2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Цикл поршневого двигателя имеет следующие характеристики

Цикл поршневого двигателя имеет следующие характеристики

Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называют совокупность процессов, повторяющихся в цилиндре в такой последовательности: впуск свежего заряда, сжатие, расширение или рабочий ход, выпуск.

Цикл может быть осуществлен либо за четыре, либо за два такта. В первом случае цикл называется четырехтактным, во втором – двухтактным.

Рабочий цикл поршневого двигателя проходит по одной из двух схем, представленных на рис.1. На схеме, изображенной на рис.1,а, представлен рабочий цикл с внешним смесеобразованием (бензиновые и газовые двигатели), а на рис.1,б – рабочий цикл с внутренним смесеобразованием (дизели и бензиновые с непосредственным впрыском).

Рисунок 1 – Схемы рабочего цикла двигателей

а) с внешним смесеобразованием; б) с внутренним смесеобразованием

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

При рассмотрении цикла условно принять, что начало рабочего цикла совпадает с ВМТ, а каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Первый такт – впуск

При вращении коленчатого вала (по направлению стрелки) поршень перемещается из ВМТ в НМТ, впускной клапан открывается, выпускной клапан закрыт. Через открытый клапан цилиндр соединяется с системой впуска. Вследствие гидравлического сопротивления впускного трубопровода, впускного клапана и увеличения объема при перемещении поршня давление в цилиндре становится меньше атмосферного и воздух поступает в цилиндр. Горючая смесь, состоящая из паров мелкораспыленного топлива и воздуха, поступает под действием разряжения из впускного трубопровода в цилиндр, где смешивается с небольшим количеством остаточных газов, оставшихся от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь.

При подходе поршня к НМТ давление в цилиндре на 0,01…0,02 МПа меньше атмосферного, а температура смеси вследствие подогрева от контакта с нагретыми деталями двигателя и перемешивания с отработавшими газами повышается до 350…390 К.

Второй такт – сжатие

Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в НМТ. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из НМТ в ВМТ и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми.

Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра увеличивается и достигает (в зависимости от степени сжатия) 1,0…1,5 МПа, а температура 600…650 К.

Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение топлива в бензиновых двигателях, осуществляемое электрической искрой, обычно производится до прихода поршня к ВМТ.

Третий такт – расширение или рабочий ход

Оба клапана закрыты. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество горячих газов, вследствие чего в цилиндре резко увеличиваются температура и давление. Под действием давления газов поршень перемещается к НМТ, газы расширяются и совершают полезную работу.

В начале расширения давление составляет 3…4 МПа, температура 2300…2500 К, а при подходе поршня к НМТ, вследствие увеличения объема, давление снижается до 0,3…0,5 МПа, а температура составляет 1200…1500 К.

Четвертый такт – выпуск

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в атмосферу.

При такте выпуска не достигается полная очистка цилиндра от отработавших газов, поэтому в конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105…0,120 МПа, а температура 700…900 К.

После окончания такта выпуска рабочий цикл повторяется в рассмотренной выше последовательности.

Только при такте расширения совершается полезная работа, а остальные такты являются вспомогательными и поршень при этих тактах перемещается за счет энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателя).

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения газов или рабочего хода и выпуска. Однако рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла бензинового двигателя. В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия, вследствие чего значительно повышается его давление и температура. В конце сжатия в нагретый воздух из форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с горячим воздухом.

Первый такт – впуск

При движении поршня от ВМТ к НМТ давление в цилиндре снижается вследствие гидравлического сопротивления воздухоочистителя, впускного трубопровода и через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух. Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура его повышается, но меньше, чем в бензиновом двигателе, так как количество остаточных газов в цилиндре дизеля меньше, чем в бензиновом двигателе. Кроме того, подогрев воздуха происходит и от контакта с нагретыми деталями двигателя, и в конце такта впуска температура воздуха достигает 320…350 К, а давление 0,08…0,09 МПа.

Второй такт – сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и при подходе поршня к ВМТ составляют: давление 4,0…5,5 МПа, а температура 850…1000 К. В конце такта сжатия с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением впрыскивается мелкораспыленное топливо. Давление впрыскивания составляет 13,0…18,5 МПа. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с воздухом и воспламеняются.

Третий такт – расширение или рабочий ход

При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличивается давление и температура образовавшихся газов.

В начале такта расширения давление газов составляет 6,0…8,0 МПа, а температура 2100…2300 К.

