Цикли поршневих двигунів внутрішнього згорання.

Поршневий двигун внутрішнього згорання – це теплова машина для якої робочим тілом є газоподібні речовини, що утворюються в процесі згорання пального в середині самого двигуна. Робоче тіло – це суміш повітря та пального (бензин, керосин, солярка).

Існують три основних цикли: Отто, Дизель, Трипплер.

Цикл Отто: Згорання швидке при сталому об’ємі швидкості.

Застосовується на легковиках, літаках і т.д. Ідеальний цикл на PV діаграмі

1-поршень

2- циліндр

3-клапан всмоктування

4-клапан вприску

5- свіча запалювання

Двигун чотирьохтактний. На PV діаграмі 1-2 стиснення суміші, що готується в карбюраторі (бензин+повітря) і поступає через клапан 3 в циліндр, 2-3 пальна суміш запалюється за допомогою свічі 5 і швидко згорає так, що об’єм не встигає змінюватись, 3-4 поршень вправо адіабатичне розширення робочий хід, 4-1 поршень вліво виштовхування продуктів згорання через клапан 4 ізохорний процес. Характеристикою циклу є ступень стиснення V₁ до V₂ Коефіцієнт корисної дії

Недоліки: явище детонації - при стиснені пальної суміші збільшується тиск і температура внаслідок чого виникають хімічні реакції з утворенням нових речовин, які згорають вибухово. Утворюється ударна хвиля, що руйнує двигун. Для недопущення таких реакцій збільшують октанове число вміст ізооктану, який має сильно розгалужену будову.

Дизель: Характеризується великими потужностями, але невеликими швидкостями. Використовується на вантажівках, локомотивах, кораблях.

В циліндр через клапан всмоктується чисте повітря адіабатично стискується. 1-2 температура досягає значень більше ніж самозапалювання пального, через спеціальну форсунку в циліндр подається пальне під великим тиском (солярка, мазут, киросин). Яке самозапалюється і повільно згорає при P=const, «подача пального» регулюється 2-3, 3-4 робочий хід, 4-1 вихід відпрацьованих газів в атмосферу. Характеристики: степінь стиснення –

Коефіцієнт корисної дії (ККД) Отто буде більший ніж Дизеля _{о д}

Переваги Дизеля: 1.немає детонації тому що стискується повітря. 2. Пальне низькокалорійне. 3. Більш стабільний при будь-якому навантажені.

Недоліки: 1. Двигун масивний. 2. Швидкість невелика. 3. Компресор забирає до 10% потужності двигуна.

Тринклер: Згорання змішане Отто + Дизель.

Двигун має форкамеру, яка зв’язана з циліндром вузьким каналом

В робочому циліндрі повітря адіабатично стискується, температура збільшується до значень більших ніж самозапалювання пального. В цей час подається перша частина пального у форкамеру помпою та швидко згорає 2-5

V=const.

Тиск збільшується і проштовхується все що утворилось в процесі згорання із форкамери до циліндра. Там процес згорання продовжується при сталому тиску подача пального регулюється.

Отто і Дизелі. Степінь стиснення =

Ступінь попереднього розширення = =

Ступінь збільшення тиску

Значення коефіцієнту корисної дії проміжне між Отто і Дизилем. Самий економний немає недоліків, що є в

Цикл Отто в термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, цикл бензинового двигателя. Назван в честь немецкого инженера Николауса Отто.

Идеальный цикл Отто состоит из четырёх процессов:

p-V диаграмма цикла Отто

1в2 адиабатное сжатие рабочего тела;

2в3 изохорный подвод теплоты к рабочему телу;

3в4 адиабатное расширение рабочего тела;

4в1 изохорное охлаждение рабочего тела.

КПД цикла Отто ,

где в степень сжатия, в показатель адиабаты.

Идеальный цикл лишь приблизительно описывает процессы, происходящие в реальном двигателе, но для технических расчётов в большинстве случаев точность такого приближения удовлетворительна.

Цикл Дизеля в термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением впрыскиваемого топлива от разогретого рабочего тела, цикл дизельного двигателя.

Идеальный цикл Дизеля состоит из четырёх процессов:

p-V диаграмма цикла Дизеля

1в2 адиабатное сжатие рабочего тела;

2в3 изобарный подвод теплоты к рабочему телу;

3в4 адиабатное расширение рабочего тела;

4в1 изохорное охлаждение рабочего тела.

КПД цикла Дизеля ,

где в степень сжатия,

в коэффициент предварительного расширения,

в показатель адиабаты.

Цикл Тринклера (Seiliger cycle, Sabathe cycle) в термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс дизельного двигателя со смешанным сгоранием.

Идеальный цикл Тринклера состоит из процессов:

p-V диаграмма цикла Тринклера

1в2 В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкого топлива.

2в3 Сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (V=const).

3в4 Догорание оставшегося топлива в рабочем цилиндре (P=const).

4в5 Адиабатическое расширение продуктов сгорания.

5в1 Удаление выхлопных газов (V=const).

Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто часть процесса сгорания осуществляется при постоянном давлении.

Термический КПД цикла Тринклера,

где в степень сжатия,

в степень предварительного расширения,

в степень повышения давления при изохорном процессе сгорания,

в показатель адиабаты.

Частными случаями цикла Тринклера являются цикл Отто (при) и цикл Дизеля (при).

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

Рассмотрим диаграмму:

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.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера – характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива.

Особенности: механическое распыление горючего (с помощью плунжерного насоса), внутреннее смесеобразование, самовоспламенение от сжатого до высокой температуры воздуха.

Это теоретический цикл всех современных транспортных и стационарных дизелей.

Изобразим цикл на рабочей и тепловой диаграмме (рис.3).

Рис.3. Цикл Тринклера. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

Рассмотрим термодинамические процессы цикла:

1-2 – адиабатное сжатие,

2-3 – изохорный подвод теплоты,

3-4 – изобарный подвод теплоты,

4-5 – адиабатное расширение,

5-1 – изохорный отвод теплоты.

Характеристики цикла:

- степень сжатия (отношение объемов в начале и конце процесса сжатия 1-2).

- степень повышения давления (отношение давлений в процессе изохорного подвода теплоты).

- степень предварительного расширения (отношение объемов в процессе изобарного подвода теплоты).

При анализе считают известными: состояние рабочего тела в т.1(Т1, p1) и характеристики цикла ε, λ, ρ. Вместо одной из характеристик может быть задана максимальная температура или максимальное давление.

Расчет цикла заключается в определении:

· параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (p, T, v),

· энергетических характеристик цикла: подводимой удельной теплоты q1, отводимой удельной теплоты q2, цикловой работы lц и термического КПД цикла ηt.

Дата добавления: 2015-07-25