Теоретические и действительные циклы
Действительные рабочие циклы, протекающие при работе реальных поршневых ДВС, существенно отличаются от теоретических или термодинамических циклов. Эти отличия определяются следующим: изменением химического состава рабочего тела в течение цикла; сменой рабочего тела от цикла к циклу; сообщением теплоты рабочему телу по сложным закономерностям, определяемым процессом сгорания; наличием теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра.
Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. В результате КПД действительного цикла меньше КПД теоретического.
Рабочий цикл в цилиндре двигателя характеризуется изменением температуры и давления рабочего тела. Изменение давления газов за цикл может быть представлено графически в виде индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма используется для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателей. Она может быть получена с помощью специального прибора – индикатора давления, который регистрирует зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала . Такая диаграмма называется «развернутой». Полученную индикаторную диаграмму можно с учетом связи между ходом поршня и углом поворота коленчатого вала перестроить в координатах . В этом случае она называется «свернутой». Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя в координатах представлена на рис.2.6, а в координатах на рис.2.7. Сплошными линиями на диаграмме показано изменение давления в цилиндре при подаче топлива, а штриховыми – без подачи топлива.
Площадь «свернутой» диаграммы, «ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует действительной индикаторной работе цикла .
Эффективность использования теплоты в действительном цикле определяется индикаторным КПД, представляющим собой отношение теплоты, преобразованной в полезную цикловую работу , к теплоте , введенной в двигатель с топливом, т.е. . Сравнительную оценку степени использования теплоты в действительном и теоретическом циклах обычно проводят по относительному КПД
Действительный цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. В четырехтактном карбюраторном двигателе рабочий цикл протекает в течение двух оборотов коленчатого вала.
В карбюраторном двигателе (рис.2.7) с момента начала открытия впускного клапана (точка ) в надпоршневую полость цилиндра из карбюратора поступает горючая смесь. Процесс впуска горючей смеси заканчивается в момент закрытия впускного клапана (точка ). В процессе впуска (линия ) давление понижается вследствие наличия гидравлических сопротивлений при движении воздуха и горючей смеси по впускной системе. В цилиндре двигателя горючая смесь перемешивается с продуктами сгорания, оставшимися от предыдущего цикла, и образуется рабочая смесь.
Сжатие рабочей смеси осуществляется с момента закрытия впускного клапана (линия ). В процессе сжатия вследствие того, что температура рабочей смеси отличается от температуры теплопередающих поверхностей (стенок цилиндра, камеры сгорания и днища поршня), происходит теплообмен между рабочей смесью и этими поверхностями.
Воспламенение рабочей смеси в цилиндре карбюраторного двигателя осуществляется электрической искрой (см. рис.2.6, точка ). Фронт пламени после воспламенения смеси с высокой скоростью (30-50 м/с) распространяется от свечи зажигания по всему объему камеры сгорания. Наибольший эффект использования теплоты достигается в момент, когда основная масса рабочей смеси сгорает при положении поршня вблизи ВМТ в начале такта расширения. Поэтому смесь воспламеняют с некоторым опережением, т. е. до прихода поршня в ВМТ. В этом случае процесс сгорания протекает с интенсивным выделением теплоты на участке, соответствующем повороту коленчатого вала на до ВМТ и после ВМТ. При этом температура и давление в цилиндре быстро возрастают.
Процесс расширения (рабочий ход) значительно отличается от теоретического вследствие догорания топлива и теплообмена газов со стенками, в результате которого теплота отводится в охлаждающую среду.
Процесс удаления отработавших газов из цилиндра двигателя начинается с момента открытия выпускного клапана (точка ). При этом в начале выпуска давление газа значительно выше атмосферного, что обеспечивает его интенсивное истечение из цилиндра. В дальнейшем при перемещении поршня от НМТ к ВМТ происходит принудительное удаление отработавших газов. Определенное количество отработавших газов (остаточных) остается в цилиндре. Процесс выпуска заканчивается в момент, когда закроется выпускной клапан (точка ).
Действительный цикл четырехтактного дизеля. Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис.2.8) включает те же процессы, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Однако цикл дизеля имеет некоторые отличительные особенности. В четырехтактном дизеле при открытии впускного клапана (точка ) в цилиндр поступает только воздух. Процесс впуска заканчивается в точке , когда впускной клапан закрывается. После закрытия впускного клапана в цилиндре дизеля (как и в карбюраторном двигателе) совершается процесс сжатия при движении поршня от НМТ к ВМТ. При этом наблюдается теплообмен между поступившим в цилиндр воздушным зарядом и стенками. В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндре дизеля сжимается воздух и остаточные газы.
При приближении поршня к ВМТ (точка т) в камеру сгорания цилиндра дизеля впрыскивается топливо. К этому моменту температура сжатого воздуха достаточно высока и превышает температуру самовоспламенения топлива. Впрыскивание топлива, как правило, заканчивается, когда в камере развивается процесс сгорания. Следовательно, условия перемешивания топлива с воздухом в дизеле по сравнению с карбюраторным двигателем значительно сложнее.
При открытии выпускного клапана (точка ) начинается выпуск отработавших газов, который заканчивается, когда клапан закрывается (точка ).
Действительный цикл двухтактного двигателя. В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Применение двухтактного цикла наиболее целесообразно для дизелей. Индикаторная диаграмма такого дизеля представлена на рис.2.9.
Впрыскивание топлива, его распыливание, смешение с воздухом, воспламенение и сгорание протекают, как и в четырехтактном дизеле. В конце такта расширения за 40-50° до НМТ открываются выпускные клапаны (точка ) при давлении в цилиндре 0,3-0,5 МПа, и начинается выпуск отработавших газов. Давление в цилиндре падает. В точке когда давление в цилиндре ниже давления продувки , поршень открывает продувочные окна; в цилиндр через эти окна под давлением начинает поступать воздух, вытесняющий продукты сгорания (прямоточная продувка). При перемещении поршня к ВМТ продувочные окна закрываются (точка ), продувка прекращается, и до момента закрытия выпускных клапанов (точка ) продолжается очистка полости цилиндра от отработавших газов. В процессе продувки и после ее окончания до закрытия выпускных клапанов) часть свежего заряда «уходит» в выпускную систему. В отдельных случаях выпуск отработавшего газа заканчивается раньше, чем впуск. За период времени, когда открыты продувочные окна, происходит дозарядка (наддув) цилиндра. С момента закрытия поршнем продувочных окон начинается процесс сжатия.
В двухтактных двигателях впуск свежего заряда и выпуск отработавшего газа (процесс газообмена) осуществляется при приближении поршня к НМТ. Для очистки цилиндра от отработавшего газа используется воздух, поступающий от специального продувочного насоса (компрессора). Часть воздуха удаляется из цилиндра вместе с отработавшим газом.
Источник
При работе с данным разделом Вам предстоит:
1) Изучить теоретический материал пяти тем:
а. Действительные и теоретические циклы;
б. Рабочие тела и их свойства;
в. Процессы газообмена;
г. Процесс сжатия;
д. Процесс расширения.
2) Ответить на вопросы для самопроверки.
3) Ответить на вопросы тренировочного теста № 1.
4) Ответить на вопросы контрольного теста № 1.
3.2.1.1. Действительные и теоретические циклы
Изучаемые вопросы:
Особенности термодинамических циклов автомобильных двигателей.
Идеальные, теоретические и действительные циклы
Преобразование теплоты в механическую работу в двигателе внутреннего сгорания осуществляется с помощью газа – носителя энергии (теплоты), который называется рабочим телом. Состояние рабочего тела характеризуется определенными параметрами: удельным объемом, давлением и температурой. Эти основные параметры рабочего тела и его состояние в результате преобразования энергии изменяются. Переход газа из одного состояния в другое с изменением его параметров называется термодинамическим процессом.
Общий принцип всех тепловых двигателей заключается в том, что при расширении рабочего тела теплота, приобретенная им от какого-либо источника, преобразуется в механическую энергию. Температура является показателем теплового состояния тела и характеризует среднюю кинетическую энергию беспорядочного движения его молекул. По Международной системе единиц температура измеряется в градусах Кельвина.
В шкале Кельвина за начало отсчета принимают абсолютный нуль, находящийся на 273 ○С ниже температуры таяния льда (0 ○С). Температура, измеряемая по абсолютной шкале, обозначается К
К=273+t ○C.
Между объемом газа (V), его давлением (Р) и температурой (Т) имеется вполне определенная зависимость, называемая характеристическим уравнением состояния. Эта зависимость устанавливается выражением
, PV=RT для 1кг газа,
PV= GRT для 1кг газа.
Газовая постоянная R может быть определена для каждого газа по известным параметрам, например для воздуха
кгм/кг∙ К.
Изменение состояния рабочего тела (газа) называется термодинамическим процессом. Одинаковые, повторяющиеся процессы превращения тепловой энергии в механическую энергию называются циклами.
За основу расчета рабочих циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания принимаются термодинамические циклы преобразования теплоты в механическую работу, называемые идеальными или теоретическими циклами. Предполагается, что идеальные циклы совершаются со следующими допущениями:
процессы совершаются идеальными газами, количество которых предполагается неизменным;
теплоемкость газов не зависит от температуры;
процессы сжатия и расширения совершаются без теплообмена, т.е. адиабатно;
цикл является замкнутым с мгновенным подводом и отводом тепла;
цикл совершается без потерь тепла и без потерь на впуске и выпуске.
В идеальных циклах двигателей внутреннего сгорания отдача тепла холодному источнику протекает всегда при постоянном объеме (изохорно), а тепло рабочее тело может получить при постоянном объеме (изохорно, V=const), постоянном давлении (изобарно, P=const) или смешанно.
На рис. 2 представлены циклы: со смешанным подводом теплоты (acyzb-цикл Тринклера – Сабатэ), изохорным подводом теплоты (acz1b1a-цикл Бо-де-Роше – Отто) и изобарным подводом теплоты (acz11b11 a, =1, Pc=Pz – цикл Дизеля) и их сопоставление при ε=const и Q=idem.
с
Рис. 2. Цикл со смешанным, изохорным и изобарным подводом теплоты
ообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме – участок
Цикл со смешанным подводом теплоты (рис.3) характеризуется тем, что сообщение теплоты происходит сначала при постоянном объеме – участок с – у (Q11), а затем при постоянном давлении – участок y-z (Q111), отдача тепла – на участке в – а (Q2).
Рис.3. Цикл со смешанным подводом теплоты
Выразим количество подведенной и отведенной теплоты для 1 моля газа через теплоемкости и температуры в характерных точках цикла:
Q11= cv (Ty-Tc); Q111= cp (Tz-Ty); Q2=cv(Tb-Ta).
Тогда термический КПД смешанного цикла будет:
.
Выразив температуры Tc , Ty , Tz , Тв через Та , после преобразований получим
. (1)
где 
степень сжатия,
степень повышения давления,
показатель адиабаты,
Cv- удельная теплоемкость при V=const,
Cp- удельная теплоемкость при P=const.
Термическим коэффициентом полезного действия называется отношение количества тепла, преобразованного в работу в цилиндре идеального двигателя, к общему количеству затраченного тепла, т.е. термический КПД показывает степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу.
,
где ηt- термический КПД, Q1- подведенное тепло, Q2- отведенное тепло.
Для смешанного цикла (рис. 3) общее количество подводимого тепла равно
Q1=Q11+Q111,
где Q11- количество тепла, подводимое при V=const (на линии c-y);
Q111- количество тепла, подводимое при P=const (на линии y-z).
Следовательно,
. (2)
Выражая величины Q11 , Q111 , Q2 через температуры и постоянные теплоемкости
Q11 = cv (Ty-Tc) ,
Q111 = cp (Tz-Ty) ,
Q2 = cv(Tв-Ta) ,
где Ty – температура газа в конце подвода Q11 ;
Tc – температура газа в конце сжатия;
Tz- температура газа в конце подвода Q111;
Тв – температура газа в конце расширения;
Та- температура газа в начале сжатия.
По смешанному циклу рассчитываются двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива.
В цикле с подводом тепла только при постоянном давлении – цикл Дизеля выражение термического КПД можно получить непосредственно из выражения термического КПД смешанного цикла, как частный случай. Это связано с тем, что цикл Дизеля отличается от смешанного цикла тем, что в нем сообщение теплоты Q1 происходит только по закону P=const. При отсутствии сообщения теплоты на линии V=const отсутствует и повышение давления в этот период цикла (Pz= Pc), так что степень повышения давления принимает частное значение λ=1. Подстановка этого значения λ в выражение (1) дает для цикла Дизеля
. (3)
По этому циклу рассчитываются дизели с компрессорным распыливанием у которых процесс сгорания близок процессу при P = const.
В цикле с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто) сообщение теплоты Q1 ограничивается участком постоянного объема. Выражение термического КПД может быть также получено из уравнения (1), ибо в этом цикле Vz= Vc и степень предварительного расширения принимает частное значение ρ = 1.
Подставив величину ρ =1 в выражение (1) смешанного цикла приводим выражение термического КПД к виду
.
По этому циклу рассчитываются все двигатели с внешним смесеобразованием.
Под рабочим циклом ДВС понимается совокупность периодически повторяющихся процессов, происходящих в двигателе в определенной последовательности и обеспечивающих непрерывность его работы.
Рассмотрим схему работы четырехтактного дизеля с наддувом (рис.4).
1-й такт – впуск. Осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане. Для улучшения наполнения цилиндра открытие впускного клапана начинается на подходе поршня к ВМТ (точка 1), а закрытие – после НМТ (точка 2).
Рис. 4. Диаграммы рабочих процессов четырехтактного двигателя
Величина достигаемого давления Ра зависит от гидравлического совершенства тракта, фаз газораспределения и динамических явлений во впускной и выпускной системах.
2-й такт – сжатие. Происходит при движении поршня от НМТ (точка А) до ВМТ (точка С). Практически процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана (точка К) за 10…30○ п.к.в. до ВМТ в среду сжатого в цилиндре воздуха начинается впрыск топлива (точка 2) и спустя 5…10○ п.к.в. это топливо воспламеняется в точке 3. Фактически давление в цилиндре в ВМТ (точка С) оказывается выше расчетного давления в конце сжатия (точка С).
3-й такт – горение-расширение. Происходит при движении поршня от ВМТ (точка С) к НМТ (точка В). Начавшаяся топливоподача продолжается 30…35○ п.к.в. и заканчивается в точке 4 за ВМТ. Горение начинается в точке 3. Через 10…15○ п.к.в. после ВМТ достигается максимальная температура Тz. Фактически окончание горения затягивается до точки 5; расширение продолжается до точки 6 – момента открытия выпускного клапана.
4-й такт – выпуск. Происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при открытии выпускного клапана. Процесс выпуска начинается с момента открытия выпускного клапана в точке 6. Благодаря перепаду давлений происходит быстрое истечение газов в выпускной коллектор. Закрытие выпускного клапана происходит в точке 8 за ВМТ.
Фаза перекрытия клапанов используется для продувки цилиндра. Цель продувки – очистка камеры сгорания (КС) от остаточных продуктов сгорания, а также охлаждение воздухом клапанов и днища поршня.
Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается благодаря тому, что выталкивание и впуск заменяются процессами выпуска и продувки, происходящими при положении поршня около НМТ.
Рассмотрим работу двухтактного двигателя (Рис.5).
1-й такт – сжатие. При восходящем движении поршня заканчиваются процессы выпуска, продувки и наполнения цилиндра воздухом. С момента закрытия выпускного клапана и продувочных окон поршнем в цилиндре происходит сжатие, и за 15…20○ п.к.в. до ВМТ впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.
2-й такт – горение, расширение и продувка. При нисходящем движении поршня заканчиваются топливоподача и горение топлива, после чего процесс расширения продолжается до момента открытия выпускного клапана. После открытия продувочных окон верхней кромкой поршня начинаются продувка и наполнение цилиндра. Рабочий цикл повторяется.
При одинаковых значениях D, S, i, n, Pe в двухтактном двигателе теоретически можно получить вдвое большую мощность, чем в четырехтактном. В действительности, мощность возрастает в 1,7…1,85 раза, так как часть хода поршня из-за наличия окон теряется. Худшая очистка цилиндра, потери воздушного заряда и др. снижают мощность двухтактных дизелей. У двухтактных двигателей большая равномерность крутящего момента, ввиду того, что рабочий ход приходится на каждый оборот коленчатого вала.
Рис. 5. Диаграмма рабочего процесса двухтактного двигателя
Процессы впуска, выпуска, горения-расширения в четырехтактных дизелях протекают более эффективно, так как на них отводится больший угол п.к.в., чем в двухтактных, тогда как процесс топливоподачи у двухтактных дизелей заметно короче, чем у четырехтактных.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя
Первый такт – впуск бензиновоздушной смеси. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндре создается разрежение порядка 0,07…0,09 МПа и смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Эта смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска 75…125 ○С.
Второй такт – сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты, давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышается. В конце такта сжатия давление достигает 0,9…1,5 МПа, а температура 350…500 ○С.
Третий такт – расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от искрового разряда в свече зажигания и быстро сгорает. Максимальное давление смеси достигает 3,5…5,0 МПа, а температура 2200…2500 ○С. В конце расширения открывается выпускной клапан и начинается процесс выпуска – четвертый такт. Дальнейшее осуществляется так же, как описано ранее в дизельном цикле.
Рабочий цикл газового двигателя
Рабочий цикл с искровым зажиганием
Процесс сгорания топлива в двигателях этой группы (как четырехтактных, так и двухтактных) протекает почти при постоянном объеме.
В существующих газовых двигателях этого типа верхний предел допустимой степени сжатия определяется условиями нормального горения, в силу чего ее значение практически не превышает 8, редко 10. У большинства газовых четырехтактных двигателей свежий заряд поступает в цилиндр в виде газовоздушной смеси в течение хода всасывания.
В некоторых случаях в четырехтактных двигателях, работающих на газовом топливе, применяется своеобразный наддув. В этом случае по линии впуска идет заполнение цилиндра двигателя сжатым воздухом. Газ подается в камеру сгорания под давлением 0,3…0,5 МПа в первой половине хода сжатия. Зажигание осуществляется электрической искрой в ходе конца сжатия. Увеличение наполнения цилиндра по этому циклу происходит вследствие принудительной подачи газа в свежий заряд воздуха и уменьшения гидравлических потерь в результате улучшения впускной смеси.
Эффективный КПД этого цикла несколько ниже обычного четырехтактного цикла вследствие худших условий смесеобразования.
Рабочий цикл газожидкостного двигателя (газодизеля)
Рабочий цикл с газожидкостным процессом характеризуется тем, что в цилиндре двигателя во время такта сжатия находится газовоздушная смесь, а жидкое топливо вводится в цилиндр в конце сжатия и, самовоспламеняясь, поджигает смесь.
В четырехтактном двигателе наполнение цилиндра газовоздушной смесью осуществляется путем засасывания в цилиндр, а в двухтактных – путем продувки цилиндра готовой смесью или воздухом с последующим добавлением газа.
Газовоздушный цикл, обобщая частные случаи работы газового двигателя и двигателя на жидком топливе, характеризуется обычными зависимостями между его параметрами, однако, вследствие использования двух топлив, совершенно различных по своим физическим свойствам, эти зависимости несколько отличаются друг от друга.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник