Содержание
Блог инженера теплоэнергетика | Циклы двигателей внутреннего сгорания
Здравствуйте! Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом, а на втором этапе — продукты сгорания.В поршневых двигателях внутреннего сгорания подвод теплоты происходит непосредственно в цилиндре в процессе сгорания топлива. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности, и поэтому в основном применяются в качестве транспортных двигателей: в авиации, автомобильном, водном и железнодорожном транспорте. Кроме того, они используются в стационарных энергетических установках малой мощности.
Недостатком поршневых двигателей является необходимость применения кривошипного механизма, предназначенного для преобразования поступательного движения поршня во вращательное. Наличие несбалансированных масс в кривошипном механизме при увеличении числа оборотов приводит к возникновению больших механических нагрузок. Поэтому мощные двигатели внутреннего сгорания выполняются тихоходными, что увеличивает их габариты и вес.
Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания в зависимости от их назначения, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с термодинамической точки зрения их можно классифицировать по характеру процессов. Циклы, которые применяются в двигателях, можно подразделить на следующие три вида:
1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;
2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;
3) смешанный цикл, в котором теплота подводится при постоянном объеме и при постоянном давлении.
Цикл с подводом теплоты в процессе при постоянном объеме.
Особенностью двигателей, работающих по этому циклу, является внешнее приготовление рабочей смеси, которая затем подается в цилиндр, где сжимается и воспламеняется от электрической искры, причем сгорание происходит очень быстро и процесс можно рассматривать как происходящий при постоянном объеме. Так как внешнее смесеобразование осуществляется при низкой температуре, двигатель может работать только на легких топливах, которые хорошо смешиваются с воздухом. Такой двигатель впервые был построен в 1876 г. немецким изобретателем Отто и работал на газовой смеси.
Теоретический цикл с подводом теплоты при υ = const состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 2). В процессе 1—2 происходит адиабатное сжатие рабочей смеси, которая в точке 2 воспламеняется с помощью электрической искры и сгорает в процессе 2—3 при постоянном объеме. В процессе 3—4 адиабатного расширения продуктов сгорания топлива происходит перемещение поршня и производится работа расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает до атмосферного pa.
При этом часть отработавших продуктов сгорания покидает полость цилиндра. В дальнейшем в результате возвратно-поступательного движения поршня выталкиваются остатки продуктов сгорания и всасывается следующая порция рабочей смеси. На теоретической диаграмме (рис. 2) эти процессы совпадают с изобарой ра, однако условно их совмещают с изохорным процессом 4—1, в котором отводится количество теплоты q2, фактически уносимой вместе с удаляемыми газами.
Реальные циклы двигателей внутреннего сгорания заметно отличаются от теоретических, поэтому при теоретическом анализе вводятся также и другие допущения. В качестве рабочего тела при исследовании циклов двигателей внутреннего сгорания принимается идеальный газ, количество и свойства которого неизменны (в действительности они изменяются в результате сгорания распыленного топлива).
Процессы сжатия и расширения не являются адиабатными, потому что в реальном двигателе существует трение и происходит теплообмен между стенками цилиндра и газом. Процесс 2—3 в действительности также отличается от изохорного из-за перемещения поршня за время горения топлива. Вследствие развития всех процессов во времени определенные точки перехода от одного процесса к другому (точки 1, 2, 3 и 4) в реальных циклах отсутствуют, и процессы сменяют друг друга постепенно (рис. 1).
Однако при термодинамическом анализе циклов двигателей внутреннего сгорания эти отклонения от идеальных условий не учитываются, что существенно упрощает теоретическое исследование циклов.
В соответствии с формулой
термический к. п. д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает с увеличением степени сжатия ε, которая равна отношению υ1/υ2 (рис.2) и показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси при ее сжатии. Однако величина ε ограничивается температурой самовоспламенения рабочей смеси.
Если в процессе адиабатного сжатия 1—2 температура в цилиндре превысит температуру самовоспламенения, то рабочая смесь воспламенится преждевременно, что не только снизит экономичность двигателя, но и приведет к весьма опасным перегрузкам. Поэтому степень сжатия в двигателях со сгоранием при υ = const не превышает ε = 6—9 (выбирается в зависимости от свойств топлива).
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.
В двигателях, работающих по этому циклу, сжатию подвергается не рабочая смесь, а воздух, температура которого в конце процесса сжатия (точка 2 на рис. 3) превышает температуру самовоспламенения топлива и составляет 600—800° С. Благодаря этому подаваемое в цилиндр распыленное жидкое топливо, смешиваясь с воздухом, самовоспламеняется и горит, причем подача топлива регулируется таким образом, чтобы горение шло при постоянном давлении (изобара 2—3). Распыливание подаваемого в цилиндр топлива производится сжатым воздухом (давление 5—9 МПа), поступающим из специального компрессора (такие двигатели часто называют компрессорными). В процессе 3—4 происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, а процесс 4—1 аналогичен такому же в цикле со сгоранием при υ=const. Этот цикл был впервые предложен и осуществлен Дизелем.
Ввиду того что сжатию подвергается только воздух, преждевременное воспламенение (детонация) топлива исключается, двигатели работают с большими степенями сжатия (порядка 15—20) и имеют большой к. п. д. Так как образование горючей смеси происходит при высокой температуре, в этих двигателях сжигаются более тяжелые виды топлива.
Недостатком этих двигателей является наличие компрессора высокого давления, снижающего надежность, а также усложняющего конструкцию и потребляющего некоторую часть мощности двигателя. Поэтому они в настоящее время вытеснены бескомпрессорными двигателями, в которых распыливание топлива осуществляется топливным насосом.
Смешанный цикл.
Двигатели, работающие по смешанному циклу, являются более совершенными по сравнению с двигателями с изобарным сгоранием, так как у них отсутствует компрессор. Первый патент на бескомпрессорный двигатель высокого давления был выдан в 1901 г. русскому инженеру Г. В. Тринклеру. Однако эти двигатели получили широкое распространение значительно позже, когда удалось осуществить тонкое распыливание топлива с помощью топливного насоса и форсунок специальной конструкции. В настоящее время по смешанному циклу работают преимущественно транспортные двигатели, в которых используется тяжелое топливо.
В смешанном цикле, как и в цикле с изобарным сгоранием, сжатию подвергается воздух. Топливо подается в цилиндр с помощью насоса в конце сжатия (точка 2 на рис. 4) при давлении 30—150 МПа и вследствие высокой температуры воздуха самовоспламеняется. Подача топлива под большим давлением создает благоприятные условия для хорошего распиливания и перемешивания его с воздухом, что обеспечивает достаточно полное сгорание топлива и повышение экономичности двигателя. Процесс горения идет сначала при постоянном объеме (изохора 2—3), а затем при постоянном давлении (изобара 3—3′).
Сравнение циклов.
Как уже отмечалось раньше, сравнение экономичности двигателей целесообразно проводить с помощью Ts-диаграммы, так как эта диаграмма позволяет по соответствующим площадям определить количество теплоты. На рис. 5 выполнено сравнение рассмотренных выше циклов двигателей при одинаковом количестве отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—a—1, и одинаковых максимальных параметрах цикла в точке 3.
Степень сжатия для цикла со сгоранием топлива при p = const (определяется положением точки 2″ в конце адиабатного сжатия воздуха) больше, чем для цикла со сгоранием при υ = const (точка 2). Это соответствует действительным условиям работы двигателей, так как отличительной особенностью и преимуществом двигателей с подводом тепла при р = const является возможность использования больших степеней сжатия.
Поэтому целесообразно сопоставить двигатели при одинаковых максимальных давлениях и температурах (точка 3 на рис. 2—4), поскольку эти параметры определяют величину механических и термических напряжений, а следовательно, и конструктивные особенности двигателей.При одинаковых максимальных параметрах в цикле 1—2″— 3—4—1 (рис. 5) с подводом теплоты при p = const работа, равная площади цикла, больше работы в цикле 1—2—3—4—1 с подводом теплоты при υ=const. Так как количество отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—а—1, в обоих циклах одинаково, то термический к. п. д. в условиях одинаковых максимальных параметров для цикла с подводом теплоты при p = const выше.
Термический к. п. д. смешанного цикла 1—2’—3’—3 —4—1 имеет среднее значение между термическими коэффициентами полезного действия рассмотренных циклов. В действительности для смешанного цикла и цикла Дизеля оптимальная степень сжатия одинакова и составляет ε = 16—18, поэтому бескомпрессорные двигатели работают при более высоких максимальных параметрах (точка 3 на рис. 5 расположена выше) и, следовательно, являются наиболее экономичными. Исп. литература: 1) Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, Справочник под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, Москва, «Энергия», 1980. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.
Рабочие циклы ДВС.
Search — Remove Shortcode
Поиск материалов
plg_search_jcomments
Войти
Регистрация
- Главная
- Техничка
- Рабочие циклы ДВС.
Воскресенье, 28 мая 2017
Что такое рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания — расскажем в этой сатье.
Что такое рабочие циклы? Это строгое последовательное выполнение тактов, они повторяются всеми цилиндрами двигателя с четкой периодичностью и являются составляющей частью цикла. Двигатели всех автомобилей сейчас четырехтактные. Значит один цикл, будет состоять из 4 тактов, а каждый из тактов выполняется за 1 ход поршня. Это может быть как крайнее верхнее, так и крайнее нижнее положение («мертвые» точки). Не будет лишним дополнить, что цикл в таком моторе совершается за 2 оборота коленвала.
Музыка или такты в двигателе:
- Впуск – здесь работа цикла начинается, когда поршень начинает движение вниз, создавая вакуум в цилиндре сверху поршня. Клапан впуска открывается и под действием силы всасывания в него всасывается порция топливной смеси. Если дополнительно установлен нагнетатель, то смесь будет подаваться под давлением.
- Сжатие – движение поршня в этом такте устремлено вверх. Клапана впуска и выпуска в этот момент закрыты, содержимое цилиндра сжимается. Во время сжатия смесь хорошо перемешивается и на пике сжатия запускается процесс воспламенения с помощью свечи зажигания. На свече зажигания генерируется высоковольтный электрический импульс. Получает его свеча от катушки зажигания. Для двигателя с четырьмя цилиндрами используют четыре свечи, по одной на каждый цилиндр. По аналогии в трех, шести, восьми, десяти и двенадцати цилиндровом двигателе.
- Рабочий ход – поршень опускается к нижней точке под огромным давлением увеличивающихся газов. В этот момент впускной и выпускной клапан остаются закрытыми. Коленчатый вал приводит в движение шатун, соединенный посредством поршневого пальца с поршнем.
- Выпуск – это конечный такт из всего рабочего цикла. По достижению поршнем крайней нижней точки он готов устремиться вверх. Под давлением эксцентрика распредвала клапан выпуска откроется, а поднимающийся поршень выдавливает отработанные газы, освобождая цилиндр.
Отвод газов происходит очень быстро и только в момент достижения поршнем верхней крайней точки.
А затем весь процесс будет повторяться в такой же последовательности циклично, до того момента пока вы не выключите зажигание (нажмете кнопку EngineStart/Stop).
В заключении можно сказать, что в тактах двигателя нет ничего сложного. Достаточно попробовать визуализировать прочитанное и все вопросы, непонимания уйдут на второй план. Помните, что только в такте рабочего хода совершается полезная работа. Остальные являются сопутствующими или подготовительными. Так как запускаются за счет инерции маховика.
Рабочие циклы четырехтактного двигателя (видео):
- Впуск – здесь работа цикла начинается, когда поршень начинает движение вниз, создавая вакуум в цилиндре сверху поршня. Клапан впуска открывается и под действием силы всасывания в него всасывается порция топливной смеси. Если дополнительно установлен нагнетатель, то смесь будет подаваться под давлением.
Автор
Super User
Комментируют
Топ блоги
Новости компании Haima 2016.
Новый Q2 от AUDI
Ожидаемые новинки 2016 от Geely.
Что такое франшиза КАСКО
BMW анонсировала цены на автомобиль 1-Series для РФ
Циклы двигателя внутреннего сгорания — Машины — Термодинамика
А) Ниже мы рассмотрим каждую стадию цикла отдельно.
Этап 1
Мы знаем из гипотезы, что воздух в начале сжатия находится при и . Следовательно, начальное давление равно:
(1)
а начальная температура в кельвинах () равна:
(2)
Мы также знаем из гипотезы, что степень сжатия равна . Поскольку степень сжатия определяется как:
(3)
получаем начальный объем:
(4)
что становится, принимая во внимание то и это объем клиренса ():
(5)
Поэтому , , и .
Этап 2
Имеем из гипотезы, что верхнее давление равно . Следовательно:
(6)
Также из гипотезы имеем, что объем клиренса равен . Таким образом:
(7)
Принимая во внимание, что:
(8)
мы можем написать как:
(9)
Заменяя числовые значения (см. 1, 2, 5, 6 и 7), получаем:
(10)
из которого:
(11)
Поэтому , , и .
Этап 3
Поскольку этап цикла Дизеля является изобарным (см. рис. E1), мы имеем следующее:
(12)
откуда с учетом (6) получаем, что:
(13)
Для шага цикла мы также можем написать, что:
(14)
где – подводимая теплота (), удельная теплоемкость при постоянном давлении (), – разность температур, выраженная в , а – количество газа, присутствующего при давлении и температуре . Для расчета можно написать так:
(15)
из которого:
(16)
Принимая во внимание, что:
(17)
а также заменяя другие числовые значения (см. 1, 2 и 5), получаем, что:
(18)
из чего получаем:
(19)
Используя значение из (19) в уравнении (14), а также учитывая, что , и что , мы получаем, что:
(20)
что приводит к:
(21)
или, переведя разницу температур в кельвины, в:
(22)
Как (см. 11), получаем как:
(23)
Еще для шага цикла мы можем написать, что:
(24)
из которого становится:
(25)
или, заменив числовые значения (см. 7, 11 и 23):
(26)
Уравнение (26) приводит к:
(27)
Поэтому , , и .
Этап 4
Поскольку этап цикла Дизеля является изохорным (см. Рисунок E1), мы имеем следующее:
(28)
откуда с учетом (5) получаем, что:
(29)
Что касается шага цикла, мы имеем следующее:
(30)
мы можем написать:
(31)
из которого становится:
(32)
или, заменив числовые значения (см. 13, 27 и 29):
(33)
Из уравнения (33) получаем:
(34)
Мы знаем, что Следовательно, мы можем разделить уравнение (30) на и все равно получить константу:
(35)
Уравнение (35) также можно записать в виде:
(36)
откуда для шага цикла получаем, что:
(37)
Следовательно, мы можем написать, что:
(38)
из которого становится:
(39)
или, заменив числовые значения (см. 23, 27 и 29):
(40)
Из уравнения (40) получаем:
(41)
Поэтому , , и .
Б) Производительность цикла определяется по формуле:
(42)
тогда как ). Для расчета можно написать так:
(43)
что приводит к:
(44)
Применяя функцию к уравнению (44), получаем:
(45)
из чего получаем:
(46)
или, заменив числовые значения (см. 1, 5, 6 и 7):
(47)
Уравнение (47) приводит к:
(48)
Заменяя все числовые значения в уравнении (42) (см. 1, 5, 6, 7, 13, 27, 29 и 34), а также учитывая, что , (см. 48), и что , получаем работу сделано как:
(49)
из чего получаем:
(50)
C) Мы знаем, что тепловой КПД определяется как:
(51)
где — произведенная работа и подведенное тепло.
Так как в нашем случае (см. 50) и , а также с учетом того, что получаем тепловой КПД цикла Дизеля как:
(52)
из чего получаем:
(53)
или, выраженное в процентах:
(54)
Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы
Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели цикла Отто (обновлено 22.04.12)
Глава 3: Первый закон термодинамики для
Закрытые системы
d) Стандартный воздушный цикл Отто (искровое зажигание)
Двигатель
Воздух
Стандартный цикл Отто — идеальный цикл
для искрового зажигания
(SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные
Николауса Отто более 130 лет назад и который в настоящее время используется наиболее
автотранспорт. Следующая ссылка на Kruse
Технологическое партнерство представляет
описание четырехтактного двигателя
Цикл Отто операция включая короткий
История Николауса Отто. И снова у нас отличные анимации
производства Мэтт
Keveney представляет как четырехтактный , так и .
и двухтактный
двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием
операция
Анализ цикла Отто очень похож на
цикл Дизеля, который мы проанализировали в 90 253 предыдущих
раздел . Мы будем использовать идеал
«стандартное» предположение в нашем анализе. Таким образом, рабочая
жидкость – это фиксированная масса воздуха, совершающая полный цикл, т.
везде рассматривается как идеальный газ. Все процессы идеальны,
горение заменяется подводом тепла к воздуху, а выхлоп
заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в
начальное состояние.
Самая существенная разница между идеальным
Цикл Отто и идеальный цикл Дизеля — это метод зажигания
топливно-воздушная смесь. Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно
высокая степень сжатия (около 18:1) позволяет воздуху достигать
температура воспламенения топлива. Затем топливо впрыскивается таким образом, что
процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеальном Отто
цикл топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска
и сжаты до гораздо более низкой степени сжатия (около 8:1) и
затем воспламеняется от искры. Горение приводит к резкому скачку
давление, в то время как объем остается практически постоянным.
продолжение цикла, включая расширение и выхлоп
процессы практически идентичны процессам идеального дизельного топлива.
цикл. Мы считаем удобным развивать подход к анализу
идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:
Решенная проблема 3.7 — Ан
идеальный воздушный стандартный двигатель цикла Отто имеет степень сжатия 8. При
начало процесса сжатия, рабочее тело при 100
кПа, 27°С (300 К) и 800 кДж/кг тепла подводится во время
процесс подвода тепла с постоянным объемом. Аккуратно нарисуйте
давление-объем [ P-v ]
диаграмму для этого цикла и используя значения удельной теплоемкости воздуха при
типичная средняя температура цикла 900K определить:
а) температура
и давление воздуха в конце каждого процессаб) сеть
выход/цикл [кДж/кг] иc) тепловой КПД [η th ]
этого цикла двигателя.
Подход к решению:
Первый шаг — начертить P-v диаграмму
полный цикл, включая всю необходимую информацию. Мы замечаем
что ни объем, ни масса не были предоставлены, поэтому диаграмма
и решение будет в терминах конкретных величин.
Будем считать, что топливно-воздушная смесь представлена
чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и
адиабатический процесс для воздуха:
Напомним из предыдущего раздела, что номинал
Значения удельной теплоемкости, использованные для воздуха при 300 К, равны С v = 0,717 кДж/кг·К, а k = 1,4. Однако все они
функции температуры, а при чрезвычайно высокой температуре
диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить
существенные ошибки. В этой задаче мы используем типичный средний цикл
температура 900К взято из таблицы Конкретный
Теплоемкость воздуха .
Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы
определить температуру и давление в конце каждого процесса, т. к.
а также работу, выполненную и переданную теплоту в каждом процессе.
Обратите внимание, что давление P 4 (а также P 2
выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.
Мы делаем это ниже для проверки достоверности, однако мы находим это более
удобно использовать уравнение состояния идеального газа везде, где это возможно.
Любой метод является удовлетворительным.
Мы продолжаем окончательный процесс определения
тепло отклонено:
Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к
все четыре процесса, позволяющие нам использовать два альтернативных способа оценки
«чистая производительность за цикл» и тепловой КПД,
следующим образом:
Обратите внимание, что при использовании постоянной удельной теплоемкости свыше
цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из
отношение удельных теплоемкостей k по следующей формуле:
где
r — степень сжатия
Быстрый тест: Использование тепла
и уравнения работы энергии, полученные выше, выведите это соотношение
Проблема 3.