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 двигателей внутреннего сгорания

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня, называется тактом. Совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре, т. е. впуск горючей смеси, сжатие ее, расширение газов при сгорании и выпуск продуктов сгорания, называется рабочим циклом.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, то двигатель называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигатег л я. Первый такт — впуск (рис. 5, а). Поршень 3 перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан 1 открыт, выпускной клапан 2 закрыт. В цилиндре создается разрежение (0,7—0,9 кгс/см2) и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Горючая смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Чем лучше наполнение цилиндра горючей смесью, тем выше мощность двигателя.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Температура смеси в конце впуска 75— 125 °С.

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 9—15 кгс/см2 и 350— 500 °С.

Третий такт — расширение, или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 35—50 кгс/см2, а температура 2200— 2500 °С. Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун — на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 3—5 кгс/см2, а температура до 1000—1200 °С.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:
а — впуск, 6 — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1 — впускной клапан, 2 — выпускной клапан, 3 — поршень

Четвертый такт — выпуск. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2, а температура до 700—800 °С.

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт — расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск — заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. При впуске поршень движется от в. м. т к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,85—0,95 кгс/см2, температура 40— 60°С.

При такте сжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 35—55 кгс/см2 и 450—650 °С.

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления.

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры. Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 50—90 кгс/см2, а температура — 1700—2000 °С. В конце расширения давление снижается до 2—4 кгс/см2, а температура — до 800—1000 °С. * При такте выпуска поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2.

После окончания такта выпуска- начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают на отечественных автомобилях большой и очень большой грузоподъемности (МАЗ, КрАЗ, КамАЗ и БелАЗ).

С освоением мощностей Камского автозавода дизели будут устанавливать на грузовые автомобили ЗИЛ и Уральского автозавода, а также на автобусы ЛАЗ и ЛиАЗ.

Диаграмма рабочего цикла двигателя. Рабочий цикл двигателя можно представить в виде диаграммы, на которой по вертикальной оси откладывают давление р, а по горизонтальной—объем цилиндра V.

На диаграмме четырехтактного карбюраторного двигателя линия впуска 7—1 располагается ниже линии атмосферного давления (1 кгс/см2). При такте сжатия (линия I—2—3) давление повышается, достигая наибольшей величины в точке 3.

Точка соответствует моменту проскаки-вания искры в свече зажигания и началу процесса сгорания. Линия 3—4—5—6 иллюстрирует рабочий ход, причем линия 3—4, соответствующая резкому возрастанию давления, означает процесс сгорания рабочей смеси, а линия 4—5—6— расширение газов. В точке 4 давление газов достигает наибольшей величины.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля ЯМЗ:
а —впуск, б — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1—форсунка, 2 — топливный насос высокого давления

В точке начинает открываться выпускной клапан. Линия соответствует такту выпуска. Она располагается несколько выше линии, соответствующей атмосферному давлению.

Рис. 3. Диаграмма рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания (а) и схема сил, действующих от давления газов (б)

На рис. 3, б показана схема сил, действующих от давления газов в одноцилиндровом двигателе. Сила Р давления газов, действующая на поршень при рабочем ходе, раскладывается на две силы: N и S. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, а действие силы S передается через шатун на коленчатый вал двигателя.

Сила Г, составляющая силы S и касательная к окружности вращения шатунной шейки, действует на плече R. Произведение TR называют крутящим моментом двигателя. Крутящий момент вызывает вращение коленчатого вала. Далее он передается через механизмы трансмиссии на ведущие колеса, вызывая движение автомобиля.

Вторая составляющая силы S сила F воспринимается коренными подшипниками коленчатого вала.

Теоретические циклы двигателей — Двигатели внутреннего сгорания (Инженерия)

Лекция №5.

Теоретические циклы двигателей.

Термодинамическим циклом поршневого двигателя называется незамкнутый необратимый цикл, который осуществляется реальным рабочим телом переменного состава при тех же значениях степени сжатия , коэффициент избытка воздуха  и начальных параметров газа в цилиндре, при которых протекает и реальный (действительный) рабочий цикл, на при отсутствии потерь теплоты, связанных с неполнотой сгорания и теплообменом между газами и стенками цилиндра.