Под действием давления поршень из ВМТ перемещается в НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют: давление 0,2…0,4 МПа, температура 800…1200 К.

Четвертый такт – выпуск

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в атмосферу.

В конце такта выпуска давление газов 0,11…0,12 МПа, температура 800…900 К.

После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы впуска и выпуска совмещены по времени с процессами сжатия и расширения. В отличие от четырехтактного двигателя очистка цилиндра от отработавших газов и наполнение его свежим зарядом происходит при положении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от отработавших газов осуществляется не выталкиванием их поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью.

На рис.2 представлена схема двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой.

Рисунок 2 – Схема двухтактного карбюраторного двигателя

1 – впускное окно; 2 – выпускное окно; 3 – свеча зажигания; 4 – цилиндр; 5 — поршень; 6 – перепускное окно; 7 – канал; 8 – герметичный картер

В этом двигателе нет специального механизма газораспределения. Вместо него цилиндр имеет окна: впускное окно 1, соединяющее цилиндр с карбюратором; выпускное окно 2 и перепускное окно 6, соединяющее цилиндр с герметичным картером при помощи канала 7. Перемещающийся внутри цилиндра поршень в определенной последовательности открывает и закрывает окна, выполняя функции механизма газораспределения. В цилиндр двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой горючая смесь поступает через картер. Для подготовки двигателя к работе необходимо сделать два подготовительных хода: первый – впуск горючей смеси в картер; второй – перепуск горючей смеси из картера в цилиндр.

Первый такт

Поршень 5 перемещается снизу вверх и боковой поверхностью сначала закрывает перепускное окно 6, а затем и выпускное 2. В цилиндре происходит сжатие рабочей смеси, а в картер вследствие разряжения из карбюратора поступает горючая смесь. При подходе поршня к ВМТ между электродами свечи зажигания появляется электрическая искра, в результате чего рабочая смесь в цилиндре воспламеняется и сгорает.

Второй такт

Образовавшиеся горячие газы расширяются и давят на поршень, вследствие чего он опускается вниз, совершая рабочий ход. В конце рабочего хода поршень сначала открывает выпускное окно 2, и отработавшие газы из цилиндра через глушитель выходят в атмосферу. Опускаясь ниже, поршень открывает перепускное окно 6, и горючая смесь по каналу 7 поступает в цилиндр, заполняет его и вытесняет отработавшие газы. Незначительная часть горючей смеси вместе с отработавшими газами выходит в атмосферу и не принимает участия в рабочем цикле.

Примечание: Параметры цикла (давление и температура) соответствуют параметрам четырехтактного бензинового двигателя.

Двухтактные двигатели, работающие по данной схеме газообмена, имеют сухой картер, т.е. в картере отсутствует смазочный материал. Для смазывания трущихся деталей двигателя смазочный материал добавляют к топливу в пропорции 1:20 по объему. Следовательно, горючая смесь в виде воздуха, топлива и масла обеспечивает при своем движении одновременно и смазку двигателя.

На рис.3 показан принцип действия четырех- и двухтактного двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 3 – Принцип действия двигателя внутреннего сгорания

Обобщённый идеальный цикл поршневых двигателей и термодинамический КПД различных циклов

ДВС, как и другие тепловые двигатели, предназначен для преобразования в механическую работу тепловой энергии выделяющейся при сгорании топлива.

Согласно второму закону термодинамики невозможно создать такой двигатель, который бы полностью превращал тепловую энергию в механическую. Для того, чтобы можно было осуществить такой процесс преобразования энергии, необходимо часть подводимого тепла отдавать холодному телу.

Кроме неизбежного отвода теплоты, определяемого выбранным циклом, при работе всякого теплового двигателя возникают дополнительные потери энергии вследствие несовершенства рабочего вещества и охлаждением стенок рабочей полости, в которой происходит догорание топлива, а также потери на зарядку и очистку цилиндра и на трение трущихся деталей. Величина этих потерь определяется совершенством реального двигателя и его рабочего цикла. Все эти дополнительные потери при рассмотрении идеальных циклов во внимание не принимаются.

Таким образом, под идеальным циклом подразумевается упрощённая термодинамическая схема рабочего цикла двигателя, не имеющая каких–либо потерь энергии кроме неизбежной отдачи теплоты холодному телу.

Изучение идеальных циклов даёт возможность установить предел использования теплоты в том или другом двигателе, сравнить между собой экономичность различных циклов и выявить пути дальнейшего совершенствования тепловых двигателей.

При рассмотрении идеальных циклов делаются следующие допущения:

1) Предполагается, что цикл осуществляется постоянным количеством идеального газа неизменного химического состава и постоянной теплоёмкости.

2) Предполагается, что процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с окружающей средой, т.е. адиабатно.

3) Сгорание топлива и удаление продуктов сгорания заменяется условными процессами подвода и отвода теплоты протекающими при V = const или р = const.

Цикл состоит из следующих процессов: – адиабатного сжатия ас;

– смешанного подвода теплоты частью по изохоре су, частью по изобаре yz;

– адиабатного расширения zb;

Читать еще:  Глухой звук при запуске двигателя

– смешанного отвода теплоты частью по изохоре bf, частью по изобаре fa.

Рис. 2.1 – Схема обобщённого идеального цикла

Параметры, характеризующие идеальный цикл:

– степень сжатия ;

– степень повышения давления при сгорании ;

– степень предварительного расширения – отношение объёма в конце расширения к объёму в конце сжатия;

– степень последующего расширения – отношение объёма в конце расширения к объёму в конце подвода теплоты;

– характеристика способа отвода теплоты .

Теплоиспользование в идеальном цикле характеризуется значением термодинамического КПД ηt, который собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу ко всей теплоте, подведённой в цикле

. (2.1)

Выразим количество подведённой теплоты и отведённой теплоты в цикле через температуры в характерных точках цикла и соответствующие теплоёмкости процессов

Q1 = cv(Ty – Tc) + cp(Tz – Ty), (2.2)

Q2 = cv(Tb – Tf) + cp(Tf – Ta). (2.3)

Тогда выражение для термодинамического КПД можно записать

, (2.4)

Разделим числитель и знаменатель на сv и зная, что – показатель адиабаты получим

. (2.5)

Рекомендуем также:

Технологическая карта ежедневного обслуживания автомобиля
Основные сведения, элементы технологической карты (ТК): 1. Перечень работ 2. Технические требования 3. Инструмент, оборудование 4. Эксплуатационные материалы (марка, объем) 5. Норма времени (чел-мин.) 6. Схема, рисунок или фотография 7. Точки контроля Технологическая карта (Таблица 1). Ви .

Расчет дыхательного клапана
Дыхательные клапана устанавливаются на резервуарах, для защиты оборудования от превышения давления сверх установленного. После снижения давления до нужного предела предохранительный клапан прекращает сброс среды. Предохранительные клапана подбираются по площади проходного сечения, которая определ .

Устройство и работы смазочной системы
Легковой автомобиль с карбюраторным двигателем. ВАЗ-2101. Система смазки комбинированная. Под давлением смазываются коренные и шатунные подшипники, опоры и кулачки распределительного вала, подшипники валика и шестерня привода масляного насоса и распределителя зажигания. Маслом, вытекающим из зазо .

Цикл поршневого двигателя имеет следующие характеристики

Основные показатели двигателя и его общее устройство. К основным показателям двигателей внутреннего сгорания относятся тип двигателя, число тактов, расположение цилиндров, порядок работы цилиндров, направление вращения коленчатого вала, диаметр цилиндра и ход поршня, рабочий объем (литраж), степень сжатия, эффективная мощность, максимальный крутящий момент, минимально устойчивая частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, минимальный удельный расход топлива. Для понимания этих показателей рассмотрим общее устройство и работу одноцилиндрового карбюраторного двигателя (рис. 2.1).

Четырехтактные поршневые двигатели имеют следующие механизмы и системы: кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, систему охлаждения, смазочную систему, систему питания и систему зажигания (для двигателей с искровым зажиганием).

Кривошипно-шатунный механизм Служит для осуществления рабочего цикла двигателя и преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. В кри-

Вошипно-шатунный механизм двигателя входят цилиндр 2, закрытый сверху головкой 7, поршень 3 С поршневыми кольцами, поршневой палец 4, шатун 5 и коленчатый вал Р. Механизм установлен в картере 7, закрытом снизу масляным поддоном 77. На конце коленчатого вала закреплен маховик 8. Поршень 3, представляющий собой металлический стакан, установлен в цилиндре 2 С небольшим зазором и уплотнен поршневыми кольцами.

Поршень, перемещающийся внутри цилиндра, при помощи пальца 4 Шарнирно соединен с верхней головкой шатуна 5. Нижняя головка шатуна шарнирно соединена с шатунной шейкой коленчатого вала Р. Коренными шейками вал лежит в подшипниках, установленных в картере 7, и может в них свободно вращаться.

Механизм газораспределения Служит для впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска отработавших газов. В верхней части ци-

Рис. 2.1. Устройство одноцилиндрового карбюраторного двигателя:

1 — головка цилиндра; 2 — Цилиндр; 3 — Поршень; 4 — Поршневой палец; 5 — шатун; 6 — Жидкостный насос системы охлаждения; 7 — картер; 8 — Маховик; 9 — Коленчатый вал; 10— Маслопровод; 11 — Масляный поддон; 12 — Масляный насос системы смазки; 13 — Шестерни привода кулачкового вала; 14 — Распределительный вал; 15 — Толкатель; 16 — Карбюратор; 17 — Пружина; 18 — Впускной трубопровод; 19 — Впускной клапан; 20 — Выпускной клапан; 21 — Свеча зажигания

Линдра установлены в направляющих втулках клапаны 19 и 20 с Пружинами 17, Удерживающими их в закрытом положении. Клапаны управляются с помощью кулачков распределительного вала 14 Через толкатели 15.

Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала распределительными шестернями 13. Через впускной клапан 19 В цилиндр поступает горючая смесь, через выпускной клапан 20 Отработавшие газы выходят в атмосферу.

Система охлаждения Служит для отвода теплоты от стенок и головки цилиндра, сильно нагревающихся при работе двигателя. Цилиндр 2 И головка 1 Имеют двойные стенки, образующие рубашку охлаждения, в которой циркулирует с помощью жидкостного насоса 6 Охлаждающая цилиндр жидкость. Нагретая в рубашке охлаждения двигателя жидкость охлаждается в радиаторе, через который с помощью вентилятора протягивается воздух. При воздушном охлаждении цилиндры охлаждаются непосредственно омывающим их потоком воздуха.

Смазочная система Обеспечивает подачу масла ко всем трущимся деталям двигателя, в результате чего уменьшаются трение между деталями и их изнашивание. Масло наливается в поддон 11 Картера двигателя до определенного уровня и при помощи масляного насоса 12, Приводимого в действие от распределительного вала, по маслопроводу 10 И каналам подводится ко всем трущимся деталям и разбрызгивается внутри двигателя. Для очистки масла в смазочную систему включены масляные фильтры.

Система питания Служит для приготовления горючей смеси, которая подается внутрь цилиндра. Горючая смесь получается в карбюраторе 16 (или в смесителе), укрепленном на впускном трубопроводе 18. К карбюратору топливо подается из топливного бака насосом. Воздух в карбюратор поступает через воздухоочиститель.

Система питания дизеля отличается по устройству и принципу действия от системы питания карбюраторного двигателя. Остальные механизмы и системы дизеля по устройству аналогичны механизмам и системам карбюраторного двигателя.

Система зажигания Служит для воспламенения смеси, находящейся в цилиндре двигателя. Воспламенение смеси производится электрической искрой от свечи зажигания 21. Электрический ток, необходимый для зажигания смеси, вырабатывается приборами, входящими в систему зажигания.

В четырехтактном дизеле нет системы зажигания, так как смесь воспламеняется вследствие нагревания воздуха при его сжатии.

При перемещении поршня вверх смесь сжимается и воспламеняется от постороннего источника теплоты. При сгорании смеси выделяется большое количество теплоты, вследствие чего газы, образовавшиеся при сгорании смеси, нагреваются и давление их

Сильно возрастает. Под действием давления газов поршень 3 Перемещается в цилиндре вниз и с помощью шатуна 5 Вращает коленчатый вал 9, Совершая при этом полезную работу. При обратном ходе поршня вверх отработавшие газы удаляются из цилиндра через выпускной клапан 20. Рассмотренный процесс непрерывно повторяется, чем обеспечиваются работа двигателя и получение на коленчатом валу необходимого для движения автомобиля усилия.

При вращении коленчатого вала его шатунная шейка вместе с нижней головкой шатуна описывает окружность. Верхняя головка шатуна вместе с поршнем при этом перемещается в цилиндре прямолинейно вверх и вниз (возвратно-поступательно). При одном обороте колена (кривошипа) коленчатого вала поршень делает один ход вниз и один ход вверх. Изменение направления движения поршня происходит в нижней и верхней мертвых точках.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называют самое верхнее положение поршня и кривошипа.

