Действительные циклы двс
Действительные циклы двигателей.
Действительный цикл - периодически повторяющаяся совокупность процессов, происходящая в каждом цилиндре работающего двигателя.
Действительные процессы отличаются от идеальных следующим:
-частичной потерей теплоты в систему охлаждения и окружающую среду;
-политропностью процессов сжатия и расширения;
-немгновенностью и неполнотой сгорания топлива;
-наличие процессов впуска и выпуска и связанных с ними гидравлических и механических потерь.
Одновременное изображение всех процессов в виде графиков носит название индикаторной диаграммы. Они изображаются в координатах PV и Pφ (Рис. 9)
Рис. 9. Индикаторные диаграммы двигателей: а и б – карбюраторного и дизельного двигателей в координатах PV, в – карбюраторного двигателя в координатах Pφ; ra – впуск; ac – сжатие; cz – сгорание; zb – расширение; br – выпуск; т.r – точка разрыва цикла где происходит смена рабочего тела, выбрасываются отработавшие газы и поступает свежий заряд; А – момент открытия впускного клапана; Б – момент закрытия впускного клапана; В – момент возникновения искры; Г – момент открытия выпускного клапана; Д – момент закрытия впускного клапана
Отличительные явления присущи действительному циклу, приводят к возникновению дополнительных потерь по сравнению с теоретическими циклами. Вследствие этого t действительного цикла меньше чем t теоретического.
Для характеристики действительного цикла используются следующие КПД:
-i – индикаторный КПД характеризующий экономичность работы. Предствляет собой отношения количества теплоты Qi , превращенной в работу газов за цикл ко всей подведенной теплоте Q1:
-о- относительный КПД, показывает степень приближения действительного цикла к теоретическому:
[0,65…0,69]
| Рис 10 Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя |
Значение лежит в пределах = 0,920,97.
Основы теории наддува.
Одно из основных направлений развития ДВС заключается в увеличении мощности, путем соответствующего повышения среднего давления цикла. Увеличение мощности напрямую связано с увеличением подачи топлива. Для полного сгорания топлива необходимо 14,9 кг воздуха. При увеличении подачи топлива без увеличения подачи воздуха возрастание мощности не происходит из-за неполноты сгорания топлива. Увеличение количества топлива достигается с помощью подачи в цилиндр воздуха под избыточным давлением. Такой способ увеличения мощности двигателя называется наддувом.
В настоящее время наибольшее распространение получил турбонаддув. Основным агрегатом является турбокомпрессор (ТКР), включающего турбину и компрессор, расположенные на одном валу. Отработавшие газы, пройдя по выпускному трубопроводу попадают на лопасти турбины, приводя ее во вращение с частотой 50000 об/мин, а на бензиновых – 80000-120000 об/мин, а в двигателях малого объема до 130000 об/мин. С такой же частотой вращается и компрессор. Компрессор засасывает воздух из окружающей среды (Р0,Т0), сжимает его и подает в цилиндр под избыточным давлением и повышенной температуре (Рк,Тк).
|
|
Рис. 11. Наддув двигателя:1 – форсунка; 2 – центробежный компрессор; 3 – клапан максимального давления наддува; 4 – радиальная турбина
Если давление наддува Pk=0.15…0.16 МПа, то наддув называется средним, если Pk=0,20…0,25 МПа – высоким. В результате повышения давления с Р0 до Рк происходит увеличение плотности воздуха, что приводит к увеличению мощности Ne в 1,5 – 2 раза при сохранении экономических и экологических показателей.
Давление наддува всегда ограничивается максимальной величиной (Рк0,25МПа) из-за опасности повреждения деталей. С этой целью на ТКР устанавливают клапан, открывающий дополнительный канал и пропускающий часть отработавших газов мимо турбины на выхлоп в случае превышения максимального давления наддува Рк max.
В поршневых двигателях с газотурбинным наддувом возможны две схемы осуществления рабочего цикла с продолжением расширения
при переменном давлении газов перед турбиной (импульсный наддув)
при постоянном давлении газов перед турбиной
Действительные циклы двигателей внутреннего сгорания.
Действительные рабочие циклы, протекающие при работе реальных поршневых ДВС, существенно отличаются от теоретических или термодинамических циклов. Эти отличия определяются следующим: изменением химического состава рабочего тела в течение цикла; сменой рабочего тела от цикла к циклу; сообщением теплоты рабочему телу по сложным закономерностям, определяемым процессом сгорания; наличием теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра.
Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. В результате КПД действительного цикла меньше КПД теоретического.
Рабочий цикл в цилиндре двигателя характеризуется изменением температуры и давления рабочего тела. Изменение давления газов за цикл может быть представлено графически в виде индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма используется для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателей. Она может быть получена с помощью специального прибора — индикатора давления, который регистрирует зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала . Такая диаграмма называется «развернутой». Полученную индикаторную диаграмму можно с учетом связи между ходом поршня и углом поворота коленчатого вала перестроить в координатах . В этом случае она называется «свернутой». Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя в координатах представлена на рис.2.6, а в координатах на рис.2.7. Сплошными линиями на диаграмме показано изменение давления в цилиндре при подаче топлива, а штриховыми — без подачи топлива.
Площадь «свернутой» диаграммы, «ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует действительной индикаторной работе цикла .
Эффективность использования теплоты в действительном цикле определяется индикаторным КПД, представляющим собой отношение теплоты, преобразованной в полезную цикловую работу , к теплоте , введенной в двигатель с топливом, т.е. . Сравнительную оценку степени использования теплоты в действительном и теоретическом циклах обычно проводят по относительному КПД
Действительный цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. В четырехтактном карбюраторном двигателе рабочий цикл протекает в течение двух оборотов коленчатого вала.
В карбюраторном двигателе (рис.2.7) с момента начала открытия впускного клапана (точка ) в надпоршневую полость цилиндра из карбюратора поступает горючая смесь. Процесс впуска горючей смеси заканчивается в момент закрытия впускного клапана (точка ). В процессе впуска (линия ) давление понижается вследствие наличия гидравлических сопротивлений при движении воздуха и горючей смеси по впускной системе. В цилиндре двигателя горючая смесь перемешивается с продуктами сгорания, оставшимися от предыдущего цикла, и образуется рабочая смесь.
