Цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры (рис. 7.3) и является образцом для двигателей тяжелого топлива, которые называются компрессорными дизелями и в которых горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр специальным компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются только на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

В этих двигателях сначала сжимается по адиабате 1—2 чистый воздух, в результате чего его температура повышается до требуемой температуры самовоспламенения топлива. Затем в изобарном процессе 2—3 происходит впрыск и горение топлива (подвод теплоты q₁). Далее происходит адиабатное расширение 3—4 и изохорный выхлоп 4—1 (отвод теплоты q₂).

Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия и

степень предварительного расширения .

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

.

(7.2)

Рис. 7.3. Цикл д. в. с. с изобарным подводом теплоты

Из (7.2) видно, что η_t возрастает с увеличением степени сжатия и с уменьшением степени предварительного расширения.

Степень сжатия в дизелях определяется достижимой прочностью и составляет 14÷16.

Если сравнивать цикл Отто с циклом Дизеля, то обнаружится, что термический к. п. д. цикла Отто выше, чем цикла Дизеля при одинаковых степенях сжатия и количествах подводимого тепла. Но если эти циклы сравнивать при одинаковых максимальных давлениях и температурах, то термический к. п. д. цикла Дизеля окажется выше термического к. п. д. цикла Отто.

Обычно и ε и p у дизелей выше, чем у карбюраторных д. в. с. Поэтому удельный расход топлива (г/кВт) у дизелей меньше, чем у карбюраторных д. в. с.

7.4.Цикл д. в. с. со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера)

Характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива с механическим распылением топлива. Здесь горючее впрыскивается в цилиндр через распыливающее устройство (форсунку) с помощью плунжерного насоса под давлением в несколько сотен бар. Впервые бескомпрессорный нефтяной двигатель был создан в 1904 г. конструктором Сормовского завода Г. В. Тринклером (впоследствии профессор Горьковского политехнического института). Сжигание топлива в таком двигателе сначала происходит по линии v =const (процесс 2—3) с повышением давления (рис. 7.4), а затем при постоянном давлении (процесс 3—4). Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия ,

степень повышения давления и

степень предварительного расширения .

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

.

(7.3)

Рис. 7.4. Цикл д. в. с. со смешанным подводом теплоты

Из выражения (7.3) следует, что термический к. п. д. цикла возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения. Поэтому современные дизели стремятся конструировать так, чтобы в теоретическом цикле изобарный участок тепла имел минимальные размеры, то есть так, чтобы ρ ≈1.

При ρ =1 цикл Тринклера превращается в цикл Отто, а при λ =1 – в цикл Дизеля.

Цикл Тринклера является наиболее эффективным, поэтому современные дизели работают по циклу Тринклера.

Термический к. п. д. различных двигателей внутреннего сгорания составляет в среднем 0,45÷0,6.

Вопрос 18 основе работы двигателей лежат физико-химические процессы преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу. Сложность процессов, протекающих в цилиндрах реального двигателя, их зависимость от большого числа конструктивных и эксплуатационных факторов в известной степени затрудняют решение практических задач, связанных с их анализом и расчетом. Поэтому при изучении теоретических основ двигателей рассматривают упрощенные схемы рабочих процессов, объединяемых в циклы. В качестве такой упрощенной схемы, позволяющей наиболее просто оценить совершенство тепловых процессов и получить отчетливое представление о возможных способах улучшения использования теплоты, получаемой от сжигания в двигателях топлива, принимается идеальный (термодинамический) цикл. Идеальный цикл представляет собой термодинамический круговой процесс преобразования теплоты в механическую работу. В отличие от действительных рабочих циклов, протекающих в реальных машинах, условно принимается, что в идеальных циклах отсутствуют какие-либо потери энергии, кроме отдачи теплоты холодному источнику. Эта потеря, согласно второму закону термодинамики, является неизбежной, без нее было бы невозможным осуществить преобразование тепловой энергии в механическую работу. При рассмотрении идеального цикла ДВС принимают следующие упрощающие анализ допущения.

1. Цикл протекает с постоянно заключенным в цилиндре рабочим телом (газом), количество и химический состав которого неизменны. Этим исключаются из рассмотрения потери рабочего тела вследствие утечек через неплотности, имеющие место в реальной машине, и потери энергии, связанные с осуществлением процессов наполнения цилиндра свежим зарядом воздуха и удаления из него выпускных газов.

2. Процесс выпуска заменяется фиктивным процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику.

3. Неизменность химического состава исключает из рассмотрения процесс сгорания со всеми связанными с его осуществлением потерями хими- ческой энергии топлива и теплоты. Процесс сгорания заменяется фиктивным процессом подвода теплоты к рабочему телу от внешнего горячего источника.

4. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, без теплообмена с окружающей средой. Это позволяет не учитывать потери теплоты, имеющие место в действительном двигателе при сжатии и расширении рабочего тела.

Перечисленные допущения, позволяющие пренебречь влиянием ряда потерь энергии, приводят к тому, что показатели термодинамического цикла получаются более высокими, чем в реальных двигателях. Такая идеализация условий осуществления рабочих процессов, как уже отмечалось, упрощает анализ факторов, влияющих на совершенство использования в двигателе тепловой энергии; одновременно она позволяет рассматривать термодинамический цикл в качестве эталона, к которому следует стремиться при осуществлении рабочих процессов реального двигателя. Двигатели внутреннего сгорания применяются в морской технике.

Вопрос 19

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные ичетырёхтактные.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа или 720 градусов поворота коленчатого вала (ПКВ), состоящий из четырёх отдельных тактов:

1. впуска,

2. сжатия заряда,

3. рабочего хода и

4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (SAAB AB), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Корейво, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100 и танковыми дизелями ХЗТМ. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки,, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Зависимость КПД η теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объёме V и давлении p, показана на рис. 3. Если сгорает 100 % топлива при постоянном объёме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Падение КПД особенно заметно, если при постоянном объеме сгорает менее 60 % топлива.

Влияние степени сжатия на КПД и мощность двигателя весьма значительно. Вплоть до степени сжатия ε = 10 КПД увеличивается особенно быстро. Расчетные значения КПД хотя и служат только для сравнения, но наглядно показывают замедление роста КПД при высоких степенях сжатия.

Дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Так называемую реальную степень сжатия можно определить по величине давления в конце сжатия [3]. На рис. 4, а показано поле реальных степеней сжатия, полученное путем измерения давлений конца сжатия в карбюраторном двигателе с геометрической степенью сжатия ε = 8,5. Верхняя граничная кривая показывает реальную степень сжатия при полностью открытой дроссельной заслонке в зависимости от частоты вращения двигателя n. Ниже этой кривой показано все поле реальных степеней сжатия при различных открытиях дроссельной заслонки. При большом дросселировании заряда во впускном трубопроводе значение реальной степени сжатия падает до ε = 3,5, вследствие чего значительно уменьшается КПД. Это оказывает большое влияние на средний расход топлива при частичных нагрузках бензинового двигателя.

Вопрос 20 http://www.drive2.ru/b/649524/

Степень сжатия — отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке (НМТ) (полный объем цилиндра) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), то есть к объёмукамеры сгорания.

, где:

= диаметр цилиндра;

= ход поршня;

= объём камеры сгорания, то есть, объём, занимаемый бензовоздушной смесью в конце такта сжатия, непосредственно перед поджиганием искрой; часто определяется не расчётом, а непосредственно измерением из-за сложной формы камеры сгорания.

Увеличение степени сжатия требует использования топлива с более высоким октановым числом (для бензиновых ДВС) во избежание детонации. Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность, кроме того, увеличивает КПД двигателя как тепловой машины, то есть, способствует снижению расхода топлива.

Степень сжатия, обозначаемая греческой буквой ε, есть величина безразмерная. Связанная с ней величина компрессия зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия. При адиабатическом процессе сжатия воздуха зависимость эта выглядит так: P=P₀*ε^γ, где

γ=1,4 — показатель адиабаты для двухатомных газов (в том числе воздуха),

P₀ — начальное давление, как правило, принимается равным 1.

Из-за неадиабатичности сжатия в двигателе внутреннего сгорания (теплообмен со

стенками, утечки части газа через неплотности, присутствия в нем бензина)

сжатие газа считают политропным с показателем политропы n=1,2.

При ε=10 компрессия в лучшем случае должна быть 10^1,2=15,8

Детонация в двигателе — изохорный самоускоряющийся процесс перехода

горения топливо-воздушной смеси в детонационный взрыв без совершения

работы с переходом энергии сгорания топлива в температуру и давление газов.

Фронт пламени распространяется со скоростью взрыва, то есть превышает

скорость распространения звука в данной среде и приводит к сильным ударным

нагрузкам на детали цилиндро-поршневой и кривошипно-шатунной групп и

вызывает тем самым усиленный износ этих деталей. Высокая температура газов

приводит к прогоранию днища поршней и обгоранию клапанов.

Понятие степени сжатия не следует путать с понятием компрессия, которое

обозначает (при определённой конструктивно обусловленной степени сжатия)

максимальное давление, создаваемое в цилиндре при движении поршня от

нижней мёртвой точки (НМТ) до верхней мёртвой точки (ВМТ) (например:

степень сжатия — 10:1, компрессия — 14 атм.).

Дата добавления: 2015-05-26