Циклы двигателей внутреннего сгорания

Реальные циклы тепловых двигателей

Виды поршневых двигателей

Все тепловые двигатели поршневого типа классифицируются на две основные группы – двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания . Принципиальное различие между этими группами тепловых двигателей раскрывается в их названии – в двигателях внешнего сгорания (к таковым относятся паровые двигатели) рабочее тело (вода-пар) получает тепло вне двигателя, и уже нагретым поступает в цилиндр для преобразования теплоты в полезную работу.

В двигателях внутреннего сгорания процесс подвода теплоты к рабочему телу осуществляется непосредственно в цилиндре двигателя. При этом происходят физико-химические преобразования рабочего тела.

Рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания (далее – 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 либо расходуется на преодоление различных сопротивлений, в первую очередь – сил трения.

По способу приготовления горючей смеси все 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 такому циклу работают дизельные двигатели.

Отдельным типом двигателей с внутренним смесеобразованием являются инжекторные двигатели, у которых бензин впрыскивается в цилиндр (или в коллектор) в процессе такта сжатия, смешивается в цилиндре со сжатым воздухом и воспламеняется с помощью свечи зажигания.
Применение впрыска в бензиновых двигателях позволило в широких пределах регулировать смесеобразование, количество и качество подаваемого топлива, время впрыска, многофазный впрыск, а также использовать средства автоматизации и компьютеризации, т. е. применять многие достоинства дизельных двигателей к бензиновым.

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.

Принципиальное устройство двигателя внутреннего сгорания

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

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 (ВМТ и НМТ) .
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 .

Реальный цикл работы поршневого двигателя

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 специального прибора – индикатора, называют индикаторной диаграммой (см. рисунок) .

Рассмотрим приведенные здесь действительные индикаторные диаграммы четырехтактных поршневых двигателей (карбюраторного и дизельного) , на которых можно выделить несколько характерных участков:

  • 1-2 – заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода;
  • 2-3 – сжатие воздуха или рабочей смеси;
  • 3-4 – период горения рабочей смеси;
  • 4-5 – рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания) , совершается механическая работа;
  • 5-6 – выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме (открывание выпускных клапанов) ;
  • 6-1 – освобождение цилиндра от продуктов сгорания при открытых выпускных клапанах.

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:

  • Циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело) .
  • Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью.
  • Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты) .
  • Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют.
  • Процессы 1-2 и 6-1 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 (т. е. обратимого или идеального) цикла, а затем — реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.

Для ДВС рассматривают следующие основные идеальные циклы:

  • цикл с подводом теплоты при постоянном объеме ( v = const) — цикл Отто (в некоторых источниках — цикл Бо де Роша) ;
  • цикл с подводом теплоты при постоянном давлении ( р = const) — цикл Дизеля ;
  • цикл со смешанным подводом теплоты, который обычно осуществляется в два этапа —
    сначала при v = const , а затем при р = const .
    Такой цикл называют циклом Тринклера (Сабатэ-Тринклера) .

Иногда в средствах информации появляются сведения об изобретении других циклов ДВС, которые, при анализе, оказываются усовершенствованиями или разновидностями перечисленных выше циклов.
Так, недавно появились сведения об открытии цикла Ибадуллаева (по фамилии автора идеи) . Этот изобретатель решил почти в три раза увеличить степень сжатия в двигателе ВАЗ с инжекторной системой питания, уменьшив конструктивно объем камеры сгорания. По замыслу Ибадуллаева это должно привести к повышению мощности и экономичности двигателя, что, в общем-то, с точки зрения термодинамики — не новость.

Читайте также:  Чистка и промывка карбюратора

Очевидно, что цикл Ибадуллаева — адаптированный для бензинового двигателя цикл Дизеля (или цикл Сабатэ-Тринклера), основанный на сжатии воздуха в цилиндре с последующим вводом топлива в камеру сгорания. Впрочем, сам автор связывал новоявленный цикл с циклом Отто (Бо де Роша), поскольку этот двигатель использовал принудительное воспламенение рабочей смеси от искры (не совсем понятно — зачем при такой степени сжатия?).
Использование такого цикла для бензинового двигателя стало возможно лишь после широкого применения систем питания, использующих впрыск бензина в предварительно сжатую поршнем газо-воздушную смесь (инжекторные двигатели). Для карбюраторных двигателей, в которых сжимается не воздух, а рабочая смесь, идея Ибадуллаева неосуществима, поскольку при увеличении степени сжатия более 12. 13 неизбежны детонационные явления.

К слову сказать, сам Р. Дизель, разрабатывая свой двигатель, указывал на возможность его работы с использованием разнообразных видов топлива, в т. ч. и бензина. Правда первые же попытки Дизеля использовать бензин в качестве топлива для дизельного двигателя привели к взрыву, который едва не стоил жизни изобретателю, поэтому он отказался от бензина в пользу керосина.

