а соответствующее V — верхней мёртвой точкой (ВМТ). Одно перемещение поршня между этими крайними точками называется ходом (тактом). В цилиндре имеются клапаны для впуска (всасывания) рабочего тела (воздуха или топливо-воздушной смеси) в начале цикла и выпуска (выхлопа) продуктов сгорания в его конце.

Наибольшее распространение получили два типа поршневых двигателей: с принудительным зажиганием топливо-воздушной смеси (цикл Отто) и с самовоспламенением от сжатия (цикл Дизеля). Рассмотрим идеальные циклы этих поршневых двигателей.

Цикл Отто

Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 6.13).

Цикл применяется в поршневых двигателях с принудительным зажиганием (например, бензиновых) и протекает следующим образом. От исходного со-

стояния 1 при движении поршня вверх (рис. 6.12) в адиабатном процессе 1-2 сжимается заранее подготовленная топливо-воздушная смесь. Её зажигание в точке 2 (например, с помощью электрической свечи) приводит к практически мгновенному сгоранию с выделением теплоты . За это время поршень практически не перемещается. Поэтому в идеальном цикле процесс 2-3, в котором к рабочему телу подводится теплота q , считается изохорным. Далее происходит адиабатное расширение рабочего тела (продуктов сгорания) в процессе 3-4, поршень движется вниз. Этот процесс в теории поршневых двигателей называется рабочим ходом. В точке 4 открывается выпускной клапан и происходит истечение (выброс)

горячих продуктов сгорания в атмосферу. Этот процесс в цикле Отто изображается изохорным процессом 4-1, замыкающем цикл. В процессе 4-1 происходит отвод теплоты q от рабочего тела в окружающую среду и возвращение его в исходное состояние 1.

В четырёхтактном поршневом двигателе дополнительно осуществляются два вспомогательных такта, показанных на рис. 6.13 штриховой линией:

1-а — опорожнение цилиндра от остатков продуктов сгорания (выхлоп);

а-1 — заполнение цилиндра свежей топливовоздушной смесью (всасывание).

Эти процессы в двухтактных поршневых двигателях отсутствуют, а при анализе идеального цикла не рассматриваются.

Для исследования цикла Отто необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры p , Т в исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабат

ном процессе v /v и степень повышения давления p /p в изохорном процессе подвода теплоты

Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла, используя соотношения параметров в соответствующих процессах.

В адиабатном процессе 1-2 , откуда ,

в изохорном процессе 2-3 , откуда ,

в адиабатном процессе 3-4 , тогда .

Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изохорного процесса 2-3 , для изохорного процесса 4-1

Следовательно, работа цикла Отто равна

, а термический КПД = 1- = 1- .

Термический КПД цикла Отто (при данном значении k) зависит только от степени сжатия e (рис. 6.14). Как видно, с увеличением e термический КПД цикла существенно увеличивается.

В реальных двигателях, работающих по циклу Отто, увеличение ограничено возможностью появления взрывного сгорания топливовоздушной смеси (детонации) при высоких значениях e. Детонация в условиях эксплуатации поршневых авиационных двигателей недопустима, так как может привести к выходу двигателя из строя. При ухудшении качества применяемого топлива (бензина) значения e, при которых возможна детонация, уменьшаются. У современных поршневых двигателей с циклом Отто, использующих высококачественное топливо, значение e достигает 8…10.

Читать еще:  Территориальные коэффициенты ОСАГО в 2020 году

Цикл Дизеля

Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.15).

Цикл состоит из адиабатного процесса сжатия 1-2, изобарного процесса 2-3, в котором к рабочему телу подводится теплота q , адиабатного процесса расширения 3-4 и условно замыкающего цикл изохорного процесса 4-1, где от рабочего тела отводится теплота q .

Цикл Дизеля применяется в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива от сжатия. В идеальном цикле Дизеля (как и в цикле Отто) не рассматриваются вспомогательные процессы всасывания и выхлопа.

Для исследования цикла Дизеля необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры в исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабатном процессе и степень расширения в изобарном процессе подвода теплоты q .

Найдём температуру рабочего тела в характерных точках цикла 2, 3 и 4.

В адиабатном процессе 1-2 , откуда .

В изобарном процессе 2-3 , тогда .

В адиабатном процессе 3-4 , откуда

В изобарном процессе 2-3 к рабочему телу подводится теплота

В изохорном процессе 4-1 от рабочего тела отводится теплота

Тогда работа цикла Дизеля и его термический КПД равны:

, .

Видно, что термический КПД цикла Дизеля зависит от степени сжатия e и степени расширения в процессе подвода теплоты. При постоянном значении увеличение e ведёт к росту . Возрастание приводит к увеличению работы цикла, но уменьшает значение термического КПД цикла.

Цикл Дизеля нашел широкое применение в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива. В таких двигателях в процессе 1-2 сжимается не топливовоздушная смесь, а чистый воздух, причём с большим значением степени сжатия (e= 16…25). В результате температура воздуха в конце сжатия поднимается до 550…750 ˚С. В процессе расширения 2-3 в цилиндр впрыскивается топливо, которое при такой температуре самовоспламеняется и сгорает. Впрыск топлива дозируется так, чтобы, несмотря на увеличение объёма, давление в цилиндре оставалось практически постоянным.

Из сравнения формул термических КПД циклов Отто и Дизеля следует, что при одинаковых степенях сжатия e цикл Отто будет иметь более высокий КПД, чем цикл Дизеля. Действительно, при любых значениях k и будет выполняться соотношение , вследствие чего > .

Литература

1. Кобельков В.Н., Улас В.Д. Федоров Р.М. Термодинамика и теплопередача. Под ред. Р.М.Федорова. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2012 г. 328 с.

2. Мелик-Пашаев Н.И., Кобельков В.Н., Воротников Б.А., Березин Г.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1983 г. 267 с.

3. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1991, 480 с.

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1973. 396 с.

Содержание

Лекция 1. Термодинамическая система и ее состояние ……………………….. 3

1.1. Основные понятия и определения ………………………………………….. 3

1.2. Параметры состояния системы и уравнение состояния …………………… 3

1.3. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………… 4

1.3.1. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………. 5

1.3.2. Уравнения состояния реальных газов …………………………………….. 6

Реальные и идеальные циклы. Виды поршневых ДВС

Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, остальная часть отдается окружающей среде.

Основными элементами любого поршневого ДВС являются цилиндр 1 с поршнем 2, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма 6, 7 (рис. 1). В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива). Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и регулирования (на рисунке не показаны).

Рис. 1. Схема поршневого ДВС

В возвратно-поступательном движении поршня различают два крайних положения: верхнее и нижнее, в которых поршень меняет направление движения на обратное. Эти положения называются мертвыми точками. Расстояние между мертвыми точками называют ходом поршня S, а перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот – тактом. Внутренний объем цилиндра в пределах хода поршня называют рабочим объемом цилиндра.

Часть объема цилиндра, заключенную между крышкой и торцом поршня, находящегося в ВМТ, называют камерой сгорания.

Для обеспечения наиболее полного сгорания топлива оно должно быть хорошо перемешано с воздухом. Смесь распыленного в воздухе топлива, предназначенного для сжигания, называют рабочей смесью, а процесс приготовления рабочей смеси – смесеобразованием.

По способу приготовления горючей смеси ДВС подразделяются на две группы: с внешним и внутренним смесеобразованием.

К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные и газовые двигатели. Рабочая смесь в них приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе (при работе на бензине или керосине) или смесителе (при работе на газовом топливе). В этом случае в камеру сгорания подается уже готовая рабочая смесь, которая воспламеняется принудительно от электрической искры (свечи зажигания).

В двигателях с внутренним смесеобразованием приготовление рабочей смеси происходит внутри рабочего цилиндра, куда воздух и топливо подаются раздельно. Сначала поршень сжимает чистый воздух до давления 3-4 МПа, вследствие чего его температура в конце сжатия достигает 600-650 °С, затем в камеру сгорания через форсунку впрыскивается жидкое топливо (дизельное или моторное), которое воспламеняется при смешении с раскаленным воздухом.

По способу осуществления цикла ДВС могут быть двух- и четырехтактными. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня (такта), т.е. за два оборота вала, а в двухтактном двигателе – за два хода (такта) поршня, т.е. один оборот коленчатого вала.

Исследование работы реального поршневого двигателя проводят по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня (объема) за весь цикл. Такую диаграмму, снятую с помощью прибора – индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис.2).

Рис. 2. Действительная индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя

0-1 – заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразова-нии) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода,

1-2 – сжатие воздуха или рабочей смеси,

2-3′-3 – период горения рабочей смеси,

3-4 – рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа,

4-5 – выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме,

5-0 – освобождение цилиндра от продуктов сгорания.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен.

В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

Допущения, используемые для теоретических циклов:

1) циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело).

2) Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью

3) Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты)

4) Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют.

5) Процессы 0-1 и 5-0 исключают из рассмотрения, т.к. работа в них практически одинаковая, только имеет разный знак.

Анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется эффективность теоретического (обратимого) цикла, а затем — реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.

Для ДВС рассматривают следующие основные циклы:

а) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) — цикл Отто;

б) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) — цикл Дизеля;

в) цикл со смешанным подводом теплоты, как при v =const и р=const — цикл Тринклера.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector