Аткинсон, Миллер, Отто и другие в нашем небольшом техническом экскурсе.
Для начала разберемся что такое цикл работы двигателя. ДВС – это объект, который превращает давление от сгорания топлива в механическую энергию, а так как он работает с теплом, то он является тепловой машиной. Так вот, цикл для тепловой машины – это круговой процесс, в котором совпадают начальные и конечные параметры, которые определяют состояние рабочего тела (в нашем случае это цилиндр с поршнем). Такими параметрами являются давление, объем, температура и энтропия.
Именно эти параметры и их изменение задают то, как будет работать двигатель, а другими словами – каким будет его цикл. Поэтому, если у вас есть желание и познания в термодинамике, можете создать свой цикл работы тепловой машины. Главное потом заставить работать ваш двигатель, чтоб доказать право на существование.
Начнем мы с самого главного цикла работы, который используют практически все ДВС в наше время. Назван он в честь Николауса Августа Отто, немецкого изобретателя. Первоначально Отто использовал наработки бельгийца Жана Ленуара. Немного понимания первоначальной конструкции даст эта модель двигателя Ленуара.
Так как Ленуар и Отто не были знакомы с электротехникой, то воспламенение в их прототипах создавалось открытым пламенем, которое через трубку зажигало смесь внутри цилиндра. Главное отличие двигателя Отто от двигателя Ленуара было в размещении цилиндра вертикально, что натолкнуло Отто на использование энергии отработанных газов для поднятия поршня после рабочего хода. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления. И после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Именно полнота использования энергии позволила поднять КПД до умопомрачительных на то время 15%, что превышало эффективность даже паровых машин. Кроме того, такая конструкция позволила использовать в пять раз меньше топлива, что потом привело к тотальному доминированию подобной конструкции на рынке.
Но главная заслуга Отто – изобретение четырехтактного процесса работы ДВС. Это изобретение было сделано в 1877 году и тогда же было запатентовано. Но французские промышленники покопались в своих архивах и нашли, что идею четырехтактной работы за несколько лет до патента Отто описал француз Бо де Рош. Это позволило снизить патентные выплаты и заняться разработкой собственных моторов. Но благодаря опыту, двигатели Отто были на голову лучше конкурентов. И к 1897 году их было сделано 42 тысячи штук.
Но что, собственно говоря, такое цикл Отто? Это знакомые нам со школьной скамьи четыре такта ДВС – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Все эти процессы занимают равное количество времени, а тепловые характеристики мотора показаны на следующем графике:
Где 1-2 – это сжатие, 2-3 – рабочий ход, 3-4 – выпуск, 4-1 – впуск. КПД такого двигателя зависит от степени сжатия и показателя адиабаты:
, где n – степень сжатия, k – показатель адиабаты, или отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме.
Другими словами – это количество энергии, которую нужно потратить, чтобы вернуть газ внутри цилиндра к прежнему состоянию.
Был изобретен в 1882 году Джеймсом Аткинсоном, британским инженером. Цикл Аткинсона повышает эффективность работы цикла Отто, но уменьшает выделяемую мощность. Основное отличие – разное время выполнения разных тактов работы мотора.
Особенная конструкция рычагов двигателя Аткинсона позволяет совершать все четыре хода поршня всего за один поворот коленчатого вала. Также данная конструкция делает ходы поршня разной длинны: ход поршня во время впуска и выпуска длиннее, чем во время сжатия и расширения.
Еще одна из особенностей двигателя в том, что кулачки газораспределения (открытия и закрытия клапанов) расположены прямо на коленчатом валу. Это устраняет потребность отдельной установки распределительного вала. К тому же нет необходимости устанавливать редуктор, так как коленчатый вал крутится с вдвое меньшей скоростью. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики, но в конце ХХ века он стал более популярным, так как начал применяться на гибридах.
Так что, в дорогих Lexus стоят такие странные агрегаты? Отнюдь нет, цикл Аткинсона в чистом виде никто и не собирался реализовывать, но модифицировать обычный моторы под него – вполне реально. Поэтому не будем долго разглагольствовать об Аткинсоне и перейдем к циклу, который его воплотил в реальность.
Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым двигателем Отто. Вместо того, чтобы сделать механически такт сжатия более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).
Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска, либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у мотористов носит условное название «укороченного впуска», а второй — «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).
Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее. Также одним из плюсов цикла Миллера является возможность более широкой вариации времени зажигания без риска детонации, что дает более широкие возможности для инженеров.
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся, вместе с размерами двигателя, механические потери (трение, вибрации и т. д.).
И напоследок стоит хотя бы кратко вспомнить о цикле Дизеля. Рудольф Дизель изначально хотел создать двигатель, который бы максимально приблизился к циклу Карно, в котором КПД определяется лишь разностью температур рабочего тела. Но так как охлаждать двигатель до абсолютного ноля – не круто, Дизель пошел другим путем. Он увеличил максимальную температуру, для чего начал сжимать топливо до запредельных на то время значений. Мотор у него получился с действительно высоким КПД, но работал изначально на керосине. Первые прототипы Рудольф построил в 1893 году, и только к началу ХХ столетия перешел на другие виды топлива, в том числе и дизельное.
veddro.com
Процесс наполнения. В начале каждого цикла в цилиндр дизеля при движении поршня к н. м. т. поступает свежий воздух под влиянием возникающего в цилиндре разрежения или за счет избыточного давления, создаваемого в специальных нагнетателях.
В четырехтактных двигателях без наддува процесс наполнения начинается в точке r (рис. 200, а). В этот момент объем пространства сжатия Vc=Vr заполнен оставшимися после предыдущего цикла отработавшими газами в количестве Мr кмолей с температурой Тr° К и давлением рr н/м2, большим атмосферного р0 вследствие сопротивления в выпускной системе двигателя на величину ?рr. При движении поршня вниз эти газы, называемые остаточными, сперва расширяются по политропе rr0 до давления р0 и только после этого в цилиндр начинает поступать атмосферный воздух. Практически можно пренебречь небольшими колебаниями и считать, что давление в процессе наполнения остается постоянным. В конце наполнения (точка а) поршень находится в н. м. т. и в объеме цилиндра Va=Vc+Vs окажется Мr кмолей смеси, состоящей из остаточных газов в количестве Мr кмолей и L кмолей свежего воздуха, т. е. Ma = Mr + L. Температура заряда цилиндра будет Tа, а давление ра<p0 на величину ?pа вследствие сопротивлений во впускной системе двигателя.
В четырехтактных двигателях с наддувом (рис. 200, б) давление воздуха перед двигателем рн обычно больше давления pr0 в процессе выпуска е0r0 отработавших газов. Давление в цилиндре pа в процессе наполнения rа будет выше p0, но меньше, чем давление перед двигателем рн на величину ?pн, зависящую от сопротивлений впускной системы дизеля. При расчетах температуру окружающего воздуха принимают T0 = 288?300° К, а давление p0 = 0,103 Мн/м2. У двигателя без наддува воздух перед поступлением в цилиндр проходит через впускной коллектор, соединительные патрубки, канал в крышке цилиндра, омывает клапан, нагреваясь при этом на величину ?T0 = 5?10° К. Температура воздуха, поступающего непосредственно в цилиндр, составит T0’ =T0 + ?T0° К.
У двигателя с наддувом (рис. 201, а) параметры воздуха перед нагнетателем будут р0, Т0, а за ним перед двигателем pн, Tн.
Согласно опытным данным давление наддува рн принимается:
— для четырехтактных двигателей с механическим наддувом pн=0,12?0,16 Мн/м2, а с газотурбинным наддувом рн=0,13?0,3 Мн/м2;
— для двухтактных двигателей без наддува рн = 0,115?0,125 Мн/м2 и с наддувом рн= 0,13?0,18 Мн/м2.
Считая, что сжатие в нагнетателе происходит по политропе, находят температуру воздуха за нагнетателем
где nн — показатель политропы сжатия, принимается для поршневых нагнетателей равным 1,4—1,6, ротативных 1,7—2 и центробежных 1,6—1,7.
Далее воздух по пути в цилиндр нагревается на величину ?Tн = 10?20° К и входит в цилиндр с температурой Тн' = Тн + ?Tн°К. Для увеличения массового заряда воздух после нагнетателя охлаждается в воздухоохладителе (рис. 201, б), благодаря чему повышаются литровая мощность и экономичность и сохраняется в допустимых пределах тепловая нагрузка двигателя при его форсировке. Потери давления воздуха в охладителе принимают ?pохл = 0,0015 ? 0,005 Мн/м2. Приняв по приведенным рекомендациям давление воздуха рн перед двигателем, определяют давление и температуру его после нагнетателя:
Понижение температуры воздуха в охладителе ?Tохл = 20?60° К, и тогда температура воздуха перед двигателем Тн = Тн” — — ?Tохл?K и далее с учетом подогрева воздуха на пути в цилиндр
Воздух, поступая в цилиндр в количестве L кмолей с температурой Т0 (или Tн), перемешивается с Мr кмолями остаточных газов, имеющих температуру Тr° К, и к концу наполнения (точка а) температура смеси Тr >Та>Т0' (или Tн').
Количество тепла, переданное воздуху остаточными газами,
Количество тепла, воспринятое воздухом Q2 =c?вL (Та—Т0’), где с?r и c?в — средние мольные теплоемкости остаточных газов и воздуха, дж/(кмоль?град).
Так как Q1 = Q2, то с?r Мr(Тr — Та) = c?в L(Та — T0’).
Без особой погрешности можно принять с?r = c?в и тогда получим
По этой формуле определяют температуру заряда в конце наполнения для дизелей без наддува. Для ДВС с наддувом следует пользоваться формулой
По опытным данным, для четырехтактных двигателей Та = 300?340° К и для двухтактных Та = 310?380° К. Температурой Тr задаются в пределах 600—800° К для тихоходных двигателей и 700—1000° К для быстроходных. Ошибка в оценке Тr мало влияет на Та, так как Тr должно быть умножено на Малую величину ?r, представляющую собой отношение количества остаточных газов Мr к действительному количеству свежего воздуха L, поступившего в процессе наполнения.
Величина ?r характеризует степень очистки цилиндра от продуктов сгорания и в расчетах принимается по опытным данным:
— для четырехтактных двигателей без наддува ?r == 0,03?0,05 и с наддувом ?r = 0,02?0,4;
— для двухтактных двигателей с продувкой: контурной ?r = 0,08?0,15, пямоточно-клапанной ?r = 0,08?0,12; кривошипно-камерной ?r = 0,3?0,4 и прямоточно-щелевой ?r =0,04?0,08.
Можно рекомендовать также для определения ?r следующие формулы:
где рr — давление остаточных газов в цилиндре, которое принимают для тихоходных ДВС 0,102—0,106 Мн/м2 и для быстроходных ДВС 0,105—0,115 Мн/м2.
При проектировании двигателя стремятся принять по возможности меньшее значение ?r, так как при этом увеличивается масса заряда свежего воздуха и процесс сгорания совершается лучше. Коэффициент ?r уменьшается с увеличением степени сжатия ?, температуры Тr и давления выпуска.
Вследствие повышения температуры от Т0 до T0’ (или от Tн до Tн') и понижения давления от р0 (или рн) до ра в рабочий объем цилиндра Vs входит воздух в процессе наполнения в количестве L кмолей, меньшем, чем могло бы поместиться Ls кмолей при температуре Т0 (или Тн) и давлении р0 (или рп) перед двигателем.
Отношение количества свежего воздуха L кмолей, действительно поступившего в цилиндр, к теоретически возможному количеству Ls кмолей называется коэффициентом наполнения цилиндра ?н = L / Ls. Как выше отмечалось, количество молей газа в конце наполнения (точка а) Ма=Мr+L или Ма = L (1 + Mr / L) , и окончательно Ма = L (1 + ?r).
Из уравнения состояния в точке а раVа = 8314 МаТа имеем
Приравняв правые части приведенных равенств
Количество кмолей воздуха Ls, теоретически возможное в объеме Vs при T0 и р0, находят из уравнения состояния
Выражение для ?н действительно и для ДВС с наддувом при условии замены р0 и Т0 на рн и Тн — давление и температуру воздуха перед двигателем. У двухтактных двигателей расчет рабочего процесса производится обычно для полезной части хода поршня Vs(1—?s), где ?s— доля хода поршня, занятая окнами (принимается для продувочных окон 0,08 - 0,14 и для выпускных 0,16—0,25). Коэффициент наполнения, отнесенный к полезному ходу поршня,
Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня, равен
Коэффициент наполнения находится в пределах: для четырехтактных двигателей без наддува 0,75—0,9 и с наддувом 0,7—0,85, для двухтактных 0,75—0,90.