Сжатие рабочей смеси осуществляется с момента закрытия впускного клапана (линия ). В процессе сжатия вследствие того, что температура рабочей смеси отличается от температуры теплопередающих поверхностей (стенок цилиндра, камеры сгорания и днища поршня), происходит теплообмен между рабочей смесью и этими поверхностями.
Воспламенение рабочей смеси в цилиндре карбюраторного двигателя осуществляется электрической искрой (см. рис.2.6, точка ). Фронт пламени после воспламенения смеси с высокой скоростью (30—50 м/с) распространяется от свечи зажигания по всему объему камеры сгорания. Наибольший эффект использования теплоты достигается в момент, когда основная масса рабочей смеси сгорает при положении поршня вблизи ВМТ в начале такта расширения. Поэтому смесь воспламеняют с некоторым опережением, т. е. до прихода поршня в ВМТ. В этом случае процесс сгорания протекает с интенсивным выделением теплоты на участке, соответствующем повороту коленчатого вала на до ВМТ и после ВМТ. При этом температура и давление в цилиндре быстро возрастают.
Процесс расширения (рабочий ход) значительно отличается от теоретического вследствие догорания топлива и теплообмена газов со стенками, в результате которого теплота отводится в охлаждающую среду.
Процесс удаления отработавших газов из цилиндра двигателя начинается с момента открытия выпускного клапана (точка ). При этом в начале выпуска давление газа значительно выше атмосферного, что обеспечивает его интенсивное истечение из цилиндра. В дальнейшем при перемещении поршня от НМТ к ВМТ происходит принудительное удаление отработавших газов. Определенное количество отработавших газов (остаточных) остается в цилиндре. Процесс выпуска заканчивается в момент, когда закроется выпускной клапан (точка ).
Действительный цикл четырехтактного дизеля. Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис.2.8) включает те же процессы, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Однако цикл дизеля имеет некоторые отличительные особенности. В четырехтактном дизеле при открытии впускного клапана (точка ) в цилиндр поступает только воздух. Процесс впуска заканчивается в точке , когда впускной клапан закрывается. После закрытия впускного клапана в цилиндре дизеля (как и в карбюраторном двигателе) совершается процесс сжатия при движении поршня от НМТ к ВМТ. При этом наблюдается теплообмен между поступившим в цилиндр воздушным зарядом и стенками. В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндре дизеля сжимается воздух и остаточные газы.
При приближении поршня к ВМТ (точка т) в камеру сгорания цилиндра дизеля впрыскивается топливо. К этому моменту температура сжатого воздуха достаточно высока и превышает температуру самовоспламенения топлива. Впрыскивание топлива, как правило, заканчивается, когда в камере развивается процесс сгорания. Следовательно, условия перемешивания топлива с воздухом в дизеле по сравнению с карбюраторным двигателем значительно сложнее.
При открытии выпускного клапана (точка ) начинается выпуск отработавших газов, который заканчивается, когда клапан закрывается (точка ).
Действительный цикл двухтактного двигателя. В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Применение двухтактного цикла наиболее целесообразно для дизелей. Индикаторная диаграмма такого дизеля представлена на рис.2.9.
Впрыскивание топлива, его распыливание, смешение с воздухом, воспламенение и сгорание протекают, как и в четырехтактном дизеле. В конце такта расширения за 40—50° до НМТ открываются выпускные клапаны (точка ) при давлении в цилиндре 0,3—0,5 МПа, и начинается выпуск отработавших газов. Давление в цилиндре падает. В точке когда давление в цилиндре ниже давления продувки , поршень открывает продувочные окна; в цилиндр через эти окна под давлением начинает поступать воздух, вытесняющий продукты сгорания (прямоточная продувка). При перемещении поршня к ВМТ продувочные окна закрываются (точка ), продувка прекращается, и до момента закрытия выпускных клапанов (точка ) продолжается очистка полости цилиндра от отработавших газов. В процессе продувки и после ее окончания до закрытия выпускных клапанов) часть свежего заряда «уходит» в выпускную систему. В отдельных случаях выпуск отработавшего газа заканчивается раньше, чем впуск. За период времени, когда открыты продувочные окна, происходит дозарядка (наддув) цилиндра. С момента закрытия поршнем продувочных окон начинается процесс сжатия.
В двухтактных двигателях впуск свежего заряда и выпуск отработавшего газа (процесс газообмена) осуществляется при приближении поршня к НМТ. Для очистки цилиндра от отработавшего газа используется воздух, поступающий от специального продувочного насоса (компрессора). Часть воздуха удаляется из цилиндра вместе с отработавшим газом.
Предыдущая1234567891011СледующаяДата добавления: 2016-03-05; просмотров: 3507; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
27 - рабочие циклы, действит циклы ДВС
Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. На рис.2.1 представлены циклы Отто, Дизеля и Тринклера, рассматриваемые при анализе идеальных циклов ДВС.
Р ис.2.1. Идеальные циклы Отто, Дизеля и Тринклера
Методы расчета действительных циклов
Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. Среди них, в первую очередь, необходимо отметить следующие.
1. Теплоемкость рабочего тела не постоянна, как это принимается при рассмотрении идеальных циклов, а существенно изменяется с изменением состава и температуры рабочего тела.
2. Процесс сгорания топлива в ДВС происходит по достаточно сложным законам и сопровождается интенсивным теплообменом.
3. Непрерывный интенсивный теплообмен через стенки, головку цилиндров, поршни и др. элементы конструкции.
4. Процессы газообмена, т. е. впуска и выпуска рабочего тела.
5. Утечки рабочего тела.
6. Подогрев воздуха, поступающего в двигатель.
Многие из перечисленных факторов удается учесть при рассмотрении действительных циклов, которые иногда называют «разомкнутыми». Эти циклы, по сравнению с идеальными, в значительно большей степени отражают параметры реальных двигателей, поскольку они учитывают следующие факторы.
1. Процессы впуска и выпуска (изменения температуры и давления рабочего тела, а также гидравлические потери при этом не учитываются).
2. Изменение состава рабочего тела в течение протекания цикла, а также его теплоемкости с изменениями температуры.
3. Зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости.
4. Процесс сгорания топлива, а также изменение молекулярного состава рабочего тела.
5. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, а также на подогрев остаточных газов и избыточного воздуха.
В настоящее время разработаны методики расчета подобных циклов, однако, достаточно надежные и достоверные результаты теплового расчета дают только полуэмпирические методики теплового расчета, учитывающие результаты экспериментальных исследований, накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации двигателей. В них расчет параметров и характеристик ДВС осуществляется на основе детального анализа процессов газообмена, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения.
Р ис.2.2. Действительные циклы четырехтактных и двухтактных ДВС
Основные сведения о рабочих циклах двс
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя.
Такт впуска. Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), создавая разрежение в полости цилиндра, над собой. Впускной клапан открыт, и цилиндр заполняется горючей смесью. Горючая смесь, перемешиваясь с остаточными газами в цилиндре, образует рабочую смесь. Из-за гидравлического сопротивления впускного тракта и нагрева смеси, давление в конце такта впуска составляет примерно 0,07-0,09 МПА, а температура 100-130°С.
Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Рабочая смесь в цилиндре сжимается до 0,7 -1,5 МПа. Температура сжатой смеси достигает 300-450ОС. В конце такта сжатая смесь воспламеняется электрической искрой. В процессе сгорания топлива давление в цилиндре повышается до 3,0-4,5 МПа, а температура газов до 1900-2400°С.
Такт расширения. Иногда его называют рабочим ходом. Начинается движением поршня от ВМТ к НМТ под действием давления образовавшихся продуктов сгорания. Оба клапана закрыты. Шарнирно связанный с поршнем шатун приводит во вращение коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,5 МПа, а температура до 1000 - 1200°С.
Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет около 0,11-0,12 МПа, а температура 500-800°С.
После прохождения поршнем ВМТ закрывается выпускной клапан и рабочий цикл завершается. Последующее движение поршня к НМТ - такт впуска - является началом следующего цикла.
Цикл четырехтактного дизеля
В дизеле в отличие от карбюраторного двигателя воздух и топливо в цилиндры вводятся раздельно.
Такт впуска. Поршень двигается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт и в цилиндр поступает воздух либо за счет разрежения в цилиндре, либо за счет избыточного давления воздуха, создаваемого нагнетателем у дизеля с наддувом. Давление в конце такта впуска у дизеля без наддува 0,08-0,09 МПа, а температура воздуха 50-80ОС.
Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень двигателя от НМТ к ВМТ и сжимает воздух, перемешанный с остаточными продуктами сгорания. Из-за большой степени сжатия (14-21) давление воздуха в конце этого такта достигает 3,5-4,0 МПа, а температура 500-700°С. При этом положении поршня в камеру сгорания впрыскивается мелко распыленное топливо, которое, попадая в среду сильно нагретого воздуха, нагревается, испаряется, воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1600-2000°С.
Такт расширения. Оба клапана закрыты. Продукты сгорания, стремясь расшириться, давят на поршень, заставляя его перемещаться от ВМТ к НМТ. В такте расширения догорает оставшаяся часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,4 МПа, а температура до 600-900°С.
Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Давление газов в конце такта выпуска составляет 0,11-0,12 МПа, а температура 400 - 6000С. Затем рабочий цикл повторяется.
У вышеописанных четырехтактных двигателей при выполнении тактов выпуска, впуска и сжатия необходимо перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты называются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком двигателя в течение такта расширения.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя
В двухтактных двигателях для вытеснения отработавших газов из цилиндра используют принудительное вдувание воздуха или горючей смеси в цилиндр. Такой процесс называется продувкой. Продувка может осуществляться различными способами. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Когда поршень находится в положении близком в ВМТ камера сгорания заполнена сжатой рабочей смесью, кривошипная камера заполнена свежей порцией горючей смеси. В этот момент рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой от свечи. Давление газов резко возрастает, и поршень начинает перемещаться к НМТ - совершается рабочий ход. Когда поршень закроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие горючей смеси. Следовательно, при движении поршня к НМТ одновременно совершаются такты расширения и сжатия горючей смеси в кривошипной камере. В конце рабочего хода поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу попадает в цилиндр и, наполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно в атмосферу.
Второй такт происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания вместе с частью рабочей смеси. Затем поршень последовательно перекрывает продувочное окно и выпускное окно. После этого в цилиндре начинается сжатие рабочей смеси. В это же время за счет освобождения поршнем некоторого объема в герметически закрытой кривошипной камере создается разрежение. Поэтому, как только нижняя кромка юбки поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру поступает горючая смесь. Таким образом, во время второго такта происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре и заполнение камеры новой порцией горючей смеси из карбюратора. После прихода поршня к ВМТ все процессы повторяются в такой же последовательности.
Кривошипно-камерная продувка наиболее проста, но наименее совершенна, так как при этом недостаточно полно осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поэтому она применяется только в двигателях малой мощности с небольшим абсолютным расходом топлива (двигатели мотоциклов, лодочные, модельные и т.п.). В строительных машинах и на транспорте подобные схемы используются в пусковых карбюраторных двигателях.
Цикл двухтактного дизеля
Протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндре поступает не горючая смесь, а чистый воздух и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с нагретым воздухом. Так как в дизелях продувка осуществляется чистым воздухом, а не горючей смесью, они оказываются более экономичными по сравнению с карбюраторными двигателями.
3.2.1. Действительные и теоретические циклы автомобильных двигателей. Процессы их составляющие
При работе с данным разделом Вам предстоит:
1) Изучить теоретический материал пяти тем:
а. Действительные и теоретические циклы;
б. Рабочие тела и их свойства;
в. Процессы газообмена;
г. Процесс сжатия;
д. Процесс расширения.
2) Ответить на вопросы для самопроверки.
3) Ответить на вопросы тренировочного теста № 1.
4) Ответить на вопросы контрольного теста № 1.
3.2.1.1. Действительные и теоретические циклы
Изучаемые вопросы:
Особенности термодинамических циклов автомобильных двигателей.
Идеальные, теоретические и действительные циклы
Преобразование теплоты в механическую работу в двигателе внутреннего сгорания осуществляется с помощью газа – носителя энергии (теплоты), который называется рабочим телом. Состояние рабочего тела характеризуется определенными параметрами: удельным объемом, давлением и температурой. Эти основные параметры рабочего тела и его состояние в результате преобразования энергии изменяются. Переход газа из одного состояния в другое с изменением его параметров называется термодинамическим процессом.
