Цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном давлении

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) благодаря высокой экономичности, небольшой массе, быстрому запуску нашли применение в различных отраслях промышленности, особенно в авиации и на транспорте. ДВС относятся к тепловым двигателям, в которых все рабочие процесс протекают внутри рабочих цилиндров. Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, а остальная часть отдается окружающей среде.

Циклы ДВС в зависимости от способа подвода теплоты к рабочему телу подразделяются на три группы:

1. с подводом теплоты при постоянном объеме – υ=const (цикл Отто);

2. с подводом теплоты при постоянном давлении – р=const (цикл Дизеля);

3. со смешанным подводом теплоты: частично при υ=const, а затем при p=const (цикл Тринклера).

4.1 Цикл ДВС с подводом теплоты при υ=const

При термодинамическом анализе циклов ДВС приняты следующие допущения, позволяющие анализировать работу двигателей.

1. В качестве рабочего тела принимается идеальный газ, теплоемкость которого не зависит от температуры.

2. Цикл замкнут, и на всех его стадиях качественный и количественный состав рабочего тела остается неизменным.

3. Теплота к рабочему телу подводится от внешнего горячего источника, а не за счет сжигания топлива, а отводится к внешнему холодному источнику, а не выбросом в атмосферу.

4. Процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают без теплообмена с внешней средой.

5. Отсутствует трение между элементами шатунно-поршневой группы и гидравлическое сопротивление в клапанах и подводящих трубопроводах.

6. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно мала.

Теоретический замкнутый цикл Отто при принятых допущениях представлен на рис.9 и рис.10 цикл состоит из двух адиабат и двух изохор.

Рис.9. Цикл Отто в р-υ диаграмме.

Рис.10. Цикл Отто в T-s диаграмме.

Количество подведенной теплоты q1 и отведенной q2 в идеальном цикле можно представить произведением теплоемкости процесса на соответствующую разность температур

Теплота, эквивалентная совершенной полезной работе цикла, в соответствии с первым законом термодинамики составляет величину

Термический КПД цикла находится из известного выражения

=1- =1-1/ε k -1

где k=cрυ – показатель адиабаты; ε=р21 – степень сжатия.

Из последнего выражения следует, что термический КПД цикла Отто зависит от показателя адиабаты и степени сжатия рабочей смеси. Величина k учитывает свойства рабочего тела и определяется его молекулярным составом. Степень сжатия зависит от конструкции двигателя и состава рабочей смеси. С возрастанием ε и k термический КПД цикла увеличивается. Из выражения также следует, что для данного рабочего тела величина КПД в цикле Отто зависит только от степени сжатия. Именно по пути увеличения степени сжатия шло развитие и совершенствование ДВС. Однако оказалось, что увеличение степени сжатия рабочей смеси ограничивается температурой T2 конца сжатия, при которой возникает опасность самовоспламенения горючей смеси еще до прихода поршня в крайнее верхнее положение, что нарушает нормальную работу двигателя.

4.2 Цикл ДВС с подводом теплоты при р=const

Стремление повысить термический КПД двигателя за счет увеличения степени сжатия привело к замене легковоспламеняемой рабочей смеси негорючим рабочим телом. Был создан новый двигатель – дизель, в цилиндре которого сжимается чистый воздух до высокого давления, а топливная смесь вводится в камеру сгорания специальным компрессором в конце процесса сжатия. Это позволило исключить преждевременное самовоспламенение смеси, что сдерживало повышение термического КПД в цикле Отто. Рабочая смесь воспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха, намного превышающей температуру самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр двигателя подается постепенно, а не сразу, что обуславливает его постепенное, а не мгновенное сгорание. При этом давление цилиндре несколько повышается, но остается более или менее постоянным за счет постепенного увеличения объема камеры сгорания при движении поршня.

Читайте также:  Какое масло для двигателя выбрать что такое допуски

Идеализированный цикл ДВС с изобарным подводом теплоты состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), одной изобары (2-3) и изохоры (4-1).

В цикле Дизеля повторяются те же периоды, что и в цикле Отто, и он состоит из следующих процессов (рис.12):

1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха до давления р2 и температуры T2;

2-3 – процесс сгорания топлива при р=const, при этом происходит изобарный подвод теплоты q1 к рабочему телу; этот процесс является частью рабочего хода поршня, при котором объем цилиндра увеличивается от υ2 до υ3, что обеспечивает примерно постоянное давление процесса горения;

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела, продолжается рабочий ход поршня, во время которого совершается внешняя механическая работа двигателя; температура и давление продуктов сгорания падают, а объем увеличивается;

4-1 – процесс выброса в атмосферу отработавших газов, а сними и теплоты q2.

Характеристиками цикла являются степень сжатия ε=р21 и степень предварительного расширения ρ=υ32. Tермический КПД цикла Дизеля согласно общему выражению

Соотношение показывает, что термический КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении также зависит от степени сжатия и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения.

Рис.12. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля).

Степень сжатия в двигателях Дизеля определяется температурой воспламенения топлива и лежит в пределах ε=13-18. дальнейшее увеличение степени сжатия в целях увеличения КПД оказывается нецелесообразным и сводится на нет резким уменьшением механического КПД двигателя. Это связано с возникновением значительных сил сопротивления в узлах трения, увеличивающихся с возрастанием давления в цилиндре.

Двигатели, работающие по циклу Дизеля, имеют ряд преимуществ по сравнению с циклом Отто: более высокий КПД, отсутствует карбюратор, нет запального устройства, используется дешевое низкосортное топливо.

4.3 Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты при υ=const и р=const

Стремление упростить конструкцию и улучшить работу двигателей Дизеля привело к созданию бескомпрессорного двигателя со смешанным сгоранием рабочего тела. Цикл, по которому работают такие двигатели, получил название цикла Тринклера.

Цикл Тринклера (рис.12) является комбинацией циклов с подводом теплоты при υ=const и р=const и лишен их недостатков. Идеализированный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), двух изохор (2-5 и 4-1) и изобары (5-3). В этих двигателях, как и в дизелях, сжатие топлива и смеси производится раздельно. Двигатели Тринклера в верхней части цилиндра имеют специальную камеру, соединенную с цилиндром узким каналом. Воздух с параметрами T1, р1, υ1 адиабатно сжимается в цилиндре (процесс 1-2) до давления р2, соответствующего температуре, которая на 200-300 о С выше температуры самовоспламенения жидкого топлива. Топливо, распыляемое в форкамере форсунками, подается к ним под большим давлением плунжерным насосом. Часть топлива (меньшая) почти мгновенно (при υ=const) сгорает в форкамере (процесс 2-5). При этом к рабочему телу подводится теплота q1 ′ . Образовавшимся давлением большая часть несгоревшего топлива и воздуха выталкивается из форкамеры в цилиндр и догорает в нем при движущимся слева направо поршне (процесс 5-3).

Рис.12. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера).

Давление в процессе горения 5-3 не возрастает резко, как в двигателях быстрого сгорания, а изменяется незначительно, приближаясь к линии р=const. К рабочему телу подводится теплота q1 ′′ . Дальнейшее адиабатное расширение продуктов сгорания (процесс3-4) обеспечивает рабочий ход поршня, по окончании которого происходит удаление отработавших газов в атмосферу (процесс4-1), с ними отводится теплота q2.

Читайте также:  Троит двигатель форсунка газель 405

Характеристиками цикла являются: степень сжатия ε=р21, степень повышения давления λ=р52, степень предварительного расширения ρ=υ35 .

Термический КПД цикла:

Из анализа выражения следует, что термический КПД цикла Тринклера возрастает с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ.

Все современные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от теплоты сжатия работают по циклу со смешанным сгоранием топлива, что объясняется более высокими значениями термического КПД по сравнению с другими рассмотренными циклами.

| следующая лекция ==>
Многоступенчатые компрессоры | ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Дата добавления: 2017-04-20 ; просмотров: 4662 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Электронная библиотека

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие циклы:

· со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

· с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

· с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const).

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью, и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух, и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100…150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих процессов (рис. 9.14): aс – адиабатное сжатие; cz’ – изохорный подвод теплоты; z’z – изобарный подвод теплоты; ze – адиабатное расширение; еа – изохорный отвод теплоты.

Рис. 9.14. Диаграммы работы цикла со смешанным подводом теплоты

Цикл является как бы обобщающим для всех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом зависит от заданного начального состояния в точке с и от параметров цикла:

· степени сжатия (степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc; разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра Vh);

· степени изохорного повышения давления ;

· степени предварительного (изобарного) расширения .

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

Термический КПД смешанного цикла равен:

Подставляя выражения для соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим:

Как видно из формулы (9.9), термический КПД цикла растет с увеличением и k и уменьшается с увеличением . Степень изохорного повышения давления связана с величиной . Чем больше , тем меньше (при тех же значениях и q2). Тогда с ростом термический КПД смешанного цикла увеличивается.

Работа теоретического цикла определяется по формуле:

Отношение работы цикла к рабочему объему vh характеризует среднее давление цикла:

Среднее давление смешанного цикла равно:

Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления цикла является повышение начального давления – наддув двигателя.

Рассмотренный идеальный цикл лежит в основе работы всех современных дизелей.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является частным случаем рассмотренного цикла со смешанным подводом теплоты, когда степень изобарного расширения = 1.

Читайте также:  Как сделать преобразователь частоты для асинхронного двигателя

По этому циклу работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь до давления 1,0… 1,5 МПа и поджигается в конце сжатия от электрической искры. Идеальный цикл Отто (рис. 9.15) состоит из процессов адиабатного сжатия (ас), подвода к рабочему телу теплоты при v = const (cz), адиабатного расширения (ze) и отдачи рабочим телом теплоты при v =const (еа).

Параметры в узловых точках цикла определяются так же, как и для цикла со смешанным подводом теплоты.

Рис. 9.15. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

Из выражения (9.11) видно, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k рабочего тела, совершающего цикл. Несмотря на то, что с увеличением степени сжатия растут термический КПД и полезная работа цикла, при больших степенях сжатия ( > 10) в результате значительного повышения температуры в конце процесса сжатия может наступить самовоспламенение смеси.

Еще более существенным является то обстоятельство, что с увеличением степени сжатия, а следовательно, и с увеличением температуры в конце сжатия появляется детонация свежей рабочей смеси, которая приводит к взрывному характеру сгорания. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. По этой причине двигатели, работающие по циклу v = const, имеют вполне определенные предельные значения степени сжатия ( = 5,5…9,0).

Явление детонации в значительной степени зависит от сорта применяемого топлива, от его антидетонационных качеств. Поэтому сорт применяемого топлива определяет выбор предельного значения степени сжатия для двигателей легкого топлива.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) является также частным случаем обобщающего цикла при = 1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0…5,0 МПа, и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля (рис. 9.16) состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты Термический КПД и среднее давление цикла из формул (9.9) и (9.10) при = 1 соответственно равны:

Влияние на такое же, как и в циклах Тринклера и Отто, т.е. с увеличением степени сжатия увеличивается и термический КПД цикла. При увеличении степени предварительного расширения ( ), как видно из формулы (9.12), термический КПД цикла должен падать.

Рис. 9.16. Диаграммы работы цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

При постоянной степени сжатия увеличение вызовет увеличение объема vz , который зависит от подводимого количества теплоты q1. При увеличении q1 увеличивается объем vz, а вместе с ним увеличивается и работа цикла. Таким образом, возрастание приводит к увеличению работы и уменьшению термического КПД.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при v = const и p = const, видим, что они различаются множителем:

Отсюда следует, что при одинаковых степенях сжатия > .

Термодинамическая эффективность каждого из рассмотренных циклов зависит от конкретных условий его осуществления. Целесообразнее сравнивать циклы при различных степенях сжатия , но при одинаковых максимальных давлениях и температурах и одинаковом отведенном количестве теплоты q2.

Из TS-диаграммы (рис. 9.17) следует, что наибольший термический КПД будет у цикла с подводом теплоты при р = const:

КПД смешанного цикла имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при p = const и v = const.

Рис. 9.17. Сравнение циклов при различных степенях сжатия

При оптимальных степенях сжатия (для цикла Отто Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник

Adblock
detector