Циклы двигателей внутреннего сгорания

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический  университет»

 

Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Домашнее задание по дисциплине «Теплотехника»

Тема: «Циклы двигателей внутреннего сгорания»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. ЗПС-120

Королькова В.В.

 

Проверил: Шамутдинов А.Х.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2011

СОДЕРЖАНИЕ:

1 Краткие исторические сведения……………………………………………….3

2 Виды поршневых двигателей внутреннего сгорания………………………...3

3 Реальные и идеальные циклы………………………………………………….5

4 Цикл Тринклера………………………………………………………………...8

4.1 Расчет параметров в характерных точках цикла…………………………...9

4.2 Расчет энергетических характеристик  цикла……………………………...12

4.3 Анализ эффективности цикла……………………………………………....13

5 Цикл Отто……………………………………………………………………....16

6 Цикл Дизеля……………………………………………………………………18

7 Сравнение эффективности идеальных циклов………………………………19

 Использованная литература…………………………………………………....22

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

1 КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Назначение любого теплового  двигателя – превращение теплоты  в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при  сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. Топливо может сжигаться  вне тепловой машины (паровые машины и турбины) – это так называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которых процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Одним из первых указал на возможность создания ДВС Сади Карно в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.). В 1860 г. французский механик Ленуар построил первый ДВС, работающий на светильном газе, но без предварительного сжатия рабочего тела. Двигатель имел низкий КПД и не получил широкого распространения.

В 1877 г. немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель, работа которого осуществлялась по принципу, запатентованному французом Бо-де-Роша в 1862 г. В 1897 г. немецкий инженер Дизель разработал двигатель, работающий на керосине, который распылялся в цилиндре воздухом высокого давления от компрессора. В 1904 г. русским инженером Тринклером Г.В. был построен безкомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива. Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире.

2 ВИДЫ ПОРШНЕВЫХ ДВС 

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, остальная часть отдается окружающей среде.

Основными элементами любого поршневого ДВС являются цилиндр 1 с поршнем 2, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма 6, 7 (рис. 1). В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива). Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и регулирования (на рисунке не показаны).

Рис. 1. Схема  поршневого ДВС 

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. 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.

По способу  приготовления горючей смеси  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 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.

3 РЕАЛЬНЫЕ И ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ

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 прибора – индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис.2).

Рис. 2. Действительная индикаторная диаграмма

четырехтактного двигателя  

Рассмотрим диаграмму:

0-1 – 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,

1-2 – сжатие воздуха  или рабочей смеси, 

2-3'-3 – период горения  рабочей смеси, 

3-4 – рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа,

4-5 – выхлоп отработавших  газов, падение давления до  атмосферного происходит практически  при постоянном объеме,

5-0 – освобождение  цилиндра от продуктов сгорания.

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:

1)     циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело).

2)     Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью

3)     Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты)

4)     Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют.

5)     Процессы 0-1 и 5-0 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 (обратимого) цикла, а затем - реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.

Для ДВС рассматривают  следующие основные циклы:

а) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) - цикл Отто;

б) цикл с подводом теплоты при  постоянном давлении (р = const) - цикл Дизеля;

в) цикл со смешанным подводом теплоты, как при v =const и р=const - цикл Тринклера. 

 

 

4 ЦИКЛ ТРИНКЛЕРА 

Цикл со смешанным  подводом теплоты – цикл Тринклера  – характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива.

Особенности: механическое распыление горючего (с помощью плунжерного  насоса), внутреннее смесеобразование, самовоспламенение от сжатого до высокой температуры воздуха.

Это теоретический цикл всех современных транспортных и  стационарных дизелей.  

 Изобразим цикл  на рабочей и тепловой диаграмме  (рис.3).  

Рис.3. Цикл Тринклера. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

Рассмотрим термодинамические  процессы цикла:

1-2 – адиабатное сжатие,

2-3 – изохорный подвод теплоты,

3-4 – изобарный подвод теплоты, 

4-5 – адиабатное расширение,

5-1 – изохорный отвод теплоты.

Характеристики цикла:

- степень сжатия (отношение объемов  в начале и конце процесса  сжатия 1-2).

 - степень повышения давления (отношение давлений в процессе изохорного подвода теплоты).

 - степень предварительного расширения (отношение объемов в процессе  изобарного подвода теплоты). 

 При анализе считают  известными: состояние рабочего  тела в т.1( Т₁, p₁) и характеристики цикла ε, λ, ρ. Вместо одной из характеристик может быть задана максимальная температура или максимальное давление. 

Расчет цикла заключается  в определении:

·        параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (p, T, v),

·        энергетических характеристик цикла: подводимой удельной теплоты q₁, отводимой удельной теплоты q₂, цикловой работы l_ц и термического КПД цикла η_t

4.1 Расчет параметров в характерных точках цикла

Для определения параметров состояния в точке 2 рассмотрим процесс 1-2 - адиабатное сжатие. Запишем уравнение  адиабатного процесса в следующем  виде:

pv ^k = const,  или .

Выразим из уравнения давление в  т.2:

.

Для определения температуры в  т.2 запишем уравнение адиабатного  процесса в виде:

Tv^k-1=const, или T₁v₁^k-1=T₂v₂^k-1.

Отсюда:

.

Для определения параметров состояния  в точке 3 рассмотрим процесс 2-3 - изохорный  процесс с подводом теплоты, при  этом давление возрастает пропорционально  температуре:

.

Давление в т.3 можно рассчитать по формуле:

.

Температура в т.3:

.

Для определения параметров состояния  в точке 4 рассмотрим процесс 3-4 –  изобарное расширение с подводом теплоты, при этом удельный объем  возрастает  пропорционально температуре:

.

Давление в т.4: р₄=р₃.

Температура в т.4:

. 

 

Определим параметры состояния  в точке 5.

Рассмотрим процесс 4-5 - адиабатное расширение. Используя уравнение  адиабатного процесса, получим выражение  для абсолютного давления в т.5:

Для определения абсолютной температуры  в т.5 рассмотрим изохорной процесс 5-1.

Для изохорного процесса:

.

Отсюда:

.

Определив таким образом давление и температуру в характерных  точках, можно рассчитать удельный объем v в каждой точке, используя уравнение Клапейрона.

. 

4.2 Расчет энергетических характеристик цикла

Подводимая  теплота.

В цикле Тринклера  теплота подводится в двух процессах: 2-3 (v=const) и 3-2 (p=const), поэтому она  будет равна сумме:  

.

Подставляя значения температур, получим:

q₁= с_v(T₁le^k-1-T₁e^k-1)+с_p(T₁lre^k-1-T₁le^k-1)= с_vT₁e^k-1[l-1+kl(r-1)].

Отводимая теплота.

Теплота отводится в  изохорном процессе 4-5. Определим ее абсолютное значение, т.к. она отрицательная.

.

Подставляя значения температур, получим:

|q₂|= с_v(T₅-T₁)=с_vT₁(lr^k-1). 

 

Разница между подводимой и отводимой теплотой:

  графически равна площади  цикла на тепловой диаграмме (см. рис.2).

Работа цикла.

Работа цикла равна  разнице между подводимой и отводимой  теплотой:

=с_vT₁{e^k-1[l-1+kl(r-1)]- (lr^k-1)}.

Графически работа цикла  равна площади цикла на рабочей  диаграмме  (см. рис.2).

Термический КПД цикла.

Термический КПД цикла  равен отношению цикловой работы к подводимой теплоте:

. 

 

 

 

4.3 Анализ эффективности цикла 

Термический коэффициент  полезного действия (КПД) цикла зависит от характеристик цикла ε, λ, ρ и от свойств рабочего тела (k= ).

Показатель адиабаты k определяется составом продуктов сгорания и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37.

Проанализировать влияние  характеристик цикла ε, λ, ρ на КПД удобнее всего по тепловой диаграмме. Известно, что чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.

1) При увеличении степени  сжатия конечная точка процесса 1-2 сместится в т.2' (рис. 4). Средняя температура подвода теплоты  при этом увеличивается, следовательно, термический КПД также увеличится. 

  .

Для цикла Тринклера  степень сжатия изменяется в пределах: .

Рис. 4. К анализу эффективности  цикла Тринклера

 

2) С увеличением степени  повышения давления конечная  точка процесса 2-3 сместится в  т.3'. Средняя температура подвода  теплоты   при этом увеличивается, значит термический КПД также увеличится.

.

Обычное значение . 

 

3) Если увеличить степень  предварительного расширения, то  конечная точка процесса 3-4 сместится  в т.4'. Надо отметить, что для  замкнутости цикла т. 5 необходимо сместить в т. 5'.

Средняя температура  подвода теплоты увеличивается  . Но в этом случае увеличится и средняя температура отвода теплоты .

 - растет быстрее (по изохоре),  растет медленнее (по изобаре).

Температурный диапазон цикла сузится, значит термический КПД уменьшится.

;

Таким образом, увеличение степени предварительного расширения снижает термический КПД. На практике  ρ стараются уменьшить: . 

 

Конструкция двигателя, работающего по циклу Тринклера, включает «предкамеру» (рис.5). После  сжатия воздуха в «предкамеру» подается под высоким давлением топливо  и происходит быстрое сгорание приготовленной смеси при постоянном объеме, а потом происходит сгорание горючего при постоянном давлении по мере его поступления в камеру сгорания.   

 

Рис.5. Схема ДВС, работающего  по циклу Тринклера

(1 – впускной клапан, 2 – выпускной клапан)

 

5 ЦИКЛ ОТТО

Это цикл бензиновых ДВС  с внешним смесеобразованием  и принудительным искровым зажигание  горючей смеси. Такие ДВС применяют  на легковом автотранспорте.

Рабочая и тепловая диаграммы  цикла Отто представлены на рис. 6.

Характеристики цикла:

- степень сжатия 

 - степень повышения давления.

 

 

Рис.6. Цикл Отто. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

(1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 –  изохорный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты)  

 

Параметры состояния  рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера.

Подводимая теплота:   

Отводимая теплота: .

Работа цикла  . 

 

Термический КПД цикла:  .

Чем больше степень сжатия ε, тем выше эффективность цикла. Увеличение ε в карбюраторных  двигателях ограничено наступлением детонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры сгорания, поэтому ε = 6~12.

6 ЦИКЛ ДИЗЕЛЯ  

Это цикл компрессорных дизелей - ДВС  тяжелого топлива (дизельного, солярного и др.) с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением горючего от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

Рабочая и тепловая диаграммы  цикла Дизеля представлены на рис. 7.  

 

Рис.7. Цикл Дизеля. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

(1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 –  изобарный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты)  

 

Характеристики цикла:

- степень сжатия 

 - степень предварительного расширения

Параметры состояния  рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера.

Подводимая теплота:  

Отводимая теплота: .

Работа цикла   

 

Термический КПД цикла:  .

Верхний предел ε  ограничивается в дизелях быстрым увеличением давления. Применяют значения ε = 14~25. Увеличение ρ отрицательно влияет на повышение эффективности цикла. По мере совершенствования процессов смесеобразования и горения ρ уменьшается.

7 СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИДЕАЛЬНЫХ ЦИКЛОВ 

Термодинамическая эффективность  циклов зависит от условий их осуществления. В одних условиях эффективен один цикл, в других – другой.

1. Сравним  циклы Отто и Дизеля по значению термического КПД  при одинаковых степенях сжатия.

Для наглядности будем  использовать графическую интерпретацию  подводимой и отводимой теплоты  на тепловой диаграмме (рис. 8): площадь нелинейной трапеции ниже линии процесса численно равна удельной теплоте.

Рис. 8. Сравнение циклов Отто (123'4) и Дизеля (123''4)

при одинаковой степени  сжатия 

 

                                     

При одинаковых степенях сжатия цикл с изохорным подводом теплоты имеет больший КПД, чем цикл с изобарным подводом. Цикл Тринклера будет занимать промежуточное значение.

2. Целесообразнее сравнивать циклы при одинаковых конечных давлениях и температурах (рис.9), т. е. в условиях одинаковых допустимых термических и механических напряжений.

Рис. 9. Сравнение циклов Отто (12'34) и Дизеля (12''34)

в одинаковом температурном диапазоне 

 

                           

 

 

В этих условиях эффективность  цикла с изобарным подводом теплоты  выше, чем с изохорным подводом теплоты; эффективность цикла Тринклера окажется средней между ними. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1) http://ttech.pstu.ac.ru/teplot/tt/study/2006-07/lection/td/t8/dvs_gtu.htm