Что касается двигателя Ибадуллаева, то, несмотря на изготовленный изобретателем опытный образец "жигуленка" с таким двигателем, идея не нашла отклика у производителей, а специалисты и ученые отказались признать его детище открытием в области теплотехники.

Отличие реального цикла ДВС от идеального цикла

Чтобы идеализировать реальный цикл, полагают, что:

  • рабочее тело в цикле – это идеальный газ с постоянными свойствами;
  • цикл замкнут (учитывая, что работы в процессах выталкивания и всасывания практически одинаковы и лишь противоположны по знаку, эти процессы заменяют обратимым изохорным процессом отвода теплоты, что делает цикл замкнутым) ;
  • необратимый процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа, заменяется обратимым процессом подвода равного количества теплоты извне.

Принятые допущения, казалось бы, весьма далекие от реальной действительности, позволяют, тем не менее, получить расчетные результаты, совпадающие с результатами экспериментальных измерений основных характеристик цикла.

Различают три типа четырехтактных ДВС:

  • быстрого сгорания с внешним зажиганием;
  • медленного сгорания с самовоспламенением;
  • смешанного типа.

В двигателях первого типа цилиндр заполняется смесью бензина с воздухом, приготовленной в карбюраторе (такие двигатели часто называют карбюраторными) – этот такт называется всасыванием. Далее впускной клапан закрывается, и происходит сжатие горючей смеси (второй такт).
С помощью электрической свечи происходит искровое зажигание топливовоздушной смеси, которая сгорает чрезвычайно быстро при почти неизменном положении поршня, т.е. практически при постоянном объеме, равном объему камеры сгорания. Затем в результате расширения продуктов сгорания совершается рабочий ход поршня (третий такт).
Наконец, происходит выхлоп – выброс продуктов сгорания через выпускной клапан под действием избыточного давления в цилиндре (четвертый такт – выпуск). Затем цикл повторяется.

Карбюратор (от фр. "carbure"r – обогащать углеродом) – узел системы питания ДВС, предназначенный для создания смеси жидкого топлива с воздухом оптимального состава и регулирования количества ее подачи в цилиндры двигателя. Подавляющее большинство существующих карбюраторов состоит из поплавковой камеры, обеспечивающей стабильный приток топлива, смесительной камеры, фактически представляющей собой трубку Вентури (трубу с горловиной, включаемую в разрыв трубопровода), и многочисленных дозирующих систем, включающих в себя топливные и воздушные каналы, дозирующие элементы.

На современных автомобильных двигателях применяется инжекторная система впрыска топлива. Инжектор – это струйный насос (от лат. "injectare" – вбрасывать). Основное отличие от карбюраторной системы – подача топлива осуществляется путем непосредственного впрыска топлива с помощью форсунок во впускной коллектор или в цилиндр.

В двигателях второго типа, называемых дизельными, используется тяжелое нефтяное (дизельное) топливо. При этом вместо свечи устанавливают форсунку для подачи распыленного топлива. На такте всасывания цилиндр такого двигателя заполняется не горючей смесью, а воздухом, который в результате интенсивного сжатия нагревается до высокой температуры, существенно превышающей температуру воспламенения топлива. В конце такта сжатия в цилиндр начинает подаваться топливо, распыливаемое сжатым воздухом, поступающим от компрессора.
Топливо поступает в цилиндр и медленно сгорает одновременно с перемещением поршня. В результате на протяжении всего времени сгорания топлива давление в цилиндре остается практически постоянным и равным давлению в конце такта сжатия. Остальные процессы протекают так же, как и в карбюраторных двигателях.

В двигателях третьего типа, называемых бескомпрессорными дизельными двигателями или двигателями Тринклера, такты всасывания и сжатия происходят так же, как в двигателях второго типа, однако дизельное топливо, впрыскиваемое в цилиндр в конце сжатия, распыливается не за счет компрессорного сжатия до весьма высокого давления в плунжерном топливном насосе.
В результате обеспечивается весьма тонкое распыливание топлива.
Первая порция его при этом сгорает очень быстро, обеспечивая, так же как и в двигателях первого типа, существенное повышение давления при практически постоянном объеме. Остальная часть топлива подается в цилиндр и сгорает медленно, одновременно с перемещением поршня, т.е. практически при постоянном давлении, как и в двигателях второго типа.
Поэтапная подача топлива в камеру сгорания возможна посредством многократного впрыска, либо использованием раздельной камеры сгорания: предварительной, в которой после впрыска начинается горение топлива, и основной камеры, в которой происходит догорание топлива (форкамерные двигатели).
Такой тип двигателей характеризуется смешанным сгоранием топлива — сначала по изохоре (при постоянном объеме), затем по изобаре (при постоянном давлении).