Основные особенности теоретического цикла можно сформулировать следующим образом:

1) Рабочим телом является смесь реальных газов (воздух, топливо и продукты сгорания) переменного состава и количества, изменяющихся в процессе сгорания и в процессе смены заряда. Теплоемкость газов переменная.

2) Сгорание топлива полное и происходит условно при постоянном давлении, или по смешанному циклу.

3) Максимальное давление  в смешанном теоретическом цикле такое же, как и в действительном рабочем цикле, а в теоретическом цикле со сгоранием при , давление, максимально возможное для заданных условий осуществления цикла, будет всегда больше, чем в действительном цикле.

4) Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически и без утечек газов через неплотности в цилиндре.

5) Процесс очистки цилиндра от отработавших газов заменен выпуском газов при постоянном объеме в конце расширения, т.е. в точке b.

6) Параметры и состав газов в начале хода сжатия такие же, как и в действительном рабочем цикле.

Анализ и сравнение показателей рабочего цикла двигателя, полученных в действительных условиях работы, с показателями теоретического цикла позволяют определить степень приближения действительного цикла к теоретическому.

Сравнение же показателей теоретического и идеального циклов позволяет установить степень и характер влияния состава и переменности теплоемкости смеси газов и потерь процессе очистки и зарядки цилиндра на показатели работы реального двигателя.

Рабочий (действительный) цикл двигателя внутреннего сгорания.

Рабочий цикл значительно отличается от рассмотренных ранее идеальных и теоретических циклов.

1) В рабочем цикле происходят не только физические, но и химические изменения состава газа, и количество его не остается постоянным.

2) Вследствие конечной скорости сгорания и диссоциации продуктов сгорания скрытая в  топливе химическая энергия выделяется не мгновенно. В процессе расширения происходит догорание и ассоциация диссоциированных газов с выделением теплоты.

3) В рабочем цикле рабочее тело нельзя принимать с постоянными теплоемкостями, т.к. температура и состав газов в цилиндре значительно изменяются.

4) В рабочем цикле существуют тепловые и аэродинамические потери.

Рабочий цикл состоит из ряда последовательно сменяющих друг друга тактов, чисто позволяет использовать в процессе рабочего хода (такта) при средних низких температурах цикла высокие максимальные температуры рабочего тела (до 3000 К). В связи с этим поршневые двигатели и тем более двигатели с турбонаддувом среди тепловых двигателей являются самыми экономичными.

При рассмотрении действительного и теоретического циклов подразумевается, что в обоих случаях количество подведенной теплоты одинаковое, т.е.

Под  в действительном цикле имеется в виду количество теплоты затрачиваемой на создание индикат. работы. С включением всех потерь: от теплопередачи, от неполноты сгорания топлива к концу расширения и от несвоевременно выделившейся теплоты в процессе сгорания.

Предполагается, что в теоретич. цикле поступление свежего заряда и выпуск отработавших газов происходит без сопротивлений, т.е. линия впуска и выпуска совпадают с атмосферой . Гидравлические потери на впуск в действительном процессе приводит к уменьшению давления  и давления . На уменьшение  оказывают влияние еще потери теплоты в стенки в процессе сжатия и возможные утечки заряда через кольца, поэтому P_ct> P_c.

Снижение  в реальном цикле позволяет увеличить площадь индикаторной диаграммы по линии сжатия АС, но это увеличение не приводит к увеличению индикаторной мощности, т.к. в дальнейшем оно перекрывается потерями на линии расширения, что вызвано снижением  и вызванного этим снижения всей линии расширения  в действительном цикле.

При сгорании по изобаре  по условию в обоих циклах подводится одинаковое количество теплоты , а поэтому при наличии в действительном цикле тепловых потерь в охлаждающую среду, недогорание и несвоевременное выделение теплоты приводит к уменьшению линии СУ по сравнению с СтУт. , а значит и к уменьшению . Последующее уменьшение  идет в связи с увеличением объема камеры сгорания при перемещении поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. Процесс от Y до Z протекает примерно по изобаре, т.е. при P = const (малые отклонения) с недовыделением теплоты при сгорании топлива и с последующим догоранием на линии расширения. Это приводит к тому, что в реальном цикле степень предварительного расширения  по сравнению с теоретическим циклом имеет меньшие значения.   