Нижней мертвой т о чк о й (НМТ) называют самое нижнее положение поршня и кривошипа.

При положении поршня в мертвых точках давление газов на поршень не может вызвать поворота коленчатого вала, так как шатун и кривошип коленчатого вала располагаются в одну линию.

Ходом поршня Называется расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ). По величине ход поршня равен двум радиусам кривошипа. При повороте кривошипа от мертвых точек на одинаковые углы поршень проходит разные расстояния. Это означает, что при равномерном вращении коленчатого вала поршень в цилиндре движется неравномерно с ускорениями и замедлениями, вследствие чего в работающем двигателе появляются силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Тактом Называется процесс, происходящий в цилиндре при движении поршня от одной мертвой точки к другой. При перемещении поршня вниз от ВМТ к НМТ объем внутренней полости цилиндра над поршнем изменяется от минимального (объем камеры сгорания) до максимального (полный объем цилиндра).

Камерой сгорания Называется пространство в цилиндре над поршнем при положении его в ВМТ.

Рабочим объемом цилиндра Называется пространство, освобождаемое поршнем в цилиндре при перемещении поршня от ВМТ к НМТ.

Полным объемом цилиндра Называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания.

Рабочим объемом, Или Литраж ом, Двигателя называется рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах.

Степенью сжатия Двигателя называется отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь (заряд) при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Чем выше степень сжатия двигателя, тем больше его экономичность, т. е. меньше расход топлива.

Устройство и работа карбюраторного двигателя. В четырехтактном карбюраторном двигателе рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала, или четыре хода поршня, и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочий ход) и выпуска.

Во время Такта впуска (рис 2.2, А) Цилиндр заполняется горючей смесью. При этом кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота, а поршень перемещается от ВМТ к НМТ; впускной клапан 1 Открыт, выпускной 2 Закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, и в цилиндре создается разрежение, вследствие чего в цилиндр поступает по впускному трубопроводу приготовленная в карбюраторе или смесителе горючая смесь. Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя, смешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в камере сгорания от предыдущего цикла. Получившаяся смесь называется рабочей смесью.

Когда кривошип приходит в нижнее положение, а поршень доходит до НМТ, впускной клапан закрывается, и цилиндр оказывается заполненным горючей смесью. Из-за сопротивления впускной системы и нагревания потока смеси в конце впуска дав-

Рис 2.2. Рабочие циклы четырехтактного двигателя:

А — впуск; Б — сжатие; В — рабочий ход; Г — выпуск; 7 — впускной клапан; 2 —

Ление в цилиндре не достигает атмосферного и равно примерно 7. 8 МПа. При увеличении числа оборотов двигателя это давление еще более снижается, что уменьшает плотность заполнения цилиндра горючей смесью. Температура смеси в конце впуска равна 100. 130 °С.

Степень заполнения цилиндра горючей смесью характеризуется так называемым Коэффициентом наполнения, Представляющим собой отношение массы действительного заряда, поступившего в цилиндр, к массе заряда, который имел бы цилиндр при атмосферном давлении и нормальной температуре (15 °С). Для современных высокооборотных автомобильных двигателей коэффициент наполнения равен примерно 0,65. 0,80.

При Такте сжатия (рис. 2.2, Б) Происходит сжатие рабочей смеси, что необходимо для ее более быстрого сгорания и получения большого давления газов в цилиндре. При сжатии смеси поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты. В конце такта сжатия смесь сжимается до объема камеры сгорания, в которой смесь размещается. Чем больше степень сжатия двигателя, тем сильнее сжимается рабочая смесь и тем выше при сгорании давление газов на поршень и экономичнее работа двигателя.

Читать еще:  Волга сайбер от чего двигатель

Однако, предельные значения степени сжатия для карбюраторных двигателей ограничиваются свойствами применяемого топлива (бензина), например его антидетонационной стойкостью, характеризуемой Октановым числом. Чем выше октановое число (изменяющееся для автомобильных бензинов примерно от 80 до 98), тем большей антидетонационной стойкостью обладает топливо.

Чрезмерно высокая степень сжатия может привести к особому детонационному воспламенению смеси и нарушению нормального процесса ее сгорания, которое будет происходить с очень большими скоростями и резкими местными повышениями давления в цилиндре. В результате этого нарушается нормальная работа двигателя, появляются резкие металлические стуки вследствие вибрации деталей под действием повышенного давления и дымный искристый выпуск в результате неполного сгорания топлива. Это приводит к перегреву двигателя, снижению мощности и экономичности и увеличению износа его деталей.

Во избежание нарушения нормальных условий сгорания рабочей смеси в карбюраторных двигателях при использовании существующих сортов бензина смесь сжимают не более чем в 7 —10 раз, т. е. степень сжатия карбюраторных двигателей не должна быть выше 7. 10. При этом для двигателей с более высокими степенями сжатия требуется применение топлива с хорошими антидетонационными свойствами, т. е. с высоким октановым числом. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает примерно до 80. 120 МПа, а температура смеси достигает 450. 500°С.

При Такте расширения, или рабочем ходе (рис. 2.2, В), Поршень в цилиндре перемещается вниз под действием давления газов, приводя через шатун во вращение коленчатый вал двигателя. В конце такта сжатия, когда поршень приходит в ВМТ, в цилиндр подается электрическая искра, воспламеняющая сжатую рабочую смесь. Смесь сгорает очень быстро с выделением большого количества теплоты. Из-за сильного нагрева газов, образовавшихся при сгорании, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень под действием этого давления с большой скоростью перемещается вниз от ВМТ к НМТ, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты. В момент сгорания рабочей смеси температура газов в цилиндре повышается до 1 800. 2 ООО °С, а давление — до 250. 300 МПа. При движении поршня к НМТ газы расширяются, и их давление и температура в цилиндре постепенно уменьшаются. В конце рабочего хода давление в цилиндре падает до 30. 40 МПа, а температура снижается до 800. 1 100 °С.

При Такте выпуска (рис. 2.2, Г) Происходит очищение цилиндра от отработавших газов. При этом впускной клапан 1 Закрыт, выпускной 2 Открыт, а поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При движении поршня к ВМТ оставшиеся в цилиндре после сгорания смеси отработавшие газы выталкиваются через выпускной клапан в атмосферу.

Так как удалить полностью отработавшие газы из цилиндра не представляется возможным вследствие сопротивления потоку газов выпускной системы (клапан, выпускной трубопровод, глушитель), давление в конце такта выпуска составляет примерно 0,105 . 0,115 МПа. Температура отработавших газов в начале выпуска равна 700. 800 °С, к концу выпуска она понижается до 300. 400°С

Степень очистки цилиндра от отработавших газов характеризуется Коэффициентом остаточных газов, Представляющим собой отношение массы остаточных газов к массе свежего заряда. Для современных высокооборотных карбюраторных автомобильных двигателей коэффициент остаточных газов составляет примерно 0,08 . 0,20, возрастая при увеличении частоты вращения коленчатого вала. При дальнейшем вращении коленчатого вала (работе двигателя) снова происходит такт впуска, затем такт сжатия, рабочий ход и такт выпуска и т. д.

Таким образом, в четырехтактном одноцилиндровом двигателе коленчатый вал вращается под действием давления газов только при рабочем ходе. При совершении вспомогательных тактов (выпуске, впуске и сжатии рабочей смеси) противодавление действующих на поршень газов создает сопротивление вращению вала, для преодоления которого необходимо к валу приложить внешний момент. Для повышения равномерности вращения коленчатого вала

И осуществления вспомогательных тактов на коленчатом валу устанавливают маховик of your page —>

Реальные и идеальные циклы. 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.

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

0-1 – заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразова-нии) 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.

Циклы ДВС

История разработки двигателей внутреннего сгорания. Классификация поршневых ДВС. Термодинамические характеристики основных циклов работы устройств, преобразующих тепловую энергию, получаемую при сгорании топлива в цилиндрах — в механическое действие.

РубрикаФизика и энергетика
Видреферат
Языкрусский
Дата добавления23.12.2013
Размер файла264,8 K
  • посмотреть текст работы
  • скачать работу можно здесь
  • полная информация о работе
  • весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Краткие исторические сведения

2. Реальные и идеальные циклы. Виды поршневых ДВС

3.2 Цикл Сабатэ-Тринклера

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.

Читать еще:  Что можно пробить в двигателе

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 бескомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива. Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире.

2. Реальные и идеальные циклы. 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.

Рисунок 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. 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).

Рисунок 2. — Действительная индикаторная диаграмма:

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.

Отто первым осуществил сжатие для поднятия максимальной температуры цикла. Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось по адиабате (без изменения теплоты).

Теплота подводится изохорно (с-z на диаграмме). Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме).

КПД автомобильных двигателей (в большинстве своем они используются именно в автомобилях, но также и в лодочных моторах и малой авиации) работающих по циклу Отто достигает 33-35%.

Степени сжатия достигают значения 8-9 (до10) у карбюраторных двигателей, 10-11 у двигателей с распределенным впрыском и до 12.5 у двигателей с непосредственным впрыском. У надувных двигателей степень сжатия понижают, с целью избежания детонации (т. к., мотор работает с большими давлениями и температурами в конце такта сжатия). У двигателей с непосредственным впрыском есть возможность работы на обедненных смесях с б=1.15-1.3 этим достигается высокая экономия топлива и снижение выбросов (в основном СО).

Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, а воздух. В конце такта сжатия подавалось топливо в смеси с воздухом, от высокой температуры и давления в конце такта сжатия происходило самовоспламенение топлива. Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось также по адиабате. Теплота подводится изобарно (с-z на диаграмме). Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме). Существенным преимуществом этого цикла является возможность применения высоких степеней сжатия (свыше 20, сам Дизель хотел около 100, но ее дальнейшее увеличение нецелесообразно из-за высокой механической и тепловой напряженности деталей двигателя).

Теплота подводится изобарно, а отводится изохорно. Впрыск топлива происходил в конце такта сжатия. Особенностью цикла Дизеля, в его первозданном виде было компрессорное пневматическое распыливание топлива. Отказ от этого цикла был связан с тем что на привод компрессора (а у «настоящего» дизеля было компрессорное впрыскивание топливо — воздушной смеси) приходилось 10-15% работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т. е., эффективные показатели были ниже чем у цикла Сабатэ-Тринклера, но в тоже время индикаторные показатели и экологические показатели были выше чем у двигателей работающих по циклу Сабатэ-Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более лучшим образованием смеси — подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей. Повсеместный переход от пневматического на механическое распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ-Тринклера начался в 30-х годах прошлого века. Практически сейчас двигателей работающих по циклу Дизеля не производятся (за исключением экспериментальных образцов).

3.2 Цикл Сабатэ-Тринклера

Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (c-z на диаграмме) и далее изобарно (z’-z на диаграмме).

двигатель термодинамический механический

Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме).

Все выпускающиеся сейчас дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ-Тринклера, циклу со смешанным подводом теплоты (и с механическим распыливанием топлива). Теплота подводится сначала изохорно, а затем, как и у цикла Дизеля изобарно. Степени сжатия у безнаддувных двигателей достигают значения 18-22, и 13-15 у наддувных высокофорсированных двигателей. Область применения этих двигателей очень широка: генераторы, автомобили как грузовые так и легковые, трактора, тепловозы, судна и корабли, самолеты, вспомогательные энергетические установки как на кораблях так и на электростанциях, приводы насосов и т. д., и т. п.

У судовых малооборотных дизелей (МОД) эффективный КПД доходит до 50-55%.У среднеоборотных тепловозных и судовых дизелей на уровне 45%. Соблюдается тенденция чем больше двигатель (а именно диаметр цилиндра и ход поршня) и чем менее он оборотистый — тем более он экономичен.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Прямые газовые изохорные и изобарные циклы неполного расширения. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Процессы, происходящие в поршневых компрессорах.

реферат [1,5 M], добавлен 01.02.2012

Описание идеальных и реальных циклов двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрение термодинамических процессов, происходящих в циклах. Изучение основных формул для расчета энергетических характеристик циклов и параметров в их характерных точках.

курсовая работа [388,1 K], добавлен 13.06.2015

Понятие о смесеобразовании. Основные классификации двигателей внутреннего сгорания. Смесеобразование и сгорание топлива в цилиндрах дизеля. Фракционный состав топлива, вязкость, температурные характеристики. Задержка самовоспламенения и распыливание.

курсовая работа [1,9 M], добавлен 11.03.2015

История тепловых двигателей. Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.

реферат [5,5 K], добавлен 17.05.2006

Описание двигателя внутреннего сгорания — тепловой машины, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Сравнительная характеристика четырёхтактного и двухтактного двигателей, их применение.

презентация [9,0 M], добавлен 11.12.2016

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector