Головна

Ідеальні цикли двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ)

  1.  А. Політичні цикли ділової активності
  2.  Азотовмісні пятічленниє гетероцикли
  3.  Азотовмісні пятічленниє гетероцикли
  4.  Бізнес-цикли в макроекономіці
  5.  КВИТОК 9 Економічні цикли. фази циклу
  6.  Вертикально-протяжні верстати для внутрішнього протягування
  7.  вкладені цикли

Існує два основних оборотних циклу ДВС (як правило, поршневих, але не тільки). Це цикл з теплопідводу (згорянням) при постійному об'ємі, званий циклом Отто, і цикл з теплопідводу (згорянням) при постійному тиску, званий циклом Дизеля. Існує також цикл, в якому згорання починається при постійному об'ємі і завершується при постійному тиску. Цей цикл, званий циклом Трінклера або Сабате, за своїми показниками займає проміжне положення між циклами Отто і Дизеля.

5.10.1. Ідеальний цикл ДВС з підведенням тепла

при постійному об'ємі (цикл Отто)

Почнемо з циклу Отто, який наведено на рис. 5.18. в діаграмах стану. Одночасно розглянемо також робочий процес цього ДВС, для чого під циклом зображений циліндр з поршнем, який може переміщатися всередині циліндра в обидві сторони від крайнього лівого положення, званого верхньої мертвої точкою (ВМТ), до вкрай правого, званого нижньої мертвої точкою (НМТ), і назад. Зворотно - поступальний рух поршня (3) здійснюється кривошипно - шатунним механізмом (1). За допомогою цього механізму робота циклу перетворюється в механічну енергію обертового руху, використовувану споживачем. У лівого підстави циліндра (2) поблизу ВМТ розташовані два клапана - впускний (5) і вихлопної (4), які можуть відкриватися і закриватися спеціальним механізмом, званим механізмом газорозподілу. Так само встановлена ??електрична свічка запалювання (6).

Робочий процес починається при русі поршня від ВМТ до НМТ вправо при відкритому впускному клапані. У циліндр надходить топливовоздушная суміш (повітря з випарувався бензином), яка попередньо утворюється в карбюраторі. Замість карбюратора застосовується також безпосередній дозований уприскування бензину в повітряний потік. В ідеальному уявленні процес заповнення Про - Н на рис. 5.18. відбувається при постійному тиску, але в дійсності тиск кілька знижений. Процес Про - Н не входить до складу циклу, здійснюється не в закритій, а у відкритій термодинамічній системі зі змінною масою робочого тіла. Процес закінчується в точці "Н" при положенні поршня у НМТ, і впускний клапан закривається.

Цикл починається в точці "Н" і відбувається при постійній масі робочого тіла. Від точки "Н" здійснюється процес стиснення по оборотної адіабаті до точки "К" при русі поршня вліво від НМТ до ВМТ. Обидва клапана впускний і випускний закриті. У точці "К" від розряду в свічці запалювання бензино повітряна суміш запалюється і відбувається її згорання протягом дуже короткого часу. Здійснюється підведення теплоти q1 в ідеальному поданні в ізохоричному процесі ?К = ?Г = Const, тиск і температура газу різко підвищуються.

Мал. 5.18. Зображення ідеального циклу ДВС з підведенням тепла при постійному об'ємі в діаграмах стану: 1 - кривошипно-шатунний механізм; 2 - циліндр; 3 - поршень; 4 - вихлопної клапан; 5 - впускний клапан; 6 - свічка запалювання

У реальному циклі запалювання суміші здійснюється ще до підходу поршня до ВМТ, а процес згоряння закінчується після початку руху поршня вправо. Таким чином, реальний процес теплопідводу не є строго ізохорним.