Из формулы (130) видно, что увеличение коэффициента остаточных газов ?r ведет к уменьшению ?н. С уменьшением степени подогрева воздуха уменьшается значение Та, что увеличивает ?н.
Однако наибольшее влияние на величину ?н оказывает значение давления pa в конце наполнения, с увеличением которого ?н возрастает. По практическим данным, давление в конце наполнения ра для четырехтактных тихоходных двигателей равно (0,85— 0,95) р0 и быстроходных (0,80—0,85) р0, для двухтактных тихоходных двигателей (0,85—0,94) рн и быстроходных (0,85—1,05) рн.
Охлаждение воздуха при наддуве не приводит к заметному изменению ?н.
Давление продувочного воздуха рп может быть принято для двухтактных тихоходных двигателей 0,115—0,125 Мн/м2 и быстроходных 0,12—0,14 Мн/м2.
В газодизелях в процессе наполнения в цилиндр поступает смесь газа с воздухом. Коэффициент избытка воздуха в смеси составляет ? =1,4?2,2, подогрев свежего заряда от стенок двигателя ?T = 20?50° К- Давление и температуру остаточных газов принимают соответственно равными 0,108— 0,125 Мн/м2 и 970—1270° К. Давление ра в начале сжатия принимают равным 0,098—0,08 Мн/м2.
Процесс сжатия. В теоретическом цикле предполагается, что у двухтактных двигателей сжатие начинается с момента закрытия окоп (выпускных или продувочных, в зависимости от того, какие из них выше), а у четырехтактных — с н. м. т. и продолжается до прихода поршня в в. м. т. При этом создаются условия, необходимые для наиболее эффективного протекания последующего сгорания топлива.
В современных ДВС процесс сжатия отклоняется от идеального адиабатного ас' (рис. 202) и происходит по политропе с непрерывно меняющимся показателем п1 на всем протяжении сжатия (кривая ас) вследствие теплообмена между зарядом и стенками цилиндра. В начале сжатия происходит приток тепла от стенок цилиндра к заряду и n1>k, затем в некоторый момент температуры заряда и стенок сравняются, возникает адиабатное состояние заряда n = k (точка b), после чего температура воздуха становится выше температуры цилиндра и направление теплообмена меняется (n1<k). Для упрощения при расчетах циклов принимают процесс сжатия протекающим по некоторой политропе с постоянным показателем n1, значения которого принимают равными для высокооборотпых двигателей 1,38—1,42, малооборотиых 1,32—1,37 и газожидкостпых 1,3—1,38.
С увеличением быстроходности сокращается время теплообмена заряда со стенками цилиндра и n1 возрастает. При охлаждении поршней n1 понижается. Если материал поршней более теплопроводный, то n1 будет также уменьшаться. У двигателей с малыми размерами цилиндра n1 будет меньше, чем у двигателя с большими размерами. Это же наблюдается у Двигателей с усложненными формами камер сгорания. Охлаждение наддувочного воздуха повышает n1.
Параметры заряда ра и Та в начале сжатия были определены при рассмотрении процесса наполнения. Давление рс и температуру Тс конца сжатия находят из соотношения параметров в политропном процессе ас,
Степень сжатия для тихоходных двигателей ? =13?1n4, средней быстроходности ? =14?5, быстроходных ? = 15?18, с наддувом ? = 11?13 и газожидкостных ? = 11 ?18.
Температура заряда Тс в конце сжатия должна быть не менее 750—800° К.
Анализ идеальных циклов ДВС показал, что их экономичность увеличивается с повышением ?. Однако при этом увеличивается давление газов, повышается температура и вследствие этого возникают повышенные напряжения в деталях двигателя. В этом случае приходится применять более качественный материал, увеличивать размеры деталей, что удорожает и утяжеляет конструкцию.
Среднее значение давления рс в конце сжатия у судовых дизелей без наддува составляет 3—5 Мн/м2, с наддувом 3,6—10 Мн/м2 и у газожидкостных 3—3,5 Мн/м2.
Процесс сгорания. Процесс воспламенения и сгорания в двигателе происходит примерно по следующей элементарной схеме.