Общий принцип всех тепловых двигателей заключается в том, что при расширении рабочего тела теплота, приобретенная им от какого-либо источника, преобразуется в механическую энергию. Температура является показателем теплового состояния тела и характеризует среднюю кинетическую энергию беспорядочного движения его молекул. По Международной системе единиц температура измеряется в градусах Кельвина.
В шкале Кельвина за начало отсчета принимают абсолютный нуль, находящийся на 273 ○С ниже температуры таяния льда (0 ○С). Температура, измеряемая по абсолютной шкале, обозначается К
К=273+t ○C.
Между объемом газа (V), его давлением (Р) и температурой (Т) имеется вполне определенная зависимость, называемая характеристическим уравнением состояния. Эта зависимость устанавливается выражением
, PV=RT для 1кг газа,
PV = GRT для 1кг газа.
Газовая постоянная R может быть определена для каждого газа по известным параметрам, например для воздуха
кгм/кг∙ К.
Изменение состояния рабочего тела (газа) называется термодинамическим процессом. Одинаковые, повторяющиеся процессы превращения тепловой энергии в механическую энергию называются циклами.
За основу расчета рабочих циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания принимаются термодинамические циклы преобразования теплоты в механическую работу, называемые идеальными или теоретическими циклами. Предполагается, что идеальные циклы совершаются со следующими допущениями:
процессы совершаются идеальными газами, количество которых предполагается неизменным;
теплоемкость газов не зависит от температуры;
процессы сжатия и расширения совершаются без теплообмена, т.е. адиабатно;
цикл является замкнутым с мгновенным подводом и отводом тепла;
цикл совершается без потерь тепла и без потерь на впуске и выпуске.
В идеальных циклах двигателей внутреннего сгорания отдача тепла холодному источнику протекает всегда при постоянном объеме (изохорно), а тепло рабочее тело может получить при постоянном объеме (изохорно, V=const), постоянном давлении (изобарно, P=const) или смешанно.
На рис. 2 представлены циклы: со смешанным подводом теплоты (acyzb-цикл Тринклера - Сабатэ), изохорным подводом теплоты (acz1b1a-цикл Бо-де-Роше – Отто) и изобарным подводом теплоты (acz11b11 a, =1, Pc=Pz – цикл Дизеля) и их сопоставление при ε=const и Q=idem.
с
Рис. 2. Цикл со смешанным, изохорным и изобарным подводом теплоты
ообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме – участокЦикл со смешанным подводом теплоты (рис.3) характеризуется тем, что сообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме – участок с – у (Q11), а затем при постоянном давлении – участок y-z (Q111), отдача тепла - на участке в – а (Q2).
Рис.3. Цикл со смешанным подводом теплоты
Выразим количество подведенной и отведенной теплоты для 1 моля газа через теплоемкости и температуры в характерных точках цикла:
Q11= cv (Ty-Tc); Q111= cp (Tz-Ty); Q2=cv(Tb-Ta).
Тогда термический КПД смешанного цикла будет:
.
Выразив температуры Tc , Ty , Tz , Тв через Та , после преобразований получим
. (1)
где степень сжатия,
степень повышения давления,
показатель адиабаты,
Cv - удельная теплоемкость при V=const,
Cp — удельная теплоемкость при P=const.
Термическим коэффициентом полезного действия называется отношение количества тепла, преобразованного в работу в цилиндре идеального двигателя, к общему количеству затраченного тепла, т.е. термический КПД показывает степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу.
,
где ηt- термический КПД, Q1- подведенное тепло, Q2- отведенное тепло.
Для смешанного цикла (рис. 3) общее количество подводимого тепла равно
Q1=Q11+Q111,
где Q11- количество тепла, подводимое при V=const (на линии c-y);
Q111- количество тепла, подводимое при P=const (на линии y-z).
Следовательно,
. (2)
Выражая величины Q11 , Q111 , Q2 через температуры и постоянные теплоемкости
Q11 = cv (Ty-Tc) ,
Q111 = cp (Tz-Ty) ,
Q2 = cv (Tв-Ta) ,
где Ty – температура газа в конце подвода Q11 ;
Tc – температура газа в конце сжатия;
Tz - температура газа в конце подвода Q111 ;
Тв - температура газа в конце расширения;
Та – температура газа в начале сжатия.
По смешанному циклу рассчитываются двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива.
В цикле с подводом тепла только при постоянном давлении – цикл Дизеля выражение термического КПД можно получить непосредственно из выражения термического КПД смешанного цикла, как частный случай. Это связано с тем, что цикл Дизеля отличается от смешанного цикла тем, что в нем сообщение теплоты Q1 происходит только по закону P=const. При отсутствии сообщения теплоты на линии V=const отсутствует и повышение давления в этот период цикла (Pz = Pc), так что степень повышения давления принимает частное значение λ=1. Подстановка этого значения λ в выражение (1) дает для цикла Дизеля
. (3)
По этому циклу рассчитываются дизели с компрессорным распыливанием у которых процесс сгорания близок процессу при P = const.
В цикле с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто) сообщение теплоты Q1 ограничивается участком постоянного объема. Выражение термического КПД может быть также получено из уравнения (1), ибо в этом цикле Vz = Vc и степень предварительного расширения принимает частное значение ρ = 1.
Подставив величину ρ =1 в выражение (1) смешанного цикла приводим выражение термического КПД к виду
.
По этому циклу рассчитываются все двигатели с внешним смесеобразованием.
Под рабочим циклом ДВС понимается совокупность периодически повторяющихся процессов, происходящих в двигателе в определенной последовательности и обеспечивающих непрерывность его работы.
Рассмотрим схему работы четырехтактного дизеля с наддувом (рис.4).
1-й такт – впуск. Осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане. Для улучшения наполнения цилиндра открытие впускного клапана начинается на подходе поршня к ВМТ (точка 1), а закрытие – после НМТ (точка 2).
Рис. 4. Диаграммы рабочих процессов четырехтактного двигателя
Величина достигаемого давления Ра зависит от гидравлического совершенства тракта, фаз газораспределения и динамических явлений во впускной и выпускной системах.
2-й такт – сжатие. Происходит при движении поршня от НМТ (точка А) до ВМТ (точка С). Практически процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана (точка К) за 10…30○ п.к.в. до ВМТ в среду сжатого в цилиндре воздуха начинается впрыск топлива (точка 2) и спустя 5…10○ п.к.в. это топливо воспламеняется в точке 3. Фактически давление в цилиндре в ВМТ (точка С) оказывается выше расчетного давления в конце сжатия (точка С).
3-й такт – горение-расширение. Происходит при движении поршня от ВМТ (точка С) к НМТ (точка В). Начавшаяся топливоподача продолжается 30…35○ п.к.в. и заканчивается в точке 4 за ВМТ. Горение начинается в точке 3. Через 10…15○ п.к.в. после ВМТ достигается максимальная температура Тz. Фактически окончание горения затягивается до точки 5; расширение продолжается до точки 6 – момента открытия выпускного клапана.
4-й такт – выпуск. Происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытии выпускного клапана. Процесс выпуска начинается с момента открытия выпускного клапана в точке 6. Благодаря перепаду давлений происходит быстрое истечение газов в выпускной коллектор. Закрытие выпускного клапана происходит в точке 8 за ВМТ.
Фаза перекрытия клапанов используется для продувки цилиндра. Цель продувки – очистка камеры сгорания (КС) от остаточных продуктов сгорания, а также охлаждение воздухом клапанов и днища поршня.
Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и впуск заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около НМТ.
Рассмотрим работу двухтактного двигателя (Рис.5).
1-й такт – сжатие. При восходящем движении поршня заканчиваются процессы выпуска, продувки и наполнения цилиндра воздухом. С момента закрытия выпускного клапана и продувочных окон поршнем в цилиндре происходит сжатие, и за 15…20○ п.к.в. до ВМТ впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.
2-й такт – горение, расширение и продувка. При нисходящем движении поршня заканчиваются топливоподача и горение топлива, после чего процесс расширения продолжается до момента открытия выпускного клапана. После открытия продувочных окон верхней кромкой поршня начинаются продувка и наполнение цилиндра. Рабочий цикл повторяется.
При одинаковых значениях D, S, i, n, Pe в двухтактном двигателе теоретически можно получить вдвое большую мощность, чем в четырехтактном. В действительности, мощность возрастает в 1,7…1,85 раза, так как часть хода поршня из-за наличия окон теряется. Худшая очистка цилиндра, потери воздушного заряда и др. снижают мощность двухтактных дизелей. У двухтактных двигателей большая равномерность крутящего момента, ввиду того, что рабочий ход приходится на каждый оборот коленчатого вала.
Рис. 5. Диаграмма рабочего процесса двухтактного двигателя
Процессы впуска, выпуска, горения-расширения в четырехтактных дизелях протекают более эффективно, так как на них отводится больший угол п.к.в., чем в двухтактных, тогда как процесс топливоподачи у двухтактных дизелей заметно короче, чем у четырехтактных.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя
Первый такт – впуск бензиновоздушной смеси. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндре создается разрежение порядка 0,07…0,09 МПа и смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Эта смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска 75…125 ○С.
Второй такт – сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты, давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышается. В конце такта сжатия давление достигает 0,9…1,5 МПа, а температура 350…500 ○С.
Третий такт – расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от искрового разряда в свече зажигания и быстро сгорает. Максимальное давление смеси достигает 3,5…5,0 МПа, а температура 2200…2500 ○С. В конце расширения открывается выпускной клапан и начинается процесс выпуска – четвертый такт. Дальнейшее осуществляется так же, как описано ранее в дизельном цикле.
Рабочий цикл газового двигателя
Рабочий цикл с искровым зажиганием
Процесс сгорания топлива в двигателях этой группы (как четырехтактных, так и двухтактных) протекает почти при постоянном объеме.
В существующих газовых двигателях этого типа верхний предел допустимой степени сжатия определяется условиями нормального горения, в силу чего ее значение практически не превышает 8, редко 10. У большинства газовых четырехтактных двигателей свежий заряд поступает в цилиндр в виде газовоздушной смеси в течение хода всасывания.
В некоторых случаях в четырехтактных двигателях, работающих на газовом топливе, применяется своеобразный наддув. В этом случае по линии впуска идет заполнение цилиндра двигателя сжатым воздухом. Газ подается в камеру сгорания под давлением 0,3…0,5 МПа в первой половине хода сжатия. Зажигание осуществляется электрической искрой в ходе конца сжатия. Увеличение наполнения цилиндра по этому циклу происходит вследствие принудительной подачи газа в свежий заряд воздуха и уменьшения гидравлических потерь в результате улучшения впускной смеси.
Эффективный КПД этого цикла несколько ниже обычного четырехтактного цикла вследствие худших условий смесеобразования.
Рабочий цикл газожидкостного двигателя (газодизеля)
Рабочий цикл с газожидкостным процессом характеризуется тем, что в цилиндре двигателя во время такта сжатия находится газовоздушная смесь, а жидкое топливо вводится в цилиндр в конце сжатия и, самовоспламеняясь, поджигает смесь.
В четырехтактном двигателе наполнение цилиндра газовоздушной смесью осуществляется путем засасывания в цилиндр, а в двухтактных – путем продувки цилиндра готовой смесью или воздухом с последующим добавлением газа.
Газовоздушный цикл, обобщая частные случаи работы газового двигателя и двигателя на жидком топливе, характеризуется обычными зависимостями между его параметрами, однако, вследствие использования двух топлив, совершенно различных по своим физическим свойствам, эти зависимости несколько отличаются друг от друга.
1. Классификация автомобильных двс. Действительные циклы поршневых двс.
1.1. Дайте классификацию автомобильных ДВС по основным признакам. Охарактеризуйте отличия разных типов двигателей по признакам классификации.
По способу воспламенения смеси различают ДВС с принудительным зажиганием и дизели, работающие от сжатия. В ДсИЗ используют два вида топлива: жидкость (бензин) и газ. ДсИЗ могут быть карбюраторные и газовые, в которых ТВС приготовляется вне цилиндров (в карбюраторе) – с внешним смесеобразованием; также есть двигатели с впрыском топлива непосредственно в цилиндр или во впускной трубопровод (на впускной клапан). Дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразованием. Также по способу регулирования мощности: ДсИЗ относятся к двигателям с количественным регулированием (изменяется количество подаваемой ТВС), а дизели – с качественным регулированием (изменяется только количество подаваемого топлива). По способу осуществления цикла различают 2- и 4-тактные ДВС; такт есть процесс, протекающий в цилиндре при перемещении между ВМТ и НМТ, т.о. в 4-тактном ДВС рабочие процессы совершаются за 2 оборота коленвала, а в 2-тактном – за один.
1.2. Изобразите в координатах р-V действительный цикл 4-тактного дизеля и двигателя с принудительным зажиганием. Укажите начало и окончание каждого рабочего процесса; почему они не совпадают с началом и окончанием тактов?
Действительный цикл – рис. 1.1. Такт впуска r-a, такт сжатия a-c, расширения с-b и выпуска b-r. В т. 3 происходит воспламенение заряда, а в т. z достигается максимум давления. В действительном процессе такт и процесс не совпадают. Для лучшей организации процессов газообмена клапаны открываются до начала соответствующего такта и закрываются по его окончании: тт. 1 и 2 – открытие и закрытие впускных клапанов; тт. 4 и 5 – открытие и закрытие выпускных клапанов. Также в действительном цикле за счёт начала процесса сгорания точка c’ находится выше точки с.
1.3. Перечислите основные отличия действительного цикла от термодинамического.
Расчётный термодинамический цикл отличается от действительного следующими допущениями: все процессы обратимы; газообмена нет; количество рабочего тела неизменно; вместо процесса горения – подвод теплоты от источника; выпуск заменён на отвод теплоты; сжатие и расширение адиабатны.
2. Принципы, показатели и условия работы двигателей.
2.1. В чем заключаются основные отличия рабочих процессов двигателей с искровым зажиганием и дизелей?
С целью обеспечения достаточной температуры для самовоспламенения степень сжатия в дизелях назначается намного большей, чем в ДсИЗ (=14…23). Процесс наполнения цилиндров свежим зарядом (в дизеле – воздух) и значения параметров РТ в конце такта впуска определяются: гидравлические потери во впускной системе дизеля значительно меньше (нет карбюратора и дросселя); во впускной системе нет отвода теплоты от свежего заряда при испарении топлива ввиду отсутствия последнего в заряде дизеля. Поэтому давление в конце впуска (т. а) в дизеле больше. Температура в т. а ниже из-за того, что при больших степенях сжатия к свежему заряду подмешивается меньше ОГ. Особенностью такта сжатия в дизеле являются более высокие термодинамические параметры рабочего тела в точке с, что объясняется большей величиной степени сжатия. Если в карбюраторном двигателе сгорание происходит при уже подготовленной смеси, то в дизеле приготовление происходит за очень короткий промежуток и при этом значительная часть топлива впрыскивается во время процесса сгорания. Это приводит к тому, что вблизи ВМТ в дизеле сгорает меньшая часть топлива, а догорает оно при увеличившемся объёме. Результатом этого является то, что степень повышения давления =1,4…2,2 меньше, чем в карбюраторном двигателе. Более низкие температуры в дизеле в конце сгорания являются следствием более высокого . Давление и температура в конце такта расширения ниже, чем в карбюраторном двигателе из-за большей степени сжатия. Такт выпуска каких-либо разительных отличий не имеет.
2.2. Опишите различия в протекании процессов газообмена 2- и 4-тактного ДВС.
Процессы сжатия, сгорания и расширения в 2- и 4-тактных двигателях принципиальных различий не имеют, и особенности заключаются в различных способах газообмена. Первый такт состоит из части процесса сгорания и процесса расширения. В конце такта открывается выпускное окно, после чего начинается свободное истечение ОГ. При дальнейшем движении поршня в сторону НМТ он открывает продувочное окно. После чего вплоть до НМТ через оба окна осуществляется продувка цилиндра свежим зарядом. Она заканчивается в начале следующего такта с закрытием продувочного окна. После этого вплоть до закрытия выпускного окна осуществляется вытеснение части заряда. Далее следует сжатие, в конце которого происходит воспламенение. Отличительной особенностью является то, что часть рабочего объёма называется потерянным и используется для организации процесса газообмена.
2.3. Дайте определения основных показателей цикла и двигателя. В чем состоит их важность?
Индикаторная работа Li представляет собой избыточную работу, полученную за такты сжатия и расширения: Li=Lp-|Lсж|, но на практике в качестве показателя работоспособности цикла используется среднее индикаторное давление: pi=Li/Vh – индикаторная работа, снимаемая с единицы рабочего объема. Экономичность действительного цикла оценивается индикаторным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q1, преобразуется в индикаторную работу: i=Li/Q1. Индикаторная работа, получаемая за 1 с, называется индикаторной мощностью: Ni=Li/tц. Для оценки экономичности двигателя используется удельный индикаторный расход топлива gi, показывающий какое количества топлива расходуется на производство единицы индикаторной работы: gi=qц/Li=103GT/Ni. Уровень механических потерь в двигателе оценивается механическим КПД, показывающим какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную: м=Le/Li. Совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной с топливом, преобразуется в эффективную работу: e=Le/Q1=iм. Для оценки экономичности двигателя в основном используется удельный эффективный расход топлива: ge=103GT/Ne. Все индикаторные и эффективные показатели связаны между собой механическим КПД: м=Le/Li=Ne/Ni=pe/pi=ge/gi.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Описание: Высокая эффективность цикла зависит от процессов приготовления топливовоздушной смеси и ее сгорания. Процесс сгорания происходит только в газовой фазе следовательно топливо из жидкой фазы должно перейти в парообразную форму. Процесс сгорания зависит от качества смеси и топлива. Конечным итогом сгорания является повышение температуры и нарастания давления газов что обеспечивает далее работоспособность поршневого двигателя.
Дата добавления: 2015-01-27
Размер файла: 495.95 KB
Работу скачали: 12 чел.
Поделитесь работой в социальных сетяхЕсли эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
PAGE 3
ЛЕКЦИЯ 4
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Автомобильные двигатели работают в широком диапазоне изменения скоростного режима. Длительность цикла составляет в четырехтактном двигателе 0,15-0,02с, а в двухтактном – в 2 раза меньше. За это время должны осуществиться следующие процессы:
- Ввод в цилиндр свежего заряда;
- Сжатие;
- Воспламенение и сгорание смеси;
- Расширение;
- Выброс отработавших газов.
Смесь должна быть гомогенной по газовому составу, а для этого топливо необходимо испарить, что возможно только при хорошем распылении жидкого топлива и соответствующей температуре, при которой происходит испарение топлива. Эти подготовительные процессы в бензиновом и дизельном двигателе происходят с некоторыми отличиями.
Высокая эффективность цикла зависит от процессов приготовления топливовоздушной смеси и ее сгорания. В карбюраторных двигателях этот процесс начинается заблаговременно, а в дизелях – происходит непосредственно в цилиндре двигателя. Чем больше скорость движения воздушного потока по впускному коллектору, чем выше качество распыла бензина. Процесс сгорания происходит только в газовой фазе, следовательно, топливо из жидкой фазы должно перейти в парообразную форму.
Смесеобразование и сгорание в дизелях отличается быстротечностью процессов, поэтому необходимо топливо впрыскивать под высоким давлением. Воспламенение осуществляется за счет высокой температуры и образования факела. Организация движения воздуха при сжатии обеспечивает хорошее перемешивание и распространение факела.
Процесс сгорания зависит от качества смеси и топлива. Конечным итогом сгорания является повышение температуры и нарастания давления газов, что обеспечивает далее работоспособность поршневого двигателя. В отличии от теоретических циклов в действительных протекающие процессы имеют некоторые отличия от теоретических. В действительных циклах есть следующие отличия:
- на ввод свежего заряда топливо-воздушной смеси (воздуха) и на выталкивание отработанных газов затрачивается часть полезной работы;
- процесс сжатия сопровождается потерями тепла через стенки цилиндра, утечками тепла вместе с топливно-воздушной смесью через неплотности и зазоры в поршневых кольцах;
- наблюдается интенсивный процесс теплообмена при расширении газов между газом и стенками цилиндра вследствие того, что температура газов всегда выше, чем температура камеры сгорания и стенок цилиндра. поэтому к.п.д. действительного цикла всегда ниже термического к.п.д. Чем меньше потерь, тем более совершенен будет действительный цикл.
Аналитическое определение работы в действительном цикле затруднительно, поэтому все расчеты ведут с помощью коэффициентов, полученных экспериментальным путем, путем индицирования двигателей с помощью пьезокварцевых датчиков и шлейфовых осциллографов или пневмоэлектрическими индикаторами давления по углу поворота коленчатого вала.
Степень использования теплоты в действительном цикле принято определять индикаторным КПД, представляющим собой отношение теплоты, преобразованной в механическую работу цикла Li, ко всей теплоте Q1, внесенный в двигатель с топливом;
Где: Li - тепло, преобразованное в механическую работу;
Q1 - все тепло, внесенное в двигатель с топливом;
Hu - низкая теплота сгорания топлива.
Сопоставление действительного цикла с теоретическим и определение относительной величины потерь в действительном цикле производится по относительному КПД, который всегда меньше единицы:
Индикаторная диаграмма отражает изменение давления в цилиндре двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала. На индикаторной диаграмме отмечаются моменты открытия клапанов, момент зажигания или впрыска топлива. Индикаторную диаграмму можно перестроить в координатах PV по методу Брикса Ф.А. (поправка Брикса = R2/2L).
Четырехтактный цикл бензинового двигателя (V=const) имеет характерные точки, связанные с моментами открытия и закрытия клапанов. Впускной клапан открывается за 10-15 градусов до ВМТ и закрывается после НМТ, в момент перехода линии давления, равного давлению компрессора или окружающей среды (20-40гр.). Смесь смешивается с некоторым количеством отработавших газов не удаляемых из цилиндра (остаточные газы). За 10-30 гр. До ВМТ на такте сжатия происходит воспламенение топлива и начинается процесс сгорания, который длится на протяжении 30-40 гр. Сгорание при этом происходит наиболее интенсивно, с выделением тепла и соответствует процесс сгорания его начало на 10-15 градусов до ВМТ и окончание на 10-15 градусов после ВМТ, что приводит к быстрому увеличению температуры и давления. Гомогенное (однородное) состояние горючей смеси обеспечивает быстрое распространение фронта пламени от источника воспламенения по всему объему камеры сгорания и достигает наиболее удаленных зон.
Расширение протекает с теплообменом с деталями двигателя. Выпуск отработавших газов начинается за 40-60 гр. До НМТ и заканчивается на 10-30 гр. после ВМТ. Выпуск отработавших газов происходит при давлении при малом сопротивлении.
Подобное течение процесса и наличие теплообмена газов со стенками цилиндра приводит к тому, что значение максимальной температуры и давления в действительных циклах ниже, чем в теоретическом (наличие тепловых потерь).
Четырехтактный цикл с Р=const
т.1.- открытие впускного клапана, поступает только воздух.
т.2 – закрытие впускного клапана.
2т3- сжатие, сопровождается теплообменом между сжимаемым воздухом и стенками цилиндра. В отличие от карбюраторного двигателя сжимается только воздух и остаточные газы.
Т.3 – впрыск топлива в камеру сгорания. В этот момент температура сжатого воздуха превышает температуру вспышки топлива, которое при этих условиях воспламеняется без постороннего зажигания. Впрыск топлива начинается до точки начала сгорания и продолжается при горении.
Вследствие этого и большого избыточного давления подачи свежих струй топлива форсункой процесс сгорания протекает в сложных условиях при активном перемешивании и дроблении подаваемого топлива и вихревого движения воздуха в камере сгорания. В момент подготовки топлива к горению, наиболее подготовленные участки распыла, смесь воспламеняется и сопровождается в первый момент резким повышением давления – линия С-Z11, а затем горение происходит на небольшом участке Z1-Z почти при постоянном давлении. За счет неравномерного распределения состава смеси по камере сгорания и ряду других причин процесс сгорания может продолжаться и в процессе расширения, при одновременном теплообмене между продуктами сгорания и стенками камеры сгорания. Выпуск отработавших газов аналогичен карбюраторному двигателю.
Двухтактный цикл. Двухтактный дизель с щелевой продувкой. В конце процесса расширения за 45-50 градусов до НМТ точка 1 при р=3-5ат. В цилиндре поршень открывает выпускные окна. В результате этого давление в цилиндре снижается и в точке 4 оно становится ниже давления Рк, создаваемого компрессором.
Понятие об теоретическом, действительном и идеальном циклах двигателя
содержание .. 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ..
7.
Понятие об теоретическом, действительном и идеальном циклах двигателя
Ввиду сложности явлении, происходящих внутри цилиндра двига теля, их совокупность представляют предварительно в виде условного теоретического цикла, в котором процессы рассматриваются в их простейшем виде. Это дает возможность получить аналитические за висимости для оценки главнейших качественных показателей работы
двигателя. Полученные формулы теоретического цикла, уточненные обобщенными результатами экспериментальных исследований, используют затем для расчета действительного цикла.
7.1 Теоретические термодинамические циклы ДВС
Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнить в реальных условиях. Принято основные показатели циклов ДВС оценивать в упрощённом варианте:
• на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине.
• на втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.
В теоретических циклах введены следующие допущения:
1. Все процессы цикла осуществляются без теплообмена рабочего тела с окружающей средой и являются обратимыми.
2. Преобразование теплоты в механическую работу осуществляется в замкнутом объеме одним и тем же несменяемым рабочим телом при постоянном его количестве.
3. Состав и теплоемкость рабочего тела остаются постоянными на всем протяжении цикла т. е. не зависит от температуры.
4. Подвод теплоты производится от постороннего (воображаемого) источника при постоянном объеме (по изохоре), или при постоянном давлении (по изобаре), или при смешанном (по изохоре и изобаре).
5. Процессы сжатия и расширения протекают по адиабатам с постоянными показателями.
6. В теоретических циклах отсутствуют какие-либо потери теплоты (в том числе на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику. Эта потеря является единственной и обязательной для замкнутого теоретического цикла.
7. Сгорание топлива в цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск – мгновенным отводом теплоты в холодный источник.
В соответствии с этими допущениями теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, осуществляемый в воображаемой тепловой машине постоянной несменяемой порцией рабочего тела. Вследствие замкнутости процессы сгорания и выпуска рабочего тела при действительном цикле заменяют подводом и отводом теплоты. Процессы сжатия и расширения предполагаются адиабатическими, т.к. это обеспечивает максимальное теплоиспользование.
Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом соответствии со вторым законом термодинамики. Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.
7.2. Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном
объеме.
Автомобильные бензиовые двигатели, работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме к рабочему телу-газу подводится тепло Q1.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис. 27. При положении поршня в ВМТ (точка z диаграммы) сообщение теплоты прекращается. Затем газ адиабатически расширяется, его внутренняя энергия частично превращается во внешнюю механическую работу.
Рис. 27. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при
постоянном объеме
Для повторения цикла надо вернуть газ в начальное состояние, характеризуемое точкой a индикаторной диаграммы. Для этого необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту, представляющую собой долю Q2 от ранее введенной теплоты Q1.
Таким образом, даже при осуществлении теоретического цикла часть вводимой теплоты теряется и, следовательно, не может быть полного превращения теплоты в работу. Степень преобразования теплоты в работу любого теоретического цикла оценивается термическим КПД. В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты Q2, отсутствуют. Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q1 – Q2, тогда термический КПД можно выразить формулой:
7.3. Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)
По этому циклу работают двигатели с воспламенением от сжатия – дизели. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14. Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 33. В этом цикле подвод теплоты Q1 осуществляется как при постоянном объеме Q1' так и при постоянном давлении Q1'' (см. рис.33):
Рис. 33. Индикаторная диаграмма смешанного теоретического цикла
На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы.
1. Значения основных термодинамических показателей цикла со смешанным подводом теплоты находятся между значениями соответствующих показателей циклов с подводом теплоты при V=const и р=const.
2. Циклы с подводом теплоты при V= const и р=const являются частными случаями цикла со смешанным подводом теплоты.
3. В цикле со смешанным подводом теплоты при увеличении доли теплоты, подводимой при V= const, и при уменьшении доли теплоты, подводимой при р=const, повышаются значения термического КПД и среднего давления цикла.
4. Цикл со смешанным подводом теплоты целесообразно применять при значительных степенях сжатия (больше 12) и с возможно большими значениями степени повышения давления. По данному циклу работают все быстроходные автомобильные и тракторные дизели без наддува.
5. КПД цикла со смешанным подводом теплоты может превышать КПД двигателей с искровым зажиганием (цикл при V= const) за счет возможного использования более высоких значений степени сжатия.
7.4. Цикл Карно
Одна из формулировок второго закона термодинамики звучит так: непременным условием преобразования теплоты в механическую работу является процесс передачи теплоты холодильнику.
Поэтому важным вопросом является определение максимального КПД тепловых двигателей, работающих на идеальных газах.
Изучая эту проблему, французский инженер Карно в 1824 г. предложил цикл, который состоит только из обратимых процессов, совершаемый с идеальным газом. Знание данного цикла важно потому, что ни один из обратимых циклов не может иметь термический КПД выше термического КПД цикла Карно, осуществляемого при тех же перепадах температур. Подвод и отвод теплоты в цикле Карно осуществляется изотермически, процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, т. е. наиболее экономичным способом без тепловых потерь.
Термодинамический КПД определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую в прямом цикле. Он представляет собой отношение величины тепловой энергии, преобразованной в механическую работу А1, ко всей подведенной теплоте q1.
Двигатель, работающий по циклу Карно, представляет собой поршневую машину, цилиндр которой заполнен идеальным газом. Газ периодически контактирует с источником тепла, имеющим температуру Т1 или с холодильником, имеющим температуру Т2 (рис. 1.13).
рис. 1.13
В результате цикла Карно рабочее тело совершает полезную работу, соответствующую площади, заключенной внутри контура 1-2-3-4. Эта работа эквивалентна разности между подведенной q1 и отведенной q2 теплотой, т. е
Практически цикл Карно осуществить трудно и даже не целесообразно по причине чрезвычайно малой удельной работы и необходимости значительного увеличения габаритных размеров двигателя. Тем не менее, теоретическое значение цикла Карно огромно, так как он является неким эталоном при определении максимальной возможности полезного использования теплоты при данных температурных условиях. Сравнение термических КПД цикла Карно и любого другого цикла дает возможность судить о степени совершенства последнего.
7.5. Действительные циклы
В процессах, образующих действительный цикл двигателя, происходит изменение количества (массообмен) и состава рабочего тела, а также теплообмен.
Действительный цикл ДВС является сложным процессом не поддающимся на прямую математической оценке
Для оценки мощностных и экономических показателей действительного цикла ДВС расчёт проводят в 2-а этапа:
• на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине.
• на втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.
содержание .. 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ..
