Презентация "Циклы двигателей внутреннего сгорания"

Циклы двигателей внутреннего сгорания

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Мало знать - надо уметь применять!

Р. Декарт

филиал ДВФУ в г. Большой Камень, Приморский край, 2016г.

Дюжая

Ирина Анатольевна

преподаватель первой категории

План занятия

• Проверка домашнего задания.
• Объяснение нового материала.
• Решение задач.
• Закрепление изученного материала.
• Домашние задание.
• Подведение итогов занятия.

Проверка домашнего задания Решение теста по вариантам.

Т

S

1

2

3

4

Двигателем внутреннего сгорания - называют поршневой двигатель рабочим телом в котором являются продукты сгорания топлива (жидкого или газообразного), сгорающего непосредственно в объеме цилиндра.

На рисунке показаны схема устройства двигателя и его индикаторная диаграмма, т.е. графическое изображение зависимости давления в цилиндре (Р) от хода поршня (hм) или от объема цилиндра (V).

1 – поршень

2 – впускной клапан

3 – форсунка

4 – выпускной клапан

6

1

5

4

3

2

Р

h (V)

0

Индикаторной диаграммой весьма наглядно представляется

рабочий цикл двигателя

т.е. некоторое вполне закономерное чередование

различных процессов, протекающих в рабочем

объеме его цилиндра за один или два оборота вала.

При этом следует иметь в виду, что в число процессов, составляющих рабочий цикл реального двигателя, входят процессы, в течение которых количество рабочего тела меняется (впуск и выпуск), а также процессы изменения химического состава вещества (горение).

Поэтому рабочий цикл двигателя не следует смешивать с термодинамическим циклом, характеризуемым постоянным количеством вещества не изменяющегося химического состава.

Идеальные условия работы двигателя

• Эти условия подразумевают отсутствие гидравлических сопротивлений впускного и выпускного клапанов.
• Полное сгорание топлива при любом желаемом характере изменения давления рабочего тела в цилиндре в процессе сгорания.
• Адиабатное протекание процессов сжатия и расширения.
При таких идеальных (теоретических) условиях рабочий цикл двигателя будет характеризоваться теоретической индикаторной диаграммой.

6

1

5

4

3

2

Р

h (V)

0

В течение хода поршня от верхней точки (точка 6) к нижней (точке 1) через открытый впускной клапан поступает воздух из атмосферы или специального ресивера.

Во время всасывания давление в цилиндре равно давлению той среды, откуда происходит впуск рабочего тела.

Последнее объясняется отсутствием гидравлических сопротивлений клапана.

В конце впуска закрывается впускной клапан, и при ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней сжимается свежая порция воздуха.

При идеальных условиях сжатие протекает адиабатно.(процесс 1-2)

К концу сжатия температура повышается так, что подаваемое в цилиндр через топливный клапан (форсунки) топливо сгорает.

6

1

5

4

3

2

Р

h (V)

0

Топливо вводится в цилиндр двумя порциями:

• первая подается так, чтобы она сгорела мгновенно (при этом повышается давление в цилиндре от Р2 до Р3 ( ) теоретически при постоянном его объеме (процесс 2-3)
• подача второй порции регулируется так, чтобы при его постепенном горении давление в цилиндре оставалось постоянным

,

несмотря на движение поршня и увеличение объема от V3 до V4 ( ).

(процесс 3-4)

Следует оговорится, что наличие в одном цикле процессов сгорания топлива при и при необязательно:

Известны циклы, в которых топливо сгорает только при или при .

После полного сгорания всего топлива образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются. (процесс 4-5)

6

1

5

4

3

2

Р

h (V)

0

При подходе к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан (выпуск) и происходит выпуск по линии 5-1 и выталкивание по линии 1-6.

В результате выпуска давление в цилиндре падает практически мгновенно (при ), и в течение выталкивания давление остается постоянным и равным давлению той среды, куда производится выпуск отработавших газов.

Повторим последовательность работы четырехтактного ДВС Реальные условия работы ДВС

• Впускной и выпускной клапаны всегда оказывают гидравлические сопротивления проходящему через них газу.
• Процессы сжатия и расширения в реальных условиях не могут протекать адиабатно.
• Сгорание также не могут происходить точно при и при и быть полным.
• Отдельные порции топлива сгорают на линии расширения и даже в процессе выпуска (выпуска и выталкивания).
• Нужно также иметь в виду, что в течение всего рабочего цикла некоторая часть, рабочего тела утекает из рабочего объема через неплотности в поршневых кольцах. Это также влияет на характер действительного рабочего тела.

Рассмотренный двигатель называют двигателем с воспламенением от сжатия или, дизелем.

Другого типа двигатели являются двигателем с принудительным зажиганием.

В цилиндры такого двигателя подают уже готовую смесь топлива с воздухом, приготовленную вне цилиндра в специальных устройствах – карбюраторах.

Подобные двигатели не нуждаются в топливных клапанах, но имеют особое устройство для зажигания горючей смеси в конце сжатия – электрозажигание.

Если рабочий цикл двигателя совершается за четыре хода поршня

(два оборота вала), то двигатель называют четырехтактным,

Если – за два хода поршня (один оборот вала),

двигатель называют двухтактным.

1

2

3

1 – поршень

2 – продувочные окна

3 – выпускные окна

Схема двухтактного двигателя и его теоретическая индикаторная диаграмма

6

1

5

4

3

2

Р

h (V)

0

В нижней части цилиндр имеет окна, которые открываются непосредственно поршнем при приближении его к нижней мертвой точке (НМТ).

В одной половине окружности цилиндра расположены выпускные окна, в другой – продувочные.

Первые имеют большую высоту и открываются, поэтому раньше вторых.

К тому моменту, когда поршень открывает продувочные окна, значительная часть газов уже удалена из цилиндра через выпускные окна в выпускной коллектор и из последнего в атмосферу.

После открытия продувочных окон воздух из продувочного ресивера под давлением вдувается в цилиндр, при этом из цилиндра удаляется большая часть оставшихся после выпуска продуктов горания (процесс 6-1).

При движении поршня от нижней мертвой точки (НМТ) он в положении, соответствует точке 1, закрывает выпускные окна.

Продувочные окна закрываются несколько раньше.

От точки 1 начинается сжатие, и дальше рабочий процесс протекает так, как он протекал у четырехтактного двигателя.

Так как рабочие циклы двигателей четырех- и двухтактных включает в себя процессы в течение которых меняется количество рабочего тела и его химический состав, то непосредственный термодинамический анализ этих процессов невозможен.

Поэтому в термодинамике рабочие циклы реальных двигателей заменяют соответствующими идеальными термодинамическими циклами двигателя, предполагая, что при осуществлении цикла химический состав рабочего тела не меняется.

В таком цикле процессы сгорания топлива и выпуска продуктов сгорания заменяют соответственно процессами подвода и отвода теплоты.

Само собой разумеется, что идеальный термодинамический цикл не может быть осуществлен в реальном двигателе, даже если представить теоретические условия его работы.

Идеальный термодинамический цикл можно осуществить в двигателе, если из крышки цилиндра удалить клапаны, между крышкой и поршнем поместить 1 кг рабочего тела, а процессы сгорания топлива и выпуска заменить соответственно процессами подвода и отвода теплоты.

Термодинамический поршневой двигатель и идеальный обобщающий цикл ДВС

1

5

4

3

2

Р

V

0

dq=0

Смешанный цикл

(цикл Собатэ-Тринклера)

Идеальный термодинамический цикл должен в точности соответствовать теоретическому рабочему циклу, т.е. оба цикла должны представляться в координатах pV совпадающими фигурами, а подводимая в идеальном цикле теплота должна равняться теплоте, выделяемой при полном сгорании топлива.

1 кг

Смешанный цикл (цикл Собатэ-Тринклера)

Т

S

1

2

3

4

5

a

b

0

Характеристики термодинамических циклов ДВС

Важнейшими характеристиками всякого цикла двигателя являются следующие безмерные величины:

Степень сжатия – отношение удельного объема рабочего тела, соответствующего началу сжатия (точка 1), к удельному объему в конце сжатия (точка 2).

Степень дополнительного повышения давления – отношение давления в конце подвода теплоты при V = Const к давлению в конце сжатия

Характеристики термодинамических циклов ДВС

Степень предварительного расширения – отношение удельного объема в конце процесса подвода теплоты при Р=Const к удельному объему в начале этого процесса

Степень последующего расширения – отношение удельных объемов в конце и в начале процесса адиабатного расширения.

Значения основных характеристик цикла оказывают решающее влияние на величину его работы и экономичность.

В зависимости от значений основных характеристик различают следующие циклы:

4’

1

5

4

2(3)

Р

V

0

5’

Цикл Дизеля.

Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при Р-Const.

Цикл Дизеля Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при Р-Const

S

Т

1

2(3)

4

5

a

b

0

В зависимости от значений основных характеристик различают следующие циклы:

5′

3′

1

5

2

3(4)

Р

V

0

Цикл Отто.

Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при V-Const.

Цикл Отто Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при V-Const

S

Т

1

2

3(4)

5

a

b

0

Значения основных характеристик цикла оказывают решающее влияние на величину его работы и экономичность.

• Смешанный цикл – ни одна из основных характеристик не равна единице.
• Цикл с подводом теплоты при Р – Const – степень повышения давления равна единице (λ = 1).
• Цикл с подводом теплоты при V – Const – степень предварительного расширения равна единице (ρ = 1);

- степень предварительного расширения равна степени сжатия (ρ = ε).

Каждый из этих циклов служит в качестве идеального для определенной группы двигателей:

• смешанный – для так называемых безкомпрессорных дизелей (топливо впрыскивается и распыляется специальным насосом;
• цикл с подводом теплоты при Р-Const – для компрессорных дизелей (топливо впрыскивается и распыляется сжатым воздухом);
• цикл с подводом теплоты при V-Const – для двигателей с принудительным зажиганием (карбюраторных и газовых).

Экономичность идеальных циклов КПД

Для всякого идеального цикла показателем экономичности является его термический КПД

• КПД смешанного цикла
• КПД цикла с подводом теплоты при Р-Const, λ = 1
• КПД цикла с подводом теплоты при V-Const, ρ = 1

Задача 1

Воздух массой 1 кг совершает идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме. Начальные параметры цикла: Р1=117,7 кПа; t1=17 °С. Степень сжатия ε = 4,5. Подводимое к циклу количество теплоты составляет q1=1,34 МДж/кг. Определить параметры воздуха в характерных точках цикла и полезную работу, производимую за цикл.

Задача 2 Сравнить изменения термического КПД цикла Отто при переходе от ε = 6 к ε = 8 и при повышении ε от 10 до 12. Принять, что рабочим телом является трёхатомный газ (k = 1,3). Задача 3 Количество теплоты, подведённой к рабочему телу в цикле Дизеля q1 = 1,4 МДж/кг. Известно также, что Та = 300 К, ср = 1 кДж/кгК, k = 1,4. Какую степень сжатия необходимо иметь в этом цикле для получения термического КПД, равного термическому КПД цикла Отто, осуществлённого при ε = 10? Закрепление изученного материала Необходимо изучить устройство и принцип работы модели ДВС. Закрепление изученного материала Ответить на следующие вопросы: - к какому виду относится данный ДВС? - сколько цилиндров имеет ДВС? - объяснить, что происходит в каждом такте ДВС на модели. - по какому циклу работает модель, и из каких процессов состоит этот цикл? - по какой формуле можно определить термический КПД? - какое устройство или машина может работать с помощью этого ДВС? Домашние задание Учебник Гл. 10 Сборник задач Гл.8 № 265, 272 Список литературы: 1. Прибытков И.А., Левицкий И.А. Теоретические основы теплотехники: Учебник для студентов учреждений СПО – М.: Изд. центр «Академия», 2004. 2. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике – М: Машиностроение, 1973. Темы докладов:

• История развития ДВС.
• Жизнь и открытия знаменитых людей (С. Карно, Р. Дизель, Г.В. Тринклер, Н. Отто).
• Вечный двигатель.
• Тепловые машины.
• Двигатели внутреннего сгорания

Благодарю за внимание!

Занятие ставит вас в позицию творческого исследователя физической реальности в существующих технических устройствах и машинах, следовательно, в процессе обучения должен найти отражение цикл научного познания: от наблюдений – к выдвижению гипотезы, от гипотезы – к теоретическому обоснованию и практическому применению.