ТНиС 09
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)
Дизельные ДВС
Четырех- и двухтактные ДВС
Рабочий процесс 4-тактного ДВС
Обозначения
Определения
Индикаторная диаграмма 4-тактного ДВС
I и II такты
Процесс в камере сгорания
III такт – рабочий ход
Средне-индикаторное давление
Мощности ДВС
Мощности и КПД ДВС
Тепловой баланс ДВС
Цилиндр ДВС в разрезе
Порядок работы цилиндров
2-тактный ДВС с поперечной контурной продувкой
Процессы 2-тактного ДВС
Преимущества и недостатки 2-тактных ДВС
Преимущества 4-тактных ДВС
Цикл Тринклера
Допущения
Характеристики теоретических циклов ДВС
Термический КПД цикла Тринклера
Соотношения между параметрами
Окончательное выражение термического КПД цикла Тринклера
Цикл Отто
Цикл Дизеля
Сравнение циклов ДВС
518.50K
Category: physicsphysics

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Теоретические циклы ДВС. Сравнение циклов ДВС

1. ТНиС 09

• Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)
• Теоретические циклы ДВС
• Сравнение циклов ДВС
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
1

2. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

ДВС так названы потому, что жидкое или газообразное
топливо в смеси с воздухом сгорает внутри цилиндров.
ДВС делятся на карбюраторные, работающие на легких
топливах (бензин, керосин) и дизельные.
В карбюраторном ДВС горючая смесь (топлива с воздухом)
готовится вне цилиндра (в карбюраторе) и после сжатия ее
в цилиндре смесь воспламеняется электрической искрой от
запальной свечи.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
2

3. Дизельные ДВС

Теоретическим циклом карбюраторного ДВС является цикл
Отто (с изохорным подводом теплоты).
Дизели, работающие на тяжелых топливах (соляровое
масло), называются двигателями с самовоспламенением от
сжатия.
В сжатый в цилиндре горячий воздух впрыскивается через
форсунку мелко распыленное топливо, капли которого при
контакте с раскаленным воздухом самовоспламеняются.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
3

4. Четырех- и двухтактные ДВС

Теоретическими циклами дизельных ДВС являются цикл
Дизеля (с изобарным подводом теплоты) и цикл Тринклера
(со смешанным подводом теплоты).
Все эти ДВС могут быть четырех- и двухтактными.
Четырехтактными называются двигатели, в которых рабочий
процесс совершается за четыре хода поршня (такта) и два
оборота коленчатого вала.
Двухтактными называются двигатели, в которых рабочий
процесс совершается за два хода поршня и один оборот
коленчатого вала.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
4

5. Рабочий процесс 4-тактного ДВС

Tmax
Рабочий процесс 4-тактного ДВС
3
4
p
5
d
Положительная работа
цикла
Отрицательная (насосная) работа
2
ВМТ
S
1
НМТ
c
6
pi
e
f
a
7

9
8
pокр
Vh
b
V
0
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
5

6. Обозначения

Верхнее положение поршня – верхняя мертвая точка (ВМТ);
самое нижнее положение – нижняя мертвая точка (НМТ).
В мертвых точках скорость поршня равна нулю, так как в них
направление движения поршня изменяется на обратное.
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 5 – впускной и выпускной
клапаны; 4 – электрическая, запальная свеча в карбюраторном
двигателе или топливная форсунка – в дизельном; 6 – шатун;
7 – кривошип радиусом R; 8 – картер; 9 – вал двигателя.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
6

7. Определения

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования
возвратно-поступательного движения поршня во вращательное
движение вала двигателя.
Расстояние от ВМТ до НМТ называют ходом поршня S.
Ход поршня равен удвоенному радиусу кривошипа S=2R.
Объем, описываемый поршнем в цилиндре ДВС при его
движении между ВМТ и НМТ, называют рабочим объемом
цилиндра диаметром D: V D2S / 4 .
h
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
7

8. Индикаторная диаграмма 4-тактного ДВС

Литражом называют сумму рабочих объемов z цилиндров
двигателя, выраженную в литрах или см3: Vл=zVh.
На правой части предыдущего слайда изображена
индикаторная диаграмма 4-тактного ДВС (реальный цикл).
Верхняя, заштрихованная площадь диаграммы представляет
собой положительную работу цикла, полученную в следствии
преобразования тепловой энергии продуктов сгорания в
механическую энергию движения поршня.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
8

9. I и II такты

I такт – всасывание (ab): поршень движется от ВМТ к НМТ;
всасывающий клапан 3 открыт;
в карбюраторном ДВС в цилиндр всасывается горючая
смесь, приготовленная в карбюраторе; в дизеле – чистый
воздух.
II такт – сжатие (bc): поршень движется от НМТ к ВМТ;
клапаны 3 и 5 закрыты;
в карбюраторном ДВС в цилиндре сжимается горючая смесь,
в дизеле – воздух.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
9

10. Процесс в камере сгорания

В ВМТ в карбюраторном ДВС сжатая горючая смесь
поджигается от запальной свечи 4,
в дизеле в сжатый воздух впрыскивается через форсунку
топливо, которое при контакте с раскаленным воздухом
самовоспламеняется.
При горении топлива в камере сгорания Vс давление и
температура газов возрастает (процесс cd).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
10

11. III такт – рабочий ход

В точке «с» газы обладают тепловой энергией.
Они давят на поршень, заставляя его перемещаться от
ВМТ к НМТ
(cd) – рабочий ход (III такт).
При этом тепловая энергия газов преобразуется в
механическую энергию движения поршня.
Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется
во вращательное движение коленчатого вала (с помощью
кривошипно-шатунного механизма).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
11

12. Средне-индикаторное давление

В НМТ открывается выпускной клапан 5 и при движении
поршня к ВМТ происходит выпуск (efa) газов в окружающую
среду (IV такт).
Из индикаторной диаграммы можно найти
средне-индикаторное давление pi,
как некое условное постоянное давление, которое
действовало бы на поршень в течение рабочего хода,
совершая работу, равную полезной работе цикла.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
12

13. Мощности ДВС

Зная средне-индикаторное давление pi в Па, можно
определить индикаторную Ni (внутреннюю) и
эффективную Ne (на выходном валу) мощности двигателя, Вт:
piVh z 2n
Ni
60
,
Ne=Niηм.
Здесь
Vh – рабочий объем цилиндра, м3;
z – число цилиндров;
n – число оборотов в минуту двигателя;
– коэффициент тактности ДВС ( =4 для
четырехтактного ДВС и =2 – для двухтактного);
ηм – механический КПД двигателя.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
13

14. Мощности и КПД ДВС

Эффективная мощность – это мощность на выходном валу
двигателя, которая в генераторе может быть преобразована в
электрическую.
Механический КПД учитывает потери на трение и привод
вспомогательных механизмов:
ηм=Ne/Ni.
Эффективный КПД – это отношение эффективной мощности
к теплоте, выделенной при сгорании топлива:
ηe=Ne/(BQнр).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
14

15. Тепловой баланс ДВС

Тепловой баланс ДВС в абсолютных единицах, кДж/кг:
Qнр=Qe+Qв+Qг+Qост,
где
Qнр – низшая рабочая теплота сгорания топлива;
Qe – полезно-использованная теплота
(преобразованная в эффективную мощность);
Qв – потери с охлаждающей водой;
Qг – потери с уходящими газами;
Qост – остальные потери.
Тепловой баланс ДВС в относительных единицах:
qe+qв+qг+qост=1.
Здесь полезно-использованная теплота: (qe=ηе).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
15

16. Цилиндр ДВС в разрезе

Кулачковый вал
Кулачок
Впуск горючей смеси
Впускной клапан
Камера сгорания
Блок цилиндров
Шатун
Свеча
Свеча
Пружина клапана
Выпускной клапан
Головка блока
цилиндров
Охлаждающая вода
Поршень
Картер
Кривошип
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
16

17. Порядок работы цилиндров

Кулачковый
вал
Коленчатый вал
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
17

18. 2-тактный ДВС с поперечной контурной продувкой

1
6
7
1. Цилиндр; 2. Поршень;
3. Продувочные окна;
4. Продувочный коллектор;
5. Свеча (карб. ДВС) или форсунка
(дизель); 6. Выпускные окна;
7. Выпускной коллектор;
5
2
р
3
4
a
e
В 2-тактных ДВС цикл совершается
за 1 оборот коленчатого вала; впуск
и выпуск занимают только часть
тактов сжатия и рабочего хода
(потерянный ход abcde).
b
d
c
V
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
18

19. Процессы 2-тактного ДВС

В конце процесса расширения в точке а поршень открывает
выпускные окна 6 и начинается выпуск газов ab в атмосферу
через выпускной коллектор 7.
В точке b поршень открывает продувочные окна 3, через
которые из продувочного коллектора 4 под избыточным
давлением в цилиндр поступает свежий воздух и вытесняет
отработавшие газы.
Продувка bcd заканчивается при обратном ходе поршня, когда
он в точке d закроет продувочные окна.
В процессе de выпускные окна еще открыты, поэтому очистка
цилиндра продолжается.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
19

20. Преимущества и недостатки 2-тактных ДВС

Так как в 2-тактных ДВС цикл совершается за 1 оборот
коленчатого вала, а в 4-тактных – за 2 оборота, то теоретически,
при одинаковых размерах и числах оборотов, 2-тактный
двигатель должен быть в 2 раза мощнее.
Однако в действительности из-за потери части рабочего хода,
2-тактные ДВС лишь на 50…70 % мощнее 4-тактных.
При одинаковых мощностях и оборотах 2-тактные ДВС имеют
меньшие габариты, массу и стоимость изготовления; кроме того,
они надежны и просты в обслуживании.
Но при увеличении числа оборотов ухудшается очистка цилиндра
и заполнение его свежим воздухом.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
20

21. Преимущества 4-тактных ДВС

Итак, при больших оборотах 4-тактные ДВС получаются даже
компактнее; кроме того, в 2-тактных карбюраторных ДВС
неизбежны при продувке уносы части топлива в атмосферу.
Поэтому мощные поршневые авиационные двигатели,
рассчитанные на большие числа оборотов, обычно 4-тактные
из-за меньших масс и расходов топлива.
Однако, маломощные мотоциклетные и подвесные лодочные
моторы строят 2-тактными, так как для них важнее является
простота конструкции и обслуживания.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
21

22. Цикл Тринклера

q”1
p
3
4
q’1
2
Цикл ДВС со смешанным подводом
теплоты (цикл Тринклера) состоит
pvk=сonst из процессов:
5
1
0
T
q”1
q’1
3
q2
v
4
5
2
1
0
q2
1-2 – адиабатное сжатие рабочего
тела;
2-3 – изохорный подвод теплоты от
горячего источника к рабочему телу;
3-4 – изобарный подвод теплоты от
горячего источника к рабочему телу;
4-5 – адиабатное расширение
рабочего тела;
s
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
22

23. Допущения

5-1 – изохорный отвод теплоты от рабочего тела
к холодному источнику.
Допущения для теоретических циклов ДВС:
● цикл замкнутый;
● рабочее тело – идеальный газ;
● изменение состояния рабочего тела – обратимое;
● сжигание топлива в цилиндре заменяется изохорным,
изобарным или смешанным подводом теплоты к рабочему
телу от горячего источника,
а выпуск газов – изохорным отводом теплоты от рабочего
тела к холодному источнику.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
23

24. Характеристики теоретических циклов ДВС

Основные характеристики циклов по процессам:
● 1-2 – адиабатное сжатие:
степень сжатия
ε=v1/v2;
● 2-3 – изохорный подвод теплоты:
степень повышения давления
λ=p3/p2;
● 3-4 – изобарный подвод теплоты:
степень предварительного расширения
ρ=v4/v3.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
24

25. Термический КПД цикла Тринклера

Основной характеристикой любого цикла теплового двигателя
является его термический КПД:
cv (T5 T1 )
q2
1
t 1
q '1 q "1
cv (T3 T2 ) c p (T4 T3 )
.
Сократим числитель и знаменатель на сv; вынесем за скобки
из числителя Т1, а из знаменателя – Т2:
(T5 / T1 1)
T1
t 1
T2 (T3 / T2 1) k (T4 / T3 1)T3 / T2
.
(1)
В выражении (1) надо отношения температур заменить на
характеристики цикла.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
25

26. Соотношения между параметрами

Соотношения между параметрами в термодинамических
процессах:
● адиабатном 1-2 T1/T2=(v2/v1)k-1=1/εk-1;
(2)
● изохорном
2-3 T3/T2=p3/p2=λ;
(3)
● изобарном
3-4 T4/T3=v4/v3=ρ;
(4)
● изохорном
5-1 T5/T1=p5/p1;
(5)
● адиабатном 4-5 p5v5k=p4v4k;
● адиабатном 1-2 p1v1k=p2v2k.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
26

27. Окончательное выражение термического КПД цикла Тринклера

Поделим почленно последние два выражения,
тогда с учетом (5) и равенства v5=v1
в изохорном процессе 5-1 имеем:
T5/T1=p5/p1=(p4/p2)(v4/v2)k=(p3/p2)(v4/v3)k=λρk.
(6)
Подставляем (2-6) в (1) и получаем термический КПД:
k 1
t 1 k 1
.
( 1) k ( 1)
1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
27

28. Цикл Отто

p
3 4
q’1
2
0
T
q’1
2
0
1
В цикле ДВС с изохорным подводом
теплоты (цикле Отто) отсутствует
процесс 3-4 – изобарного подвода
pvk=сonst теплоты от горячего источника к
рабочему телу, то есть ρ=1.
5
q2
С учетом этого находим термический
1 v
КПД цикла Отто как частный случай.
3 4
Из выражения термического КПД
5
цикла Тринклера при ρ=1 для
цикла с изохорным подводом
теплоты:
1
q2
t 1 k 1 .
s
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
28

29. Цикл Дизеля

3
p
q”1
2
0
T
q”1
3
2
0
1
4
В цикле ДВС с изобарным подводом
теплоты (цикле Дизеля) отсутствует
процесс 2-3 – изохорного подвода
pvk=сonst теплоты от горячего источника к
рабочему телу, то есть λ=1.
5
q2
С учетом этого находим термический
1 v
КПД цикла как частный случай.
4
Из выражения термического КПД
5
цикла Тринклера при λ=1 для
цикла с изобарным подводом
теплоты:
k
1
1 .
q2
t 1 k 1
s
k ( 1)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
29

30. Сравнение циклов ДВС

T
Tmax=idem
3
2p
2
2v
0
1
4
5
12v451 – цикл Отто;
12p451 – цикл Дизеля;
123451 – цикл Тринклера.
Условия сравнения: Tmax=idem;
q2=idem; εp>εc>εv.
s Так как q1p>q1c>q1v,
то ηtp>ηtc>ηtv.
Таким образом, наиболее
экономичным при реальных условиях сравнения является
цикл Дизеля.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
30
English     Русский Rules