В теоретическом цикле теплота вводится до т.  и последняя определяет начало адиабатического расширения, т.е. по сравнению с реальным циклом процесс протекает без потерь теплоты в стенки.

В результате приближения сгорания к т.  концентрация кислорода заметно понижается, скорость сгорания в связи с этим понижается и сгорание переносится на линию расширения, что называется явлением догорания (т. ). Наименьшее значение продолжительности этого догорания могут быть равными 45÷60⁰ угла поворота коленвала (после В. М.Т.)., но в быстроходных дизелях догорание может продолжаться до открытия выпускного клапана (т.).

В первой половине кривой  обычно развиваются максимальные значения температуры сгорания , что объясняется сильным притоком теплоты от догорания на линии расширения.

Из рассмотренного видно, что теоретический цикл значительно отличается от реального, т.к. по сравнению с реальным циклом в нем процесс расширения (начиная от т. ) протекает без потерь теплоты, а теплота отводится холодному источнику только по линии b_та_т. В реальном цикле надо принудительно удалить отработавшие газы в атмосферу, а вследствие сопротивления в выпускной системе давление  будет выше атмосферного >.

Заблаговременное удаление отработавших газов (т.) приводит также к уменьшению площади индикаторной диаграммы действительного цикла.

Вывод: главными потерями действительного цикла являются теплопередача на линии сжатия, сгорания и расширения, догорание и неполнота сгорания топлива в цилиндре.

Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность.

Индикаторная диаграмма, снятая с двигателя, изображает собой действительный цикл с учетом потерь теплоты, а площадь индикаторной диаграммы – индикаторную работу цикла.

В двигателях без наддува на очистку и накопления затрачивается работа, которая будет отрицательной. В двигателях с наддувом эта работа может быть как отрицательной, так и положительной. Работу газов в период газообмена обычно учитывают в числе механических потерь в двигателе.

В двухтактных двигателях вся площадь индикаторной диаграммы представляет собой полезную индикаторную работу. Чем больше индикаторная работа , тем лучше степень использования рабочего объема цилиндра двигателя .

Среднее индикаторное давление представляет собой условное постоянное по значению давление, которое, действуя на поршень, совершает работу, равную работе газов за весь цикл.

Чем больше , тем больше . Значения  в различных двигателях зависят от многих факторов: способа смесеобразования, осуществляемого цикла, коэффициента избытка воздуха, накопления цилиндра и т. д.

Среднее индикаторное давление рассчитывают следующим образом:

1) сначала определяют среднее расчетное индикаторное давление  для расчетной диаграммы, ограниченной линиями сжатия и расширения, включая схематизированный участок видимого сгорания;

2) затем уменьшают полученное расчетное давление  на величину, учитывающую отклонение формы действительной индикаторной диаграммы от расчетной. Для смешанного цикла

=

n₁ и n₂ – средние значения показателей

Для действительного цикла четырехтактного двигателя.

,

где — коэффициент полноты диаграммы, учитывающий площади диаграммы.

÷0,97 (большие значения относятся к карбюраторным двигателям, а меньше – к быстроходным дизелям ) .

Для двухтактных двигателей

, для всего хода поршня

где  — потерянная доля хода (10-38%).

Значения  современных двигателей при номинальной нагрузке в кг/см²:

, кг/см²

Внутренняя работа двигателя, развиваемая газами в полости цилиндра в единицу времени (сек), называется индикаторной мощностью .

Работа в кг*м, совершаемая газами в цилиндре за 1 цикл:

,

где  — диаметр цилиндра, см;

 — ход поршня, см;

Индикаторная работа всего двигателя в минуту

,

где  — число цилиндров в двигателе;

 — число ходов в минуту;

 — тактность – число ходов поршня (тактов) за один цикл;

 — число циклов в минуту;

 — рабочий объем всех цилиндров двигателя (литраж), л.;

 — частота вращения вала, об/мин.

Индикаторная мощность двигателя, л.с.

Для четырехтактных двигателей ()

Для двухтактных двигателей

;

Индикаторный К.П.Д. и удельный индикаторный расход топлива.

Экономичность действительного цикла двигателей внутреннего сгорания характеризуется двумя показателями: индикаторным К.П.Д. и индикаторным удельным расходом топлива.

Индикаторным К.П.Д. называется отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу, к затраченному количеству теплоты.

где  — тепловой эквивалент индикаторной работы , полученной при сжигании единицы количества топлива;

 — расход топлива в кг/ч или м³/ч

 — низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг

Индикаторный К. П.Д. в отличие от термического К.П.Д. учитывает не только потери теплоты, вызванные отдачей ее холодному источнику, но и потери теплоты вследствие теплоотдачи в стенки, от неполноты сгорания и от диссоциации, т.е. всю сумму потерь при осуществлении действительного рабочего цикла.

А= 632,3 ккал/ч – полезно использованная теплота при работе двигателя в течении часа где 632,3 – тепловой эквивалент работы 1 л.с.ч. в ккал

Индикаторный К.П.Д. и удельный индикаторный расход топлива  характеризуют экономичность рабочего цикла. Величина их зависит от ряда факторов: степени сжатия Е, , способа смесеобразования, скорости и полноты сгорания топлива,  и др.

Индикаторный К.П.Д. двигателей различных типов при номинальной нагрузке колеблется в довольно широких пределах:

                                                                                                                                   η_i

Значение удельного индикаторного расхода топлива двигателей, работающих на жидком топливе, при номинальной нагрузке в кг/(л. с.ч.) следующие:

Карбюраторные двигатели 0,18÷0,25

Дизели 0,12÷0,16

Удельный индикаторный расход теплоты  газовых двигателей при номинальной нагрузке равен 1900÷2300 ккал/(л.с.ч.).

Для двигателей, работающих на жидком топливе

, где  — кг/ч

Для газовых двигателей

, где  — м³/ч

Влияние различных факторов на индикаторные показатели.

Влияние степени сжатия Е

Повышение Е в двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием приводит к увеличению экономичности работы, связанному с ростом термического К.П.Д. цикла. Повышение Е в двигателях с внутренним смесеобразованием не приводит к заметному улучшению индикаторных показателей и используется только для расширения диапазона топлив, на которых может работать двигатель.

Влияние формы камеры сгорания.

Существенным фактором, влияющим на величину  является теплопередача стенкам, зависящая от формы камеры сгорания, т.е. от размеров ее поверхности. Критерием оценки камеры сгорания будет поверхности к ее объему. Уменьшение этого отношения сократит отдачу теплоты охлаждаемым стенкам, вследствие этого возрастает .

Влияние состава смеси.

Изменение состава горючей смеси приводит к изменению скорости распространения пламени.

Влияние регулировочных параметров.

На индикаторные показатели двигателя влияют угол опережения зажигания и угол опережения подачи топлива. По мере увеличения угла опережения зажигания и подачи топлива  возрастает, т.к. основной процесс тепловыделения завершается до В.М.Т.,  достигает максимума при некотором оптимальном угле опережения . Этому углу соответствует и минимальный  и максимальный

Влияние частоты вращения коленвала.

В карбюраторном двигателе с увеличением   возрастает, что объясняется возрастанием турбулентного воздействия на скорость и полноту сгорания топлива, а также сокращением времени  контакта газов со стенками цилиндра и уменьшением топливных потерь.

Циклы двигателя: определение, типы и анализ

Двигатели внутреннего сгорания работают по четырехтактному циклу , также известному как цикл двигателя.

Эти четырехтактные циклы включают четыре такта, начиная с впуска, сжатия, расширения сгорания и выпуска. Эти четыре такта непрерывно повторяются для выработки энергии и преобразования химической энергии в механическую.

Анализ циклов двигателя

Анализ циклов двигателя состоит из четырех этапов. К ним относятся впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Каждая ступень показана на рисунке 1 ниже, который описывает четырехтактный дизельный двигатель или бензиновый двигатель. Стоит упомянуть об основных отдельных компонентах в цилиндре двигателя. В цилиндре происходит сгорание. Поршень представляет собой цилиндр внутри двигателя, соединенный со штоком, который используется для перемещения поршня вертикально внутри цилиндра двигателя с газонепроницаемой посадкой. В верхней части цилиндра есть два клапана, впускной клапан и выпускной клапан, а также топливная форсунка или свеча зажигания между двумя клапанами.

Цикл четырехтактного двигателя

В бензиновых или дизельных двигателях каждое вертикальное движение поршня вверх или вниз называется тактом. Следовательно, в четырехтактных двигателях поршень совершает в общей сложности 4 движения вверх и вниз, которые обычно делятся на четыре разных этапа для завершения цикла двигателя.

Анализ циклов двигателя: такт впуска

Первый такт — такт впуска. При такте впуска поршень перемещается по цилиндру из верхнего максимального положения в нижнее минимальное положение. Предварительно смешанные воздух и топливо всасываются в цилиндр через открытые впускные клапаны, увеличивая объем внутри цилиндра. Давление в баллоне остается постоянным, примерно ниже атмосферного.

В бензиновом двигателе или двигателе с искровым зажиганием топливо должно быть предварительно смешано с воздухом, прежде чем оно достигнет впускного клапана. Это делается в устройстве, называемом карбюратор. В последнее время используется более сложный способ тщательной оценки количества топлива, впрыскиваемого во впускное отверстие для воздуха непосредственно над впускными клапанами. Количество впрыскиваемого топлива контролируется электронным блоком управления, также известным как ECU.

Анализ циклов двигателя: компрессия

В этот момент клапаны закрыты. Теперь поршень перемещается вверх из минимального вертикального положения в максимальное положение, уменьшая объем и увеличивая давление внутри цилиндра. Смесь сжимается по направлению к свече зажигания. Работа совершается над воздухом при сжатии. Это второй штрих.

Крайне важно, чтобы искра появлялась прямо перед концом такта, чтобы смеси было достаточно, чтобы достичь верхней точки своего хода, тем самым позволяя максимальному давлению воздействовать на опускающийся поршень. Нагретое топливо приводит в действие турбину, а затем впрыскивается в камеру сгорания, где и сгорает.

Анализ циклов двигателя: сгорание

Из-за высокого давления вблизи верхнего максимального положения к концу второго такта температура смеси повышается, и смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. На этом этапе объем остается почти постоянным. Это последний шаг второго штриха.

Анализ циклов двигателя: расширение

Высокое давление расширенных газов заставляет поршень двигаться вниз. Работа совершается расширяющимися газами. Выпускной клапан открывается в минимальном положении, и давление снижается почти до атмосферного. Это третий штрих.

Анализ циклов двигателя: выхлоп

Поршень движется вверх, выталкивая сгоревшие газы через открытый выпускной клапан, в то время как давление в цилиндре остается чуть выше атмосферного. Это четвертый и последний такт цикла двигателя. Затем цикл повторяется.

Тепловые циклы или циклы двигателя в основном добавляют и отбрасывают энергию в виде тепла на стадиях сгорания и выпуска, в то время как работа выполняется на стадиях сжатия и расширения.

Два типа циклов для бензиновых и дизельных двигателей

Существует два типа двигателей. Дизельные и бензиновые двигатели работают в соответствии с различными теоретическими циклами двигателя, дизельным циклом и циклом Отто соответственно.

Идеальный или теоретический цикл Отто 9Описанный выше 0004 — это принцип работы бензинового двигателя. Он предполагает следующие условия:

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие обратимое и адиабатическое (1-2).

• Горение (подвод тепла) изохорное (2-3).

• Расширение обратимое и адиабатическое (3-4).

• Выхлоп (отвод тепла) изохорный (4-1).

Адиабатический — это термодинамический процесс, который происходит без передачи тепла или массы между системой и окружающей средой.

Изохорный — термодинамический процесс, происходящий при постоянном объеме .

Изобарический термодинамический процесс, происходящий при постоянном давлении .

Идеальный цикл Отто также может описывать четыре такта с использованием графика зависимости термодинамического давления от объема. Это показано на рисунке ниже, где четыре такта обозначены цифрами от 1 до 4, что означает четыре последовательных такта, завершающих один цикл двигателя. Показаны процессы постоянного объема и постоянного давления.

Идеальный цикл Отто

Идеальный или теоретический дизельный цикл — это принцип работы дизельного двигателя. Его можно описать при следующих условиях:

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие адиабатическое (1–2).

• Горение (подвод тепла) изобарное (2–3).

• Расширение адиабатическое (3–4).

• Выхлоп (отвод тепла) изохорный ( 4–1).

Идеальный дизельный цикл — StudySmarter Originals

Показательный цикл Отто реального бензинового и дизельного двигателей, полученный с помощью датчика давления в цилиндре и преобразователя, выходной сигнал которого зависит от углового положения коленчатого вала, показан на рисунке. ниже.

Слева: указан дизельный двигатель, справа: указан бензиновый двигатель — StudySmarter Originals

Из приведенных выше рисунков видно, что они не совпадают с теоретическими значениями циклов. Это связано с тем, что термодинамические процессы, происходящие при внутреннем сгорании, не соответствуют теоретическим циклам. Стадии сгорания и расширения не являются постоянными по объему и давлению, как предполагалось. Они также необратимы в реальной жизни, как это предполагается в теоретических условиях.

Помимо цикла Отто и Дизеля существуют и другие циклы двигателя, в том числе цикл Карно, цикл Брайтона и цикл Ренкина. Наиболее эффективным циклом является цикл Карно, а наименее эффективным циклом является цикл дизельного двигателя.

Уравнения для циклов двигателя

Приведенные выше цифры можно использовать для сравнения с идеальными циклами, а также для определения работы, совершаемой над газом во время сжатия, путем оценки площади под кривой сжатия и работы, выполняемой расширением газ, оценив площадь, измеренную в м ² под кривой расширения.

Таким образом, чистая работа, совершаемая воздухом за один цикл, определяется площадью под замкнутым контуром на p-V диаграмме. Если проделанную работу разделить на время одного цикла, указанная мощность получается, как показано в уравнении ниже, где n _с — количество циклов в секунду, n _{цилиндров} i с — количество циклов в секунду. цилиндры в двигателе. Р _и – указанная мощность, развиваемая при сгорании топлива в камере сгорания.

Часть химической энергии будет потеряна из-за трения, поэтому выходная мощность двигателя будет меньше указанной мощности. Следовательно, выходная мощность P _из равна указанной мощности P _i за вычетом силы трения P _f , как показано ниже.

Кроме того, выходная мощность P _out также может быть рассчитана с использованием крутящего момента выходного вала T и угловой скорости ω . Следовательно, максимальная мощность — это входная мощность, полученная за счет химической энергии топлива.

Это можно рассчитать по приведенным формулам, где P _в – потребляемая мощность, полученная из подводимой химической энергии, m _f – расход топлива и c _f – теплотворная способность топлива.

Теоретический КПД идеального цикла можно найти с помощью приведенного ниже уравнения, где η — общий КПД, r _n — степень сжатия. Тепловой η _th и механический КПД η _m также можно найти с помощью приведенных ниже уравнений. Эффективность зависит от нагрузки на двигатель.

Найдите теоретический КПД двигателя, если степень сжатия равна 1,85.

Решение:

Используя уравнение теоретического КПД и подставляя коэффициент сжатия, получаем.

Найдите указанную мощность шестицилиндрового двигателя, площадь под кривой равна 200, двигатель совершает 5 циклов в секунду.

Решение :

Используя указанное уравнение мощности подставляем Площадь под кривую p-v, получаем количество цилиндров и циклов в секунду.

Циклы двигателя – основные выводы

• Четыре ступени завершают один рабочий цикл в двигателе внутреннего сгорания.
• Бензиновый и дизельный двигатели представляют собой два типа двигателей внутреннего сгорания.
• В то время как бензиновые двигатели совершают циклы отто, дизельные двигатели завершают дизельные циклы.
• Теоретические циклы строятся с использованием некоторых допущений, неприменимых в реальной жизни.

Цикл Отто — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Цикл Отто описывает, как тепловые двигатели превращают бензин в движение. Как и другие термодинамические циклы, этот цикл превращает химическую энергию в тепловую, а затем в движение. Цикл Отто описывает, как работают двигатели внутреннего сгорания (работающие на бензине), такие как автомобили и газонокосилки.

Application

Цикл Отто обеспечивает энергию для большинства видов транспорта и имеет важное значение для современного мира. В частности, подавляющее большинство автомобилей, которые сегодня можно увидеть на дорогах, используют цикл Отто для преобразования бензина в движение. Любая машина (список ^[1] можно продолжать и продолжать), которые используют бензин, будут разделены на две категории двигателей, как показано ниже.

Страницы двигателей содержат подробную информацию об их уникальных механизмах и объяснение того, как они используют Цикл Отто, который немного изменен.

Идеальный цикл Отто

Рис. 3. Диаграмма давление-объем идеального процесса цикла Отто. Он состоит из двух изохорных, двух адиабатических и двух изобарических процессов (для впуска и выпуска) ^[4]

Диаграмма PV (диаграмма давление-объем) идеального цикла Отто представлена ​​на рисунке 3. Эта диаграмма моделирует, как изменяются изменения давления и объема рабочего тела (бензина и авиатоплива) при сгорании углеводородов который приводит в движение поршень, создавая тепло, чтобы обеспечить движение транспортного средства. Существуют движения поршня с расширением (увеличением объема камеры), возникающие при выделении тепловой энергии при сгорании, вызывающие работу, совершаемую газом и на поршень. Напротив, когда поршень совершает работу над газом , камера двигателя сжимается (уменьшается в объеме). ^[5]

Важно отметить, что на рисунке 3 изображен идеальный процесс для любого двигателя, использующего цикл Отто. В нем описаны основные этапы работы с бензиновым двигателем. Небольшая модификация, которая изображает более реалистичную ситуацию диаграммы PV цикла Отто для двухтактного и четырехтактного двигателя, объясняется на соответствующих страницах. Работу, совершаемую двигателем, можно рассчитать, решив площадь замкнутого цикла.

Ниже описывается, что происходит на каждом шаге диаграммы PV, на котором сгорание рабочего тела — бензина и воздуха (кислорода) изменяет движение поршня:

Зеленая линия: Называемая фазой впуска , поршень опускается вниз, чтобы позволить увеличить объем в камере, чтобы он мог «всасывать» топливно-воздушную смесь. С точки зрения термодинамики это называется изобарным процессом.

Процесс 1-2: Во время этой фазы поршень будет выдвинут вверх, чтобы он мог сжимать топливно-воздушную смесь, поступившую в камеру. Сжатие вызывает небольшое повышение давления и температуры смеси, однако теплообмена не происходит. С точки зрения термодинамики это называется адиабатическим процессом. Когда цикл достигает точки 2, то есть когда топливо встречается со свечой зажигания для воспламенения.

Процесс со 2 по 3: Здесь происходит сгорание за счет воспламенения топлива от свечи зажигания. Сгорание газа завершается в точке 3, в результате чего камера находится под высоким давлением и имеет много тепла (тепловой энергии). С точки зрения термодинамики это называется изохорным процессом.

Процесс с 3 по 4: Тепловая энергия в камере в результате сгорания используется для работы поршня, который толкает поршень вниз, увеличивая объем камеры. Это также известно как силовой ход , потому что это когда тепловая энергия превращается в движение для питания машины или транспортного средства.

Фиолетовая линия (процессы с 4 по 1 и фаза выхлопа ): В процессе с 4 по 1 все отработанное тепло удаляется из камеры двигателя. Когда тепло покидает газ, молекулы теряют кинетическую энергию, вызывая снижение давления. ^[6] Затем происходит фаза выхлопа , когда оставшаяся в камере смесь сжимается поршнем для «выхлопа» наружу, без изменения давления.

Для дополнительной информации

• Двухтактный двигатель и четырехтактный двигатель
• Тепловая машина
• Схема PV
• Горение
• Бензин
• Дизель против бензинового двигателя

• Или выберите случайную страницу!

Каталожные номера

1. ↑ Неполный список включает мотоциклы, пикапы, фургоны, внедорожники, газонокосилки, автомобили, многие лодки и даже некоторые портативные генераторы.
2. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine. gif
3. ↑ «Файл: 4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif. [Доступ: 17 мая 2018 г.]
4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
5. ↑ Основы двигателей внутреннего сгорания», Energy.gov, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics. [Доступ: 28 мая. — 2018].
6. ↑ И. Динчер и К. Замфиреску, Усовершенствованные системы производства электроэнергии. Лондон, Великобритания: Academic Press является выходным изданием Elsevier, 2014, с. 266.

Термодинамический анализ цикла Отто