Топливо впрыскивается в цилиндр во время, хода сжатия, причем момент начала впрыска устанавливается всегда до в. м. т., примерно за 10—40° угла поворота коленчатого вала (точка 1 на рис. 203). Капли топлива, имеющие температуру 329—343° К, перемешиваются в цилиндре с нагретым в результате сжатия до 873—1073° К воздухом, нагреваются и частично испаряются, образуя смесь с воздухом определенной концентрации. Сложные молекулы топлива разлагаются на промежуточные продукты окисления и происходит подготовка топлива к воспламенению в течение некоторого промежутка времени ? =0,001?0,005 сек, которое называтся периодом задержки самовоспламенения. Величина т зависит от свойств применяемого сорта топлива, степени сжатия, конструкции двигателя, качества распыливания топлива и многих
других факторов. Коленчатый вал за время т повернется на угол 5—30°. В период задержки самовоспламенения в цилиндре скапливается около 30—40% всего количества топлива, впрыскиваемого за цикл. Это топливо почти полностью испаряется и образует многочисленные очаги воспламенения. Опережение впрыска выбирают с таким расчетом, чтобы процесс сгорания заканчивался ближе к в. м. т. При этом наибольшее давление сгорания рz достигает наивыгоднейшего для данного двигателя значения, определяемого обычно при доводочных испытаниях. Увеличение опережения впрыска вызывает повышение давления pz.
Самовоспламенение наступает примерно за 5—10° до в. м. т. по ходу сжатия (точка 2). Происходит интенсивный процесс окисления горючих элементов топлива с выделением тепла. Сгорание сопровождается быстрым повышением температуры и давления в цилиндре. Средняя скорость нарастания давления wср, характеризующая интенсивность процесса сгорания, представляет собой отношение прироста давления ?р с момента самовоспламенения до момента достижения наибольшего давления в цилиндре рz, к при росту угла поворота вала ??° за это время
При малой скорости wср двигатель работает спокойно и мягко. Увеличение ?cp приводит к жесткой работе двигателя, а иногда даже появляется стук. Оказывает влияние на wср также скорость подачи топлива в процессе видимого сгорания.
По опытным данным, мягкая работа двигателя обеспечивается при wcp =0,2?0,6 Мн/м2 на 1°?. В быстроходных двигателях wср достигает 0,8—1,0 Мн/м2 на 1°?. Наиболее интенсивное сгорание начинается с момента достижения наибольшего давления рz (точка 3). Топливо, впрыскиваемое в цилиндр, встречает среду с высокой температурой и практически сгорает сразу после поступления в цилиндр. В этот период происходит интенсивный рост температуры, которая к окончанию подачи топлива (точка 4) достигает максимального значения в цикле Тz. Заканчивается процесс сгорания через 20—5° поворота коленчатого вала после в. м.т. Дальше в процессе расширения происходит нежелательное, но неизбежное почти у всех двигателей незначительное догорание топлива. Период догорания у тихоходных двигателей короче, чем у быстроходных. Завершается догорание к середине или к концу процесса расширения. Догорание на линии расширения ведет к увеличению потерь тепла в охлаждающую воду и повышению температуры отработавших газов. Для уменьшения этих потерь активизируют процессы смесеобразования и сгорания.
Началом горения в расчетах считают момент прихода поршня в в. м. т. и окончанием — приход поршня в точку z (рис. 199).
Расчет процесса сгорания принято проводить исходя из 1 кг сжигаемого топлива, состав которого колеблется в пределах: углерод 84—88%, водород 12—14%, кислород 0,1—2,5% и сера 0,01-4%.
При расчетах можно принять, что в 1 кг дизельного топлива среднего состава содержится 0,87 кг углерода, 0,126 кг водорода и 0,004 кг кислорода.
Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива за вычетом потерь на испарение находящейся в топливе влаги и воды, получаемой при сгорании водорода топлива, называется низшей теплотой сгорания Qн кдж/кг. Для топлива указанного состава Qн = 41 900 кдж/кг. Количество воздуха и образующихся газов принято измерять в киломолях.
Продуктами полного сгорания горючих элементов топлива являются СО2, Н2О и О2. Из расчетных реакций сгорания горючих элементов топлива следует, что для полного сгорания С кг углерода, Н кг водорода и S кг серы необходимо C / 12 + H / 4 + S / 32 кмолей кислорода.
Учитывая, что в 1 кг топлива содержится O / 32 кмолей кислорода, подсчитанное количество следует уменьшить на величину O / 32 кмоль. Таким образом для полного сгорания 1 кг топлива теоретически необходимое количество кмолей кислорода составляет
Так как кислород является составной частью воздуха, поступающего в цилиндр, и по объему составляет примерно 21%, то количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива,
Ввиду незначительного промежутка времени смесеобразования в цилиндре топливо недостаточно хорошо перемешивается с воздухом и полного сгорания при подаче в цилиндр теоретического количества воздуха L0 невозможно добиться. Поэтому необходимо подавать воздух в цилиндр с некоторым избытком.
Отношение действительно поступившего в цилиндр количества воздуха L к теоретически необходимому L0 называется коэффициентом избытка воздуха ? = L / L0 .
Действительное количество воздуха
L = ?L0. (135)
Величина а зависит от особенностей двигателей, вида смесеобразования и применяемых сортов топлива и принимается для двигателей с наддувом равной 1,5—2,1; для тихоходных двигателей без наддува ? = 1,8 ? 2,1 и быстроходных ? = 1,3 ? 1,7. При охлаждении наддувочного воздуха значение ? несколько увеличивают, но оно должно быть не более 2,4.
В начале процесса сгорания в цилиндре находится L кмолей воздуха. При горении топлива происходит увеличение количества кмолей продуктов сгорания вследствие увеличения суммарного количества молекул газообразных продуктов сгорания. К концу сгорания число кмолей газа
Отношение количества молей продуктов сгорания М к количеству молей свежего заряда L называется теоретическим коэффициентом изменения ?0 = M / L.
Действительным коэффициентом молекулярного изменения называют отношение
где Мr — количество кмолей остаточных газов в цилиндре.
Разделив числитель и знаменатель на Ь, получают окончательное выражение
Для современных двигателей ? = 1,03?1,04. Из-за несовершенства смесеобразования топливо полностью на участке сz'z (рис. 204) не успевает сгорать и догорает в процессе расширения. Таким образом на участке сz'z тепло выделяется в количестве Q<Qн. Однако и это количество тепла Q не может быть полностью использовано в процессе сгорания, так как часть его поглощается стенками цилиндра и теряется с продуктами сгорания. По указанным выше причинам из всего тепла Qн, выделяемого на участке сгорания сz'z, только часть его, а именно Qн', < Qн полезно используется па увеличение внутренней энергии газа и на совершение внешней работы. Отношение
называется коэффициентом использования тепла при сгорании.
Значение коэффициента ? для судовых тихоходных двигателей составляет 0,85—0,90, а для быстроходных 0,66—0,85. Использованное тепло 1 кг топлива Qн' = ?Qн. В начале сгорания (точка с в теоретическом цикле) в рабочем цилиндре будет находиться L кмолей свежего воздуха и Мr кмолей остаточных газов, которые образуют смесь с температурой Тс ?К.
Внутренняя энергия, которой обладает данная смесь в точке с,
где с?m' и с?т" — средние мольные теплоемкости при постоянном объеме сжатого воздуха и продуктов сгорания (остаточных газов). В практических расчетах для упрощения можно считать, что смесь состоит из двухатомных газов, так как содержание в ней остаточных газов незначительно и теплоемкость смеси
Внутренняя энергия
В конце сгорания (точка z) в цилиндре будет находиться М2 = М + Мr кмолей продуктов сгорания с температурой Т2? К.
Внутренняя энергия газов в точке z
где с? m см — средняя мольная теплоемкость смеси «чистых» продуктов сгорания и избыточного воздуха.
В зависимости от принятого коэффициента избытка воздуха
Средняя мольная теплоемкость «чистых» продуктов сгорания
с?m = 20,4+ 0,0036Tc.
На участке сгорания z'z некоторое количество тепла идет на совершение внешней механической работы Lz'z, совершаемой газом при расширении от V'z до Vz и постоянном давлении рz.
Заменим Vz’=Vс; рz = ?рс, где ? = pz / pc - степень повышения давления при сгорании (принимается для тихоходных дизелей равной 1,3—2,0 и для быстроходных 1,5—2,5). Тогда
Из уравнений состояния газа в точках с и z имеем
На оснований первого закона термодинамики уравнение теплового баланса процесса сгорания имеет вид
Решая уравнения (142) относительно Тz, определяют температуру газа в конце сгорания. По опытным данным, для тихоходных двигателей Тz= 1700?2000° К и для быстроходных Тz = 2000?2200° К. Давление газа в конце сгорания находится из выражения рz = ?pc. По опытным данным, рz= 4,5?6 Мн/м2 для тихоходных и pz = 6,0?11 Мн/м2 для быстроходных двигателей.
При определении объема газа Vz в конце сгорания пользуются уравнениями состояния газа для точек с и z: рсVс = 8314 М1ТС и рzVz = 8314 М2Tz. Разделив первое выражение на второе, получим
В газожидкостных ДВС обычно осуществляется смешанный термодинамический цикл. При этом величину ? к выбирают в пределах 1,5—2,0. Значение рz для тихоходных двигателей составляет около 6,5 Мн/м2, а для быстроходных около 7,5 Мн/м2. Коэффициент ?z можно принимать в пределах 0,8—0,85. Температура в конце сгорания Тz = 2000?2250° К. Степень предварительного расширения ? = 1,4?1,5. Коэффициент избытка воздуха в конце сгорания ?2 составляет 1,3—1,8.
Процесс расширения. Процесс расширения (zе) в теоретическом цикле начинается в момент окончания процесса сгорания (точка z на рис. 204) и продолжается при движении поршня вниз.
Оканчивается расширение у четырехтактных двигателей в и. м. т., а у двухтактных — в момент открытия выпускных окон. Параметры газа в начале расширения (точка z) Vz, Тz, рz, а в конце (точка е) Vе, Те, ре. Процесс расширения протекает с теплообменом.
В начале расширения газ подогревается за счет тепла догорающего топлива. На всем протяжении хода расширения газ отдает тепло более холодным стенкам цилиндра. Поэтому процесс расширения протекает политропно с непрерывно меняющимся показателем политропы n2 в пределах от 1,1 до 1,5. В расчетах n2 принимают некоторым средним и постоянным на всем протяжении хода расширения. Выбор значения n2 производят по опытным данным.
Для судовых тихоходных дизелей n2 =1,28 ? 1,32, быстроходных п2= 1,20 ?1,24 и газожидкостных n2= 1,2 ? 1,28.
Параметры газа в конце расширения находят из соотношений в политропном процессе zе:
По опытным данным, для судовых двигателей параметры газа в конце расширения следующие: для тихоходных ре=0,25 ? 0,35 Мн/м2, Tе=900 ? 1100° К и для быстроходных ре=0,3 ? 0,5 Мн/м2 и Те= 1000 ? 1200° К.
Процесс выпуска. В процессе выпуска производится удаление из цилиндра отработавших газов и завершается рабочий цикл. В двухтактных двигателях выпуск газов начинается в момент открытия выпускных окон (или выпускного клапана в дизелях с прямоточно-клапанной продувкой), а в четырехтактных — в момент начала движения поршня с н. м. т. вверх. В период выпуска газы преодолевают вредные сопротивления со стороны выпускного клапана, в трубопроводе и глушителе. Поэтому давление в цилиндре рr в процессе еr (см. рис. 200) выше атмосферного, причем оно не остается постоянным, но в расчетах его принимают некоторым средним, постоянным.
По практическим данным, можно принимать рr=0,105 ? 0,125 Мн/м2 (меньшие значения относятся к тихоходным двигателям, а большие — к быстроходным).
vdvizhke.ru
Вся история развития двигателей внутреннего сгорания подвержена основной движущей силе - увеличение КПД ДВС.
Первым, кто указал на возможность создания двигателей внутреннего сгорания, является Сади Карно. Идеи, высказанные им в работе «Размышления о движущей силе огня», в дальнейшем были полностью реализованы.
В 1860 г. Француз Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работавший на газе. Однако он не получил широкого распространения ввиду того, что имел низкий кпд (не выше, чем кпд паровых машин).
В 1862 г. французский инженер Бо-де-Роша предложил (запатентовал) двигатель, принципы создания которого совпадали с идеями Карно. Эти принципы были осуществлены немецким инженером Отто в созданном им в 1877 г. бензиновом двигателе.
В 1897 г. немецким инженером Дизелем был разработан двигатель высокого сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось воздухом высокого давления, полученного от компрессора.
В 1904 г. русский инженер Г.В.Тринклер построил бескомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива - сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в настоящее время широкое распространение.
Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы:
1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто).
2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля).
3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const (цикл Тринклера).
При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический кпд цикла.
Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме (снятой с помощью специального прибора - индикатора). Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис.1.
Рис.1
При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (линия 0-1). Эта линия не является термодинамическим процессом, так как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Кривой 1-2 (линия сжатия) изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается кривой 2-3. В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают. Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении несколько большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа.
В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с чем, рассмотренные двигатели называются четырехтактными.
Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости поршня и проч.
Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: рабочее тело -идеальный газ с постоянной теплоемкостью; количество рабочего тела постоянно; между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты.
Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их кпд. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а pv - диаграммой его цикла.
Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv координатах представлен на рис. 2.
Идеальный газ с начальными параметрами p1, v1,T1 сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема v4=v1. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q2 в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются:
- Степень сжатия;
-Степень повышения давления;
Рис. 2
Количество подведенной и отведенной теплоты определяются по формулам:
Подставляя эти значения теплот в формулу для термического кпд, получим:
Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.
Точка 2.
откуда получаем
Точка 3.
откуда получаем
Точка 4.
откуда получаем
С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид
Формула 1.
И з последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия e и показателя адиабаты k.
Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.
Работа цикла определяется по формуле:
Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.
Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут, смолы и проч.
В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до e =20 ), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.
Рассмотрим идеальный цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении в pv- диаграмме рис.3
Рис.3
Этот цикл осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p1, v1, T1 сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты q2. Характеристиками цикла являются :
Степень сжатия -
Степень предварительного расширения -
Количество подведенной и отведенной теплот определяются по формулам:
Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей cp и cv и их отношения k=cp/cv будет:
Параметры рабочего тела в характерных точках цикла будут:
Точка 2.
откуда получаем:
Точка 3.
откуда получаем:
Точка 4.
Так как
то
Подставляя полученные значения температур в формулу для кпд, получим
Формула 2
Отсюда следует, что с увеличением e и k кпд увеличивается, а с увеличением r - уменьшается.
Работа цикла определяется по формуле:
Сравнения кпд циклов ДВС с подводом теплоты при p = const и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных e показывают, что
При этом степень сжатия e в цикле с подводом теплоты при p = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при v = const .
Величина e в цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует e = 14 -18.
Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя.
С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении. На рис. 4 представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv - координатах.
Рис 4.
В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты q1 штрих , а в изобарном процессе 3-4 - вторая - q1 два штриха. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты q2 в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются :
Степень сжатия -
Степень повышения давления -
Степень предварительного расширения -
Количества подведенной
и отведенной q2 теплот определяются по формулам:
Термический кпд цикла будет:
Найдем параметры рабочего тела в характерных точках цикла.
Точка 2.
откуда получаем
Точка 3.
Точка 4.
Точка 5.
Подставив найденные значения температур в формулу для кпд, будем иметь:
Формула 3
Отсюда следует, что с увеличением k, e и l кпд цикла возрастает, а с увеличением r уменьшается.
Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты. Если положить что лямбда = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном объеме ( P2 =P3 )), то формула (3) приводится к формуле (2), т.е. к формуле для кпд цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Если принять p=1(что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном давлении ( V3 = V4 )), то формула (3) приводится к формуле (1) для кпд цикла с изохорным подводом теплоты.
Цикл со смешанным подводом теплоты лежит в основе работы большинства современных дизелей.
PS
1. В тексте обнаружены не точности в описание формул связанные с изменением символов при переносе в HTML - будьте осторожны . В ближайшее время текст будет проверен и исправлен.
2. Информация взята с моих личных лекций по Термодинамике (вроде бы О_о)
Ключевые слова: Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, рабочие циклы двс, циклы поршневых двс, термодинамические циклы двс, теоретические циклы двс, классификация ДВС, циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме, циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении, циклы ДВС со смешанным подводом теплоты, теория работы ДВС.
Последний раз редактировалось 12.08.2011г
Стена содержит гораздо больше вопросов/ответов, чем показанно здесь!
Чтобы посмотреть все нажмите кнопочку "Загрузить ещё"
avtogid4you.narod.ru