Эффективность реальных циклов ДВС

Экономичность реальных поршневых ДВС всегда меньше теоретических, рассчитанных по идеальному циклу, где не учитываются потери на трение, гидравлические сопротивления потоку газов в клапанах, неполнота сгорания топлива, изменение состава и теплоемкости рабочей смеси, неадиабатность процессов сжатия и расширения, насосные потери и т. д.
Экономичность реальных двигателей оценивают степенью превращения затраченной теплоты топлива в эффективную работу — эффективным КПД :

где:
Ae — эффективная работа, которая передается внешнему потребителю (работа на валу двигателя);
QT — теплота, выделяемая при полном сгорании топлива в цилиндре.

Эффективный КПД учитывает не только термодинамические потери цикла, определяемые термическим КПД ηT , но и механические потери на трение, определяемые механическим КПД ηM , и потери внутри двигателя, вызванные необратимостью процессов и несовершенством реального двигателя, определяемые индикаторным КПД ηi .
Индикаторный КПД оценивает величину потерь работы цикла, вызванных теплообменом между стенками цилиндра и рабочим телом, гидравлическими сопротивлениями в клапанах, несовершенством процесса сгорания топлива и др.:

где:
Ai — работа цикла реального двигателя, равная площади действительной индикаторной диаграммы (индикаторная работа);
Aц — работа цикла идеального двигателя.

Читайте также:  Плунжерный тнвд принцип работы

В связи с наличием в двигателе узлов трения часть полученной полезной работы цикла расходуется на преодоление в них сил трения (механические потери) . Вот почему работа на выходном валу двигателя Ae меньше индикаторной работы цикла на величину механического КПД, определяемого выражением

Следует отметить, что механический КПД двигателей, работающих по циклу Тринклера, выше остальных в связи с отсутствием дополнительного компрессора, что и предопределило их широкое применение.
Таким образом, эффективный КПД выражается произведением:

Увеличение эффективного КПД двигателя связано с увеличением каждого из КПД, входящих в формулу.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье "как устроены бензиновые и дизельные двигатели".

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте "впуск" в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта "сжатие" воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу . В ДВС процесс горения топлива происходит внутри рабочего цилиндра.

По роду применяемого топлива ДВС подразделяются на двигатели жидкого топлива и газовые.

По способу заполнения цилиндра свежим зарядом двигатели подразделяются на четырехтактные и двухтактные. В двухтактном ДВС рабочий процесс осуществляется за два хода поршня и один оборот коленвала, в четырехтактном ДВС рабочий цикл совершается за четыре хода поршня и за два оборота коленвала.

По способу приготовления рабочей смеси из топлива и воздуха ДВС подразделяют на двигатели с внутренним смесеобразованием – дизельные двигатели, где топливо воспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высоких температур; и внешним – карбюраторные, где зажигание рабочей смеси производится электрической искрой.

Читайте также:  Газовое оборудование 4 поколения какое лучше

Первый практически пригодный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Ленуаром в 1860 г.. В 1876г. немецкий изобретатель Отто построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель, в 1880 г. инженер Костович в России построил бензиновый карбюраторный двигатель, а в 1897 г. немецкий инженер Дизель создал двухтактный ДВС с воспламенением от сжатого воздуха – дизельный двигатель.

Рис. 1.14 Схема работы 4 – х тактного карбюраторного двигателя.

На рисунке 1.14 показана схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

В цилиндре 1 расположен поршень 2, шатун 3 соединен с одной стороны с поршнем, а с другой с коленчатым валом. В верхней части цилиндра расположены впускной 4 и выпускной 5 клапаны. крайние положения поршня называются верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Двигатель работает следующим образом. При первом такте всасывании- поршень движется вниз и засасывает горючую смесь в цилиндр за счет создаваемого разряжения. при этом всасывающий клапан открыт, выпускной закрыт.

Второй такт- сжатие происходит при движении поршня вверх от НМТ. При этом оба клапана закрыты. При приближении к ВМТ горючая смесь зажигается от электрической искры.

Третий такт-рабочий ход осуществляется за счет давления газа. Действием давления поршень движется вниз от ВМТ до НМТ, создавая крутящий момент на коленчатом валу.

Четвертый этап – выпуск, при котором через открытый выпускной кран при движении поршня вытесняются из цилиндра продукты сгорания.

Таким образом, из четырех тактов только при третьем такте совершается полезная работа; во всех остальных происходит затрата работы.

Рабочий процесс в двухтактном двигателе осуществляется следующим образом. После сгорания топлива начинается процесс расширения газа. В конце расширения поршень открывает выпускные окна, через которые удаляется часть отработанных газов. Далее, продолжая двигаться вниз, поршень открывает продувочные окна, при этом цилиндр продувается сжатым воздухом. В начале второго такта- сжатия продолжается процесс удаления отработанных газов и заполнения цилиндра свежим зарядом. После того, как поршень закроет окна, начинается сжатие горючей смеси. Типы двигателей:

1)с подводом тепла при постоянном объеме (идеальный цикл Отто) ;

2)с подводом тепла при постоянном давлении ( цикл Дизеля);

3)цикл со смешанным подводом тепла – частично при v=const и p=const (идеальный цикл Тринклера).

Рассмотрим принцип действия различных ДВС с использованием теоретической диаграммы идеального двигателя. При этом в рассматриваемом термодинамическом процессе вводится ряд допущений:

1) рабочее тело – идеальный газ;

2) рабочее тело не покидает цилиндр;

3) свойства рабочего тела не меняются.

На рисунке 1.15 представлена теоретическая диаграмма четырехтактного двигателя с циклом подвода тепла при v=const. Этот способ подвода тепла имеет место в карбюраторном двигателе с использованием легкого топлива – бензин, газ, спирт и т.п.

Рис. 1.15 –цикл Отто

а-1 – всасывание рабочей смеси;

1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3 – изохорный подвод тепла (сгорание топлива);

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела (рабочий ход);

4-1 – изохорный отвод тепла;

При ходе поршня вниз (1 такт) в цилиндр двигателя 1 засасывается через впускной клапан 4 готовая рабочая смесь. Это смесь горючих газов или паров жидкого топлива с воздухом. В теоретической диаграмме предполагается, что всасывание происходит при постоянном давлении, равном атмосферному (линия а-1).

В точке 1 всасывающий клапан закрывается, после чего, при ходе поршня вверх (2 такт) рабочая смесь сжимается адиабатно, с повышением давления. Давление зависит от степени сжатия

(1.96)

Где v1 полный объем цилиндра; v2 – объем цилиндра в конце сжатия (линия 1-2).

В конце сжатия(т. 2) смесь зажигается с помощью электрической искры. Сгорание смеси происходит мгновенно. При рассмотрении термодинамического цикла процесс горения заменяют условно обратимым подводом тепла к рабочему телу от горячего источника в изохорном процессе (2-3).

В результате выделения теплоты при сгорании (условный подвод тепла) давление увеличивается до p3 . далее поршень вновь перемещается вниз (3 такт) в результате адиабатного расширения газа (линия 3-4). Это рабочий ход поршня. В нем совершается положительная работа расширения за счет внутренней энергии газа.

В конце расширения открывается выхлопной клапан. При этом давление мгновенно падает до атмосферного. Принимается, что падение давления происходит при постоянном объеме (v=const) (линия 4-1). В действительности же при падении давления часть газов выпускается в атмосферу. При рассмотрении идеального термодинамического цикла процесс падения давления заменяется эквивалентным изохорным процессом 4-1 с обратимым отводом теплоты q2 к холодному источнику.

Четвертый такт происходит при открытом выпускном клапане. В этом случае продукты сгорания выталкиваются в атмосферу при атмосферном давлении p=const. Линия выталкивания 1-а.

Площадь индикаторной диаграммы (1234) характеризует полезную работу газа за первый цикл.

Термический КПД цикла с подводом тепла при v=const определяют из общего выражения:

, (1.97)

где – отводимое количество тепла по изохоре 4-1;

где – подводимое количество тепла по изохоре 2-3.

Отсюда при сv = const:

(1.98)

Между температурами для адиабат 4-3 и 1-2 следующие зависимости:

(1.99)

; (1.100)

Как мы уже говорили, – степень сжатия.

(1.101)

Таким образом получаем:

(1.102)

Из полученного выражения видим, что КПД цикла с подводом тепла при v=const тем больше, чем больше степень сжатия . Для реальных ДВС .

Рис 1.16- цикл Дизеля

По линии а-1 в цилиндр засасывается воздух при p1=1атм., по линии 1-2 воздух сжимается, Т2 – температура самовоспламенения топлива, p2=3 4 МПа. В конце сжатия (т.2) в камеру впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое воспламеняется и горит при p=const – этому процессу соответствует подвод тепла q1 (линия 2-3 теоретической диаграммы).

Благодаря сжатию воздуха, а не горючей смеси, достигается более высокая степень сжатия =18 20. В точке 3 начинается расширение газа – рабочий ход ДВС. В точке 4 открывается выпускной клапан. Мгновенное падение давления происходит при V=const c отводом тепла q2 (линия 4-1).

,

Где – степень предварительного расширения:

Из соотношения параметров для адиабатного процесса:

;

(1.103)

Из полученного выражения следует, что цикла с подводом тепла при p=const увеличивается с увеличением , K и уменьшается с возрастанием . При более высоких значениях степени сжатия увеличивается максимальное давление в цилиндре, что вызывает конструктивные затруднения. Среднее значение КПД цикла Дизеля

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9348 — | 7417 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *