Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу состоящему
Главная Онлайн учебники База репетиторов России Тренажеры по физике Подготовка к ЕГЭ 2017 онлайн
Глава 3. Молекулярная физика и термодинамика
Термодинамика
3.11. Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно
Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.
Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):
Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.
| Рисунок 3.11.1. Круговой процесс на диаграмме ( p, V ). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd |
Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно
При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,
Отсюда следует:
Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:
 |
Модель. Термодинамические циклы |
Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.
| Рисунок 3.11.2. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0 , A > 0 , Q2 < 0 ; T1 > T2 |
В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1-2, 3-4) и двух адиабат (2-3, 4-1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1-2, 3-4), одной изобары (2-3) и одной изохоры (4-1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.
| Рисунок 3.11.3. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания ( 1 ) и дизельного двигателя ( 2 ) |
В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).
| Рисунок 3.11.4. Цикл Карно |
Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1-2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2-3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3-4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 < T1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A34 < 0 и отдает тепло Q2 < 0, равное произведенной работе A34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T1, газ совершает работу A41 < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:
A = A12 + A23 + A34 + A41.
На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.
Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1-2 и 3-4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).
Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа
где T1 и T2 – начальная и конечная температуры газа.
Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам
По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть
С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2:
Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:
 |
Модель. Цикл Карно |
Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.
В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.
| Рисунок 3.11.5. Энергетическая схема холодильной машины. Q1 < 0 , A < 0 , Q2 > 0 , T1 > T2 |
Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением
т. е. эфективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно
Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение
т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:
следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно
Источник
- Главная
- Вопросы & Ответы
- Вопрос 6873209
Энджелл
более месяца назад
Просмотров : 264 Ответов : 1
Лучший ответ:
Онтонио Веселко
более месяца назад
Ваш ответ:
Комментарий должен быть минимум 20 символов
Чтобы получить баллы за ответ войди на сайт
Лучшее из галереи за : неделю месяц все время
Вы можете из нескольких рисунков создать анимацию (или целый мультфильм!). Для этого нарисуйте несколько последовательных кадров и нажмите кнопку Просмотр анимации.
Другие вопросы:
Онтонио Веселко
Поясните, что является причиной явления периодичности в жизни организмов. Поясните, что является причиной явления периодичности в жизни организмов.
более месяца назад
Смотреть ответ Просмотров : 36 Ответов : 1
Мари Умняшка
Какой закон действия факторов среды на организм подтверждает данное явление? Какой закон действия факторов среды на организм подтверждает данное явление?
более месяца назад
Смотреть ответ Просмотров : 49 Ответов : 1
Главный Попко
Поясните, почему жару человек легче переносит в сухом климате, чем во влажном. Поясните, почему жару человек легче переносит в сухом климате, чем во влажном.
более месяца назад
Смотреть ответ Просмотров : 37 Ответов : 1
Пармезан Черница
Верно ли утверждение: «Температура +20°С – оптимальная для жизни животных»? Если верно, то почему? Аргументируйте свой Верно ли утверждение: «Температура +20°С – оптимальная для жизни животных»? Если верно, то почему? Аргументируйте свой
более месяца назад
Смотреть ответ Просмотров : 71 Ответов : 1
Энджелл
Примеры проявления свойств организмов в ответ на действие фактора Примеры проявления свойств организмов в ответ на действие фактора
более месяца назад
Смотреть ответ Просмотров : 275 Ответов : 1
Источник
6 июля 2011
В данной статье описаны основные процессы, связанные с внутренним сгоранием топлива, рассказывается о четырёхтактном цикле, а также обо всех подсистемах благодаря которым происходит работа двигателя.
Содержание статьи
- Введение
- Сравнение дизельных и бензиновых двигателей
- Система впрыска дизельного топлива
- Дизельное топливо
- Улучшение качества дизельного топлива и Биодизель
- Узнать больше
- Читайте также » Статьи про все типы двигателей
В данной статье описаны основные процессы, связанные с внутренним сгоранием топлива, рассказывается о четырёхтактном цикле, а также обо всех подсистемах, благодаря которым происходит работа двигателя.
