Термодинам



Занятие 2.

Тема: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС.

Учебные вопросы:

1. Классификация тепловых двигателей и принцип работы.

2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме.

3. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.

4. Цикл со смешанным подводом теплоты.

Литература:

Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: Учебное пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004.-368с.

с. 33 — 46

1. Классификация тепловых двигателей и принцип работы.

1.1. Классификация тепловых двигателей.

По способу подвода теплоты к рабочему телу различают:

— двигатели внешнего сгорания;

— двигатели внутреннего сгорания ( ДВС);

ДВС по способу реализации полезной работы цикла могут быть:

— поршневыми (роторно- поршневыми);

— газотурбинными;

— комбинированными;

— реактивными;

В поршневых и роторно— поршневых двигателях рабочее тело находится в замкнутом пространстве между неподвижными деталями и движущемся поршнем или ротором, которые воспринимают давление рабочего тела и преобразуют его во внешнюю работу.

В газотурбинном двигателе рабочее тело расширяется в потоке, т.е. в незамкнутом пространстве. При тепловом расширении кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу на лопатках вращающегося рабочего колеса (турбины).

В реактивных двигателях рабочее тело расширяется также в незамкнутом пространстве, но кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу не на лопатках колеса как в газотурбинном двигателе, а за счёт сил реакции при выходе рабочего тела из двигателя в окружающую среду с большой скоростью.

1.2. Принцип работы ДВС.

Принцип действия ДВС показан на рис.1, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырёхтактного двигателя и его принципиальная схема.

Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединён с шатуном, который соединён с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндров установлены впускной к1 и выпускной к2 клапаны. Поршень совершает возвратно-поступательное движение, а коленчатый вал-

вращательное.При движении поршня от ВМТ через впускной клапан засасывается горючая смесь (кривая 0-11). Прямая а-а1 соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров смеси(p, v,T), меняется лишь масса ( G ) и объём ( V ) смеси. При обратном движении поршня рабочая смесь сжимается (кривая11 -2). Происходит изменение

Рис.1. Индикаторная диаграмма и принцип работы ДВС.

состояния смеси (давление, объём, и температура). Клапаны при этом закрыты.

По окончании сжатия смесь воспламеняется и очень быстро сгорает. Прямая 2 – 3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причём происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До воспламенения (точка 2) рабочее тело представляло собой рабочую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт сгорания. На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления и температуры. Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3 – 4). Давление газов совершает работу.

При четвёртом ходе поршня из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан. Причём начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4 – 1), за счёт избыточного давления отработавшие газы удаляются. При дальнейшем движении поршня удаление газов происходит принудительно (кривая 1 – 0). При этом меняется масса (G) и объём (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется. На рис.1 показана индикаторная диаграмма четырёхтактного ДВС, площадь фигуры, которой соответствует работе за один цикл. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная – изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.

ДВС, как видно из рис.1, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют теже термодинамические методы изучения.

Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.

По характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:

циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объёме;

циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;

смешанные циклы – с подводом теплоты к газу частично при постоянном объёме, частично при постоянном давлении.

2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме называется циклом Отто по имени немецкого конструктора Н.А. Отто, осуществившего этот цикл в1876 г. Горючей смесью в этом цикле является воздух, смешанный с парами бензина. На рис.2 представлена p – v диаграмма двигателя, работающего по циклу Отто. Цикл состоит из:

1—2 адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3 изохорный подвод теплоты к рабочему телу;

3—4 адиабатное расширение рабочего тела;

4—1 изохорное охлаждение рабочего тела.

Так как в этом цикле участвует постоянное количество рабочего тела, то линии впуска и выпуска отсутствуют.

Рис.2.Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме.

При положении поршня в ВМТ и постоянном объёме v2 (см. рис.2, прямая2-3) осуществляется процесс подвода теплоты q1к рабочему телу. При этом давление и температура рабочего тела повышаются.

При движении поршня от ВМТ к НМТ (кривая 3-4) происходит процесс адиабатного расширения газа.

Отвод теплоты от рабочего тела к холодильнику соответствует прямой 4-1 и осуществляется при постоянном объёме, когда поршень находится в НМТ.

2.1. Характеристики цикла.

1. Степень сжатия(ε). Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объём газа в процессе сжатия.

ε, полный объём при положении поршня в НМТ; объём над поршнем при его положении в ВМТ.

2. Степень повышения давления (). Степень повышения давления показывает, во сколько раз повышается давление газа в результате подвода к нему теплоты при постоянном объёме.

λ,где — давление газа в конце подвода теплоты; — давление газа в начале подвода теплоты.

3.Термический КПД цикла.

Определяется уравнением (1). Уравнение показывает, что термический КПД цикла зависит только от степени сжатия и растёт с её увеличением.Однако увеличение степени сжатия приводит к воспламенению смеси раньше времени, до прихода поршня в ВМТ, что приведёт к ненормальной работе двигателя. У существующих бензиновых двигателей степень сжатия доходит лишь до 7 – 12 единиц.

Увеличение степени повышения давления λ влечёт за собой увеличение максимального давления в цикле (так как в этом случае подводится большее количество теплоты q1 ). Это приводит к увеличению значений сил, действующих в КШМ, что вызывает потребность в изготовлении более прочного двигателя. А значит и более тяжёлого.

3.Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.

Степень сжатия в цикле может быть существенно повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем в процессе сжатия ввести в цилиндр горючее вещество. Именно на этом основан цикл Дизеля. Степень сжатия в двигателях с циклом Дизеля обычно составляет 15 – 20 единиц.

В цилиндр двигателя засасывается чистый воздух, затем сжимается до тех пор, пока его температура не станет выше температуры самовоспламенения топлива. В конце хода поршня форсункой подаётся топливо, которое распыляется и воспламеняется. Сгорание происходит примерно при p=const/ После прекращения подачи топлива продукты сгорания расширяются до тех пор, пока поршень не достигнет крайнего положения.

На рис.3 показана индикаторная диаграмма поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении.

Кривая 1-2 соответствует процессу адиабатного сжатия, прямая 2-3 – процессу подвода теплоты при постоянном давлении, кривая 3-4 – процессу адиабатного расширения, а прямая 4-1 – процессу отвода теплоты при постоянном объёме.

Рис.3. Индикаторная диаграмма ДВС при постоянном давлении.

3.1. Характеристики цикла.

1. Степень сжатия ε.

2. Степень предварительного расширения ρ, где υ3 — объём рабочего тела в конце подвода теплоты; υ2 – объём рабочего тела в начале подвода теплоты. Двигатели, работающие по данному циклу, имеют ρ-2,5.

3. Термический КПД. Определяется выражением (2). Из формулы 2 видно, что термический КПД увеличивается с увеличением степени сжатия.

(2) При увеличении степени предварительного расширения ρ термический КПД будет уменьшаться.

Рост степени сжатия выше 15-18 единиц в цикле Дизеля ограничивается увеличением расхода работы на преодоление сил трения в двигателе.

4. Цикл со смешанным подводом теплоты.

Стремление обеспечить высокий термический КПД цикла в сочетании с большой работой цикла привело к созданию двигателя, где жидкое топливо, введённое в форкамеру при сравнительно не высоком давлении, распыляется струёй сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра (рис.4). Часть топлива быстро сгорает, практически при постоянном объёме, а часть

топлива, которая не успела перемешаться с воздухом, горит медленнее, уже при движении поршня в сторону расширения, так что можно считать давление поршня постоянным (рис.4). 1- впускной клапан; 2- выпускной клапан.

Рис.4.Схема ДВС со смешанным подводом теплоты.

Данный цикл (со смешанным подводом теплоты) был предложен в1904 г. русским инженером Г. Тринклером (рис.5)

Идеальный цикл Г.Тринклера состоит из процессов:

1-2 В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счёт инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение рабочей смеси.

2-3 Сгорание части топлива в небольшом объёме форкамеры (при V=const).

Рис.5.Индикаторная диаграмма ДВС со смешанным подводом теплоты.

3-4 Догорание оставшегося топлива в рабочем цилиндре при V=const.

4-5 Адиабатическое расширение продуктов сгорания.

5-1 Удаление выхлопных газов (отвод теплоты) при V=const.

4.1. Характеристики цикла.

1. Степень сжатия ε.

2.Степень повышения давления λ.

3.Степень предварительного расширения ρ.

4.Термический КПД.

Анализ формулы показывает, что термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты зависит от всех трёх параметров.

Сравнение различных циклов ДВС.

1. При одинаковых степенях сжатия наиболее экономичен цикл с подводом теплоты при постоянном объёме, так как:

— подвод теплоты осуществляется при наиболее высокой температуре;

2. При одинаковых степенях сжатия увеличение степени повышения давления в цикле с v=const приведёт к росту максимального давления, а в цикле Дизеля этого не произойдёт, так как λ= 1. Увеличение давления приведёт к росту нагрузок на детали КШМ. Следовательно, увеличение λ, а

вместе с ним и работы в цикле с v=const не всегда компенсируется более высоким КПД цикла.

3.Преимущества циклов с подводом теплоты при постоянном давлении и со смешанным подводом теплоты являются более высокие степени сжатия. Поэтому циклы поршневых ДВС необходимо сравнивать при одинаковых максимальных давлениях и одинаковых количествах подведённой теплоты. В этом случае КПД цикла Дизеля будет больше КПД цикла Отто, а так как

Смешанный цикл и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении осуществляются с одинаковыми степенями сжатия, а максимальное давление у смешанного цикла оказывается больше (так как λ 1), то и термический КПД смешанного цикла оказывается более высоким.

Занятие 3.

Тема: ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА.

Учебные вопросы:

Индикаторная диаграмма.

Процессы газообмена.

Параметры процесса газообмена и факторы, влияющие на него.

Литература:

Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: Учебное пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004.-368с.

с. 47 – 60.

1.Индикаторная диаграмма.

1.1.Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических.

Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

1.Действительные циклы являются разомкнутыми.

2.Вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания.

3.Изменяется химический состав рабочего тела.

4.Теполоёмкость рабочего тела постоянно меняется.

5.Идёт постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.

1.2. Индикаторная диаграмма.

Индикаторной диаграммой называется зависимость изменения давления ( p) от изменения объёма (v) рис.1. Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свёрнутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сгорания, сжатия и расширения (рис.1 красная штриховка) соответствует полезной работе или индикаторной работе Li действительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:

Li = Q1 – Q2, где:Q1— количество подведённой теплоты.

Q2— тепловые потери действительного цикла. В действительном цикле Q1зависит от массы и теплоты сгораемого топлива, вводимого в двигатель за цикл.

Экономичность действительного цикла оценивают индикаторным КПД , который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу Li, к теплоте подведённого в двигатель топлива:

=. Подставляя значение Li, формулу индикаторного КПД

можно записать так:= (Q1–Q2) / Q1 = 1- . В современных двигателях тепловые потери составляют 55 – 70%.

По индикаторной диаграмме (рис.1) можно определить процессы действительного цикла четырёхтактного двигателя.

Процессы, составляющие рабочий цикл двигателя, можно разбить на две группы:

а).Процессы сжатия, сгорания и расширения образуют рабочую часть цикла.

б).Процессы выпуска и впуска. Эта группа процессов образует вторую часть рабочего цикла. Поскольку осуществление процессов выпуска и впуска обеспечивает смену рабочего тела в цилиндре, эти процессы называются процессами газообмена.

Рис.1.Свёрнутая индикаторная диаграмма четырёхтактного двигателя с принудительным воспламенением.

1.Процесс впуска свежего заряда(кривая frdak).

2.Выпуск отработавших газов (кривая b1bfrd).

3.Процесс сгорания (кривая с1с»zz»).

4.Процесс расширения (кривая с»zb1b»).

При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая объём, который заполняется горючей смесью в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.

Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f), конец впуска – его закрытием (точка k). Начало и конец выпуска соответст-

вено в точкахb1 и d.

Не заштрихованная зона b1bb на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ.

Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k-c»). До закрытия впускного клапана (кривая a-k) давление в цилиндре остаётся ниже атмосферного (p0).

В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с) и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z).

Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающим перемещении поршня, расчётные точки с и z1 не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчётной.

Воспламенение горючей смеси осуществляется от электрического разряда. Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

2. Процессы газообмена.

2.1 Развитие процессов газообмена.

Очистка цилиндров двигателя от продуктов сгорания и наполнение их свежим зарядом называется процессом газообмена.На рис.2 приведена индикаторная диаграмма процессов газообмена.

Процесс выпуска.

Выпускной клапан начинает открываться в такте расширения за 30…700 до НМТ. В первый период выпуска происходит свободное истечение газов под действием больших перепадов давления.

Рис.2 Процессы газообмена.

Второй период выпуска характеризуется принудительным вытеснением газов из цилиндров поршнем при его движении к ВМТ. Закрытие выпускного клапана происходит обычно с некоторым запаздыванием относительно ВМТ. В процессе выпуска отработавшие газы из цилиндра полностью не удаляются. Те газы, которые остаются в цилиндре и, смешиваясь со свежим зарядом, участвуют в совершении следующего цикла, называются остаточными.

Процесс впуска.

Процесс впуска осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ. Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, зависит от общего гидравлического сопротивления впускной системы, т.е. от разности между давлением окружающей среды и давлением в цилиндре, которая изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ.

2.2. Влияние фаз газораспределения на процессы газообмена.

Установлено, что для лучшего газообмена впускной и выпускной клапаны открываются и закрываются не в крайних положениях поршня. Графическое изображение моментов открытия и закрытия клапанов называется фазами газораспределения (рис.3).

Рис.3.Диаграмма фаз газораспределения.

В таблице представлены фазы газораспределения автомобильных двигателей.

Двигатель

Впускные клапаны

Выпускные клапаны

Перекры-

тие

клапанов

Начало открытия до ВМТ

Конец

закрытия

после НМТ

Продолжи-

тельность

открытия

Начало открытия до НМТ

Конец

закрытия

после ВМТ

Продолжи-

тельность

открытия

ВАЗ-2121

12,5

51

243,5

38

10

228

23,5

ЗИЛ-508.10

31

83

294

67

47

294

31

КамАЗ-740

13

49

242

66

10

256

23

ЯМЗ- 238



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст




sitemap sitemap