История дизеля начинается с изобретения бензинового двигателя. В 1876г. Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель. В основе работы его модели лежал четырехтактный цикл сгорания топлива, также известный как “Цикл Отто”, который используется в большинстве современных автомобильных двигателей. На первых порах бензиновый двигатель не обладал большой эффективностью, как и его основные конкуренты, например, паровой двигатель. В таких двигателях лишь 10% топлива реально использовалось для движения автомобиля. Остальное же топливо производило бесполезное тепло.
В 1878г. на занятиях в Высшей политехнической школе в Германии (аналог инженерного колледжа) Рудольф Дизель узнал о низком КПД бензиновых и паровых двигателей. Эта проблема вдохновила его на создание более производительного двигателя. Спустя много лет, в 1892г. Дизель запатентовал одноименный “Мощный двигатель внутреннего сгорания”.
Но если дизельные двигатели более эффективные, почему бензиновые более популярные? Представляя себе дизельный двигатель, Вы, скорее всего, подумаете об огромном грузовике, который извергает черный грязный дым и сильно шумит. Именно по этим причинам в США автомобилистам и не нравится дизель. Несмотря на то, что этот тип двигателя превосходно подходит для перевозки грузов на большие расстояния, дизельные автомобили редко покупают для повседневной езды. Однако прогресс не стоит на месте, и идет модернизация дизельного двигателя для уменьшения загрязнения атмосферы и снижения уровня шума.
Если Вы еще не знаете, то, скорее всего, Вам будет интересно сперва узнать, “Как работает автомобильный двигатель”, чтобы иметь общее представление о процессе внутреннего сгорания топлива. Когда прочитаете, возвращайтесь на эту страницу и узнаете все о секретах работы дизельного двигателя и последних инновациях.
КПД 4,5-литрового двигателя Duramax V-8 на 25% выше по сравнению с бензиновыми, при этом выхлопы намного чище.
Рудольф Дизель, изобретатель дизельного двигателя.
Сравнение дизельных и бензиновых двигателей
По большому счету, дизельные и бензиновые двигатели имеют схожее устройство. И те, и другие являются двигателями внутреннего сгорания, преобразующие химическую энергию топлива в механическую. Эта механическая энергия перемещает поршни вверх-вниз внутри цилиндров. Поршни соединяются с коленвалом, и их линейное движение преобразуется в круговое движение, которое необходимо для вращения колес.
Как дизельный, так и бензиновый типы двигателей преобразуют топливо в энергию посредством серии взрывов или сгораний. Основное различие дизельных и бензиновых двигателей состоит в том, как происходят эти взрывы. В бензиновых двигателях подаваемая смесь топлива и воздуха сжимается во время хода поршня и воспламеняется искрой свечи. В дизельном же двигателе сначала происходит сжатие воздуха, затем происходит подача топлива. Нагреваемый при сжатии воздух воспламеняет топливо.
Ниже представлена анимация, наглядно демонстрирующая цикл дизеля. Сравните с анимацией цикла бензинового двигателя для того, чтобы увидеть основные различия.
В дизельном двигателе, как и в бензиновом, используется четырехтактный цикл сгорания топлива. Четыре такта работы:
Такт впуска – Впускной клапан открывается, происходит впуск воздуха и движение поршня вниз.
Такт сжатия – Поршень движется вверх, сжимая воздух.
Рабочий такт – Как только поршень достигает верхней точки, происходит впуск и возгорание топлива, при этом поршень движется вниз.
Такт выпуска – Поршень снова движется вверх, выталкивая продукты сгорания через выпускной клапан.
Необходимо помнить, что в дизельных двигателях не используются свечи зажигания, т.к. происходит впуск и сжатие воздуха, затем впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания (прямой впрыск). В дизельном двигателе возгорание топлива происходит за счет тепла сжатого воздуха. В следующем разделе статьи представлен процесс впрыска дизельного топлива.
Компрессия
Выполняя расчеты, Рудольф Дизель предположил, что более высокий уровень сжатия топливной смеси способствует повышению эффективности и мощности. Это происходит при сжатии воздуха поршнем в цилиндре, в результате чего увеличивается концентрация воздуха. Дизельное топливо обладает высокой энергоемкостью, поэтому увеличивается вероятность реакции с концентрированным воздухом. Иными словами, чем ближе молекулы воздуха расположены друг к другу, тем больше количество молекул кислорода, с которыми происходит реакция топлива. Рудольф оказался прав – компрессия в бензиновом двигателе происходит при соотношении от 8:1 до 12:1, в то время как компрессия в дизельном двигателе происходит при соотношении от 14:1 до 25:1.
Система впрыска дизельного топлива
Существенным различием между дизельным и бензиновым двигателем является процесс впрыска топлива. В большинстве автомобильных двигателей используется впрыск во впускные каналы или карбюратор. При впрыске во впускные каналы, топливо поступает до начала такта впуска (вне цилиндра). В карбюраторе происходит смешивание воздуха и топлива до их попадания в цилиндр. Следовательно, в бензиновом двигателе топливо поступает в цилиндр в течение такта впуска, затем происходит сжатие. Степень сжатия смеси топливо-воздух определяет компрессию двигателя – если воздух слишком сильно сжать, смесь топливо-воздух самопроизвольно воспламеняется, вызывая детонацию. При этом происходит резкое повышение температуры, что может привести к повреждениям двигателя.
В дизельных двигателях используется система прямого впрыска топлива – дизельное топливо поступает непосредственно в цилиндр.
Дизельная форсунка является наиболее сложной деталью двигателя, которая претерпела многочисленные изменения. Расположение форсунки зависит от конкретного двигателя. Форсунка должна противостоять высокой температуре и давлению внутри цилиндра, распыляя при этом топливо. Равномерное распределение распыленного топлива в цилиндре также представляет собой сложную задачу, для этого на некоторых дизельных двигателях устанавливаются впускные клапаны, камеры предварительного сгорания и другие устройства, способствующие образованию вихревого потока воздуха для улучшения процесса сгорания топлива.
В некоторых дизельных двигателях используются свечи накаливания. В холодном двигателе процесс сжатия воздуха не всегда может обеспечить температуру, необходимую для воспламенения топлива. Свеча накаливания представляет собой электрически нагреваемую проволоку (аналогичные проволоки используются в тостерах), которая повышает температуру камеры сгорания, что способствует запуску даже холодного двигателя. По словам высококвалифицированного специалиста по тяжелому оборудованию Клэя Бротертора:
Все функции современных дизельных двигателей контролируются электронной системой управления, которая представляет собой блок датчиков для измерения всех показателей, от оборотов двигателя, температуры масла и охлаждающей жидкости до точного положения поршня (верхней мертвой точки). Свечи накаливания редко используются в больших двигателях. Электронная система управления отслеживает температуру окружающего воздуха, задерживая запуск двигателя в холодную погоду. При этом впрыск топлива происходит позже, чем обычно. Воздух в цилиндре сжимается сильнее, создавая больше тепла, что способствует запуску.
В небольших двигателях и двигателях без сложной электронной системы управления используются свечи накаливания для решения проблемы холодного запуска.
Необходимо помнить, что механическая конструкция не является единственным отличием дизельного двигателя от бензинового. Само топливо также отличается.
Дизельное топливо
Сырая нефть является естественным природным образованием. В процессе переработки нефти может быть получено несколько видов топлива, включая бензин, авиационное топливо, керосин и, конечно же, дизель.
Если сравнить бензиновое и дизельное топливо, можно легко найти отличия. Они имеют разный запах. Дизельное топливо более тяжелое и маслянистое. Дизель испаряется значительно медленнее бензина – его точка кипения значительно выше, чем у воды. Дизель напоминает жидкое масло.
Испарение дизеля происходит медленнее, т.к. он тяжелее. Он содержит больше атомов углерода в более длинных цепочках, чем бензин (цепочка бензина C9H20, тогда как у дизеля уже C14H30). Для производства дизеля требуется меньше очистки, поэтому он дешевле бензина. Однако с 2004г. спрос на дизельное топливо увеличился по нескольким причинам, включая активное развитие промышленности и строительства в Китае и США [Источник: Управление по энергетической информации министерства энергетики США].
Энергетическая плотность дизеля значительно выше, чем у бензина. В среднем, 1 галлон (3,8 л) дизельного топлива содержит 155×106 Дж (147000 БТЕ), в то время как 1 галлон бензина содержит123×106 Дж (125000 БТЕ).
Энергетическая плотность и эффективность дизельных двигателей объясняют экономный расход топлива, по сравнению с аналогичными бензиновыми двигателями.
Дизельное топливо используется в различных сферах деятельности. Помимо грузовиков, несущихся по шоссе, оно также незаменимо в лодках, автобусах, поездах, кранах, фермерском хозяйстве, автомобилях аварийно-спасательных служб и силовых генераторах. Дизель настолько важен для экономики, что без него промышленность и сельское хозяйство мгновенно пострадали бы из-за больших инвестиций в альтернативное топливо с низкой мощностью и эффективностью. Около 94 % грузоперевозок в поездах, фурах и на кораблях зависят от дизеля.
Что касается вопросов экологии, у дизельного топлива есть свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ следует отметить тот факт, что дизель выпускает незначительное количество угарного, углекислого газов и углеводородов, которые способствуют глобальному потеплению. К недостаткам можно отнести высокое количество выделяемых азотных соединений и сажи, которые становятся причиной кислотных дождей, смога и плохого самочувствия. На следующей странице представлена информация о последних разработках по устранению недостатков дизеля.
Улучшение качества дизельного топлива и Биодизель
Во время нефтяного кризиса 1970-х гг., автомобильные компании Европы начали рекламировать дизельные двигатели для коммерческого транспорта как альтернативу бензиновым. Те, кто попробовал перейти на дизельные двигатели, были разочарованы – двигатели работали очень громко, возвращаясь домой, водители обнаруживали, что автомобили полностью покрыты сажей, из-за которой в крупных городах образовывался смог.
Однако за последние 30-40 лет были значительно улучшены показатели двигателей и чистота топлива. Прямой впрыск топлива контролируется сложными компьютерами, благодаря чему увеличивается КПД двигателей, снижается количество вредных выбросов. Высокоочищенный дизель, такой как топливо со сверхнизким содержанием серы, позволяет уменьшить количество вредных выбросов и выйти на уровень экологически чистого топлива. Среди других технологий следует отметить сажеуловитель с постоянной регенерацией, в котором используются фильтры и каталитический нейтрализатор отработавших газов. Происходит сжигание сажи и снижение выбросов угарного газа и углеводородов до 90% [Источник: Форум дизельных технологий]. Благодаря постоянному ужесточению экологических стандартов топлива, Европейских Союз подталкивает автомобильную промышленность к решению вопроса снижения выбросов.
Скорее всего, все слышали о биодизеле. Отличается ли он от обычного дизеля? Биодизель является альтернативным топливом или присадкой для дизельных двигателей, использование которых не предполагает значительных изменений конструкции двигателя. Биодизель не является продуктом переработки нефти, он получается из растительных масел или животных жиров после химического изменения. (Интересный факт: Рудольф Дизель изначально планировал использования масла семян овощей в качестве топлива для своего изобретения.) Биодизель добавляют в обычный дизель или используют в качестве отдельного топлива.
Источник