Від точки "Г" до точки "С" відбувається розширення робочого тіла по оборотної адіабаті при переміщенні поршня вправо ВМТ до НМТ (рис. 5.18.). У точці "С" в ідеальному поданні відкривається випускний клапан, і продукти згоряння викидаються в навколишнє середовище, де відводиться теплота q2 розсіюється. Процес тепловідведення відбувається в ізохоричному процесі ?С = ?Н = Const, температура і тиск робочого тіла різко знижуються. Робоче тіло повертається в початковий стан в точці "Н", і оборотний цикл завершується. У реальному циклі випускний клапан відкривається ще до підходу поршня до НМТ, а вихлоп триває при русі поршня вліво від НМТ, тобто процес тепловідведення далеко не є строго ізохорним.

Після завершення ідеального циклу робочий процес ДВС ще триває при русі поршня від НМТ до ВМТ при відкритому випускному клапані. Відбувається викид продуктів згорання з циліндра в атмосферу. У точці "О" на рис. 5.18. випускний клапан закривається, а впускний відкривається. Тільки після цього завершується робочий процес ДВС, і знову починається процес всмоктування бензино-повітряної суміші. Процес Н - О не входить до складу процесів ідеального циклу і в реальних умовах відбувається при кілька надмірному тиску.

Таким чином, ідеальний цикл Отто складається з двох оборотних адіабат ??Н - К і Г - З і двох изохор К - Г і С - Н і здійснюється за два ходи поршня - від НМТ до ВМТ (стиснення) і від ВМТ до НМТ (розширення) , тобто за один оборот валу кривошипно-шатунного механізму. Робочий процес ДВС включає ще два процеси - всмоктування Про - Н і виштовхування Н - О, також здійснюються за один оборот валу. Таким чином, весь робочий процес ДВС здійснюється за два обороти вала кривошипно-шатунного механізму, а поршень переміщається від ВМТ до НМТ і назад 4 рази. Одне переміщення поршня називають тактом ДВС. Тому описаний робочий процес ДВС називаютчетирехтактним. (Зауважимо, що існують і двотактні ДВС, у яких за один такт або хід поршня здійснюються відразу по два процеси: в одному - всмоктування і стиснення, а в іншому - розширення і вихлоп).

З усіх 4-х тактів робочого процесу ДВЗ тільки в одному з них - в процесі розширення Г - З на рис. 5.18. відбувається передача механічної енергії споживачу. Тому цей процес або такт називають робочим ходом поршня від ВМТ до НМТ. В інших 3-х тактах енергія на рух поршня тільки витрачається в основному в такті стиснення робочого тіла в процесі Н - К. Ця енергія надходить від накопиченого маховиком кривошипно-шатунного механізму за єдиний такт - робочий хід поршня, маючи на увазі, що енергія спрямовується і споживачеві, заради чого власне і здійснюється цикл ДВС.

Зауважимо, що ДВС, що працюють по циклу Отто іноді називають карбюраторними (що не зовсім справедливо) або двигунами легкого палива, оскільки вони використовують бензин, більш "легкий" в порівнянні з дизельним паливом.

Перейдемо до розгляду енергетичних показників оборотного циклу Отто. Кількості підведений і q1 і відведеної q2 теплоти в ізохорно процесах К - Г і С - Н визначаються рівнянням (q? = c?· ?T), Яке з урахуванням позначень на рис. 5.18. запишеться у вигляді

 , (5.59)

 . (5.60)

Звідси отримаємо рівняння для термічного ККД, використовуючи вихідне рівняння (4.4)

 . (5.61)

З рівняння оборотної адіабати  , Замінивши відношення тисків зворотним відношенням питомих обсягів за рівнянням  , З урахуванням позначень на рис. 5.18. отримаємо для оборотних адіабат ??Н - К і Г - З наступні співвідношення

 або  . (5.62)

У теорії ДВС стиснення робочого тіла прийнято оцінювати ставленням максимального і мінімального питомих обсягів (або обсягів циліндра), яке називається ступенем стиснення:

 . (5.63)

(На відміну від ступеня підвищення тиску pК, Як відносини тисків в кінці і на початку стиснення в теорії ВМД). З урахуванням співвідношень (5.62), (5.63) рівняння (5.61) набуває такого вигляду:

 . (5.64)

Як видно, термічний ККД залежить лише від одного параметра циклу - ступеня стиснення e. З ростом e термічний ККД безперервно підвищується, і вигідно здійснювати, можливо, великі значення e. Однак, в двигунах Отто через стиснення не повітря, а бензино-повітряної суміші і збільшення її температури максимальні значення e обмежуються виникненням детонації (вибухового горіння), що неприпустимо. Залежно, головним чином, від якості бензину (його антидетонаційних властивостей) в двигунах Отто значення лежать в діапазоні e »7 ... 12. Як показує практика, великі значення виключені. Наприклад, при e = 10, ht = 0,521, TК = 691 K. Ступінь підвищення тиску .

Характерною особливістю ДВС (на відміну від ВМД) є можливість здійснити гранично високу температуру в процесі згоряння К - Г. Процес згоряння дуже короткочасний (частки секунди), а потім слідують 3 ходу поршня і процес вихлопу С - Н. Конструктивні елементи в зоні горіння встигають охолодитися до початку наступного процесу горіння. Крім того, циліндр зовні охолоджується або водою, або повітрям, для чого передбачається зовнішнє ребра. Але це охолодження набагато менш істотно, ніж періодичність згоряння. В результаті з самого початку появи ДВС питання про підвищення температури не виникало, а для ГТУ з безперервним процесом горіння був і залишається одним з основних.

Теплота, що підводиться в ізохоричному процесі q? = q1 в двигуні Отто, по суті є заданою. Вона визначається як максимально можлива при згорянні палива в кількості, необхідній для повного згоряння, тобто при використанні всього кисню, що міститься в повітрі. На 1 кг бензино-повітряної суміші виділяється теплота становить q1 »2. 600 кДж / кг. Рівняння (для ізохоричного процесу q? = С?· ?T) для q? = q1 використовується для визначення максимальної температури

 . (5.65)

Ця температура виходить дуже високою, близько 2800 ... 3000 К і зовсім недоступна для ГТД.

Корисну роботу циклу можна визначити по вихідному рівнянню (4.11). З урахуванням рівняння (5.64) отримаємо

 . (5.66)

оскільки і q1 = Const, то залежно ht и Lц від e ідентичні. На відміну від ГТУ максимуму Lц за ступенем стиснення або ступеня підвищення тиску немає.

У темі 4 було показано, що корисна робота дорівнює площі циклу. Реальний цикл ДВС в діаграмі стану "p-?"На рис. 5.18. Може бути представлений індикаторної діаграмою. Вона легко знімається і зображується на дисплеї разом з лініями всмоктування і вихлопу Про - Н і О - Н безпосередньо на працюючому двигуні. За відхилень реальної індикаторної діаграми від ідеального циклу судять про якість реальних процесів і вносять необхідні зміни в їх організацію.

5.10.2. Ідеальний цикл ДВС з підведенням тепла при постійному

тиску (цикл Дизеля)

У діаграмах стану, цей цикл наведено на рис. 5.19.

Робочі процеси двигунів Дизеля і Отто багато в чому аналогічні. Після такту всмоктування Про - Н на рис. 5.19. починається процес стиснення по оборотної адіабаті Н - К, але в даному випадку повітря, а не суміші, як в циклі Отто. При цьому не виникає обмежень ступеня стиснення  . Навпаки, в кінці процесу стиснення в точці "К" температура повітря  повинна бути високою, достатньою для самозаймання дизельного палива, уприскування якого починається в точці "К".

Згоряння крапель гасу відбувається одночасно з переміщенням поршня від ВМТ до НМТ. В результаті теплопідводу q1 процес розширення К - Г в ідеальному циклі приймається Ізобаричний. У точці "Г" процес згоряння закінчується, і температура газу TГ є максимальною в циклі. Далі процес розширення триває по оборотної адіабаті Г - С. Таким чином, робочий хід поршня К - Г - З складається з двох процесів - ізобарного і оборотного адиабатного.

Далі, як і в циклі Отто, починається ізохорний процес С - Н відведення теплоти шляхом викиду вихлопного газу в атмосферу. Цикл завершується в початковій точці "Н", але робочий процес ще триває видаленням з циліндра продуктів згоряння ходом поршня вліво від НМТ до ВМТ.

Мал. 5.19. Зображення ідеального циклу ДВС з підведенням тепла

при постійному тиску в діаграмах стану

У підсумку ідеальний цикл Дизеля складається з двох оборотних адіабат ??Н - К і Г - З, ізобари К - Г і ізохорами С - Н, здійснюється за 4 такту (ходу поршня), тобто за два оберти вала кривошипно-шатунного механізму. Двигун Дизеля може бути і двотактним, як і двигун Отто.

Термічний ККД ідеального циклу Дизеля, як і всіх інших циклів, визначається вихідним рівнянням (4.4), в якому підводиться q1 і відведена q2 теплота відповідно до рівнянь (qp = Сp· ?T) І (q? = С?· ?T) Як зазначено на рис. 5.19. можуть бути записані в наступному вигляді:

 . (5.67)

 . (5.68)

Опустивши прості, але громіздкі викладки, наведемо відразу кінцевий результат:

 . (5.69)

де  - Ступінь попереднього розширення. Очевидно, що r > 1, і функція r в рівнянні (5.69)

1. (5.70)

безперервно зростає зі збільшенням r.

З зіставлення рівнянь (5.64) і (5.69) випливає, що при рівних ступенях стиснення у двигунів Отто і Дизеля

e диз = e Отто, ht Диз < ht Отто . (5.71)

Але, як зазначалося, ступінь стиснення у двигуна Дизеля може бути істотно вище, ніж у двигуна Отто і становить e диз »16 ... 20 (в порівнянні з eОтто »7 ... 12). Тому при

e диз > e Отто, ht Диз > ht Отто . (5.72)

Нижньому покажемо, це на численних прикладах.

Ступінь попереднього розширення r можна знайти з рівняння (5.67), записавши його у вигляді

звідки

 . (5.73)

підводиться теплота q1 визначається так само, як у двигуна Отто - це теплота, що виділяється при згорянні палива, що міститься в 1 кг паливо - повітряної суміші. Теплота згоряння (теплотворність) бензину і дизельного палива майже однакова. Тому, якщо впорскується паливо (гас) згоряє з використанням всього кисню повітря, як в двигуні Отто, то і q1 буде таким же q1 »2. 600 кДж / кг. Але по ряду причин в двигунах Дизеля на одиницю маси повітря впорскується менше гасу, іноді навіть в 1,5 рази. Частина кисню повітря залишається не використаною. В цьому випадку q1 »1830 КДж / кг.

Приймемо для Дизеля e = 18, TК = 864 K. За рівняння (5.71) отримаємо

rmax = 3,176 при q1max = 2600 кДж / кг;

rmin = 2,531 при q1min = 1830 кДж / кг.

Функції (5.70) виходять рівними

f (rmax) = 1,253; f (rmin) = 1,191,

а термічні ККД циклу Дизеля за рівнянням (5.69) відповідно виходять наступними

ht Диз min = 0,583, ht Диз max = 0,603.

Раніше було наведено значення ККД циклу Отто ht Отто = 0,521. Отримані значення ККД циклу Дизеля підтверджують нерівності (5.72) і при мінімальному і тим більше при максимальному значеннях ht Диз.

Відповідно до рівняння (5.69) ККД циклу Дизеля формально залежить від двох параметрів циклу r и e. Але ступінь попереднього розширення слід розглядати швидше як величину, задану дозуванням уприскуваного гасу. Зі збільшенням e ККД циклу Дизеля безперервно підвищується, за тим же законом, що і ККД циклу Отто. максимальні значення e у двигунів Дизеля обмежуються не організацію процесу згоряння, а різко зростаючими навантаженнями на кривошипно - шатунний механізм і вібраційними навантаженнями на всю конструкцію.

Максимальна температура TГ в циклі Дизеля виходить також досить високою, як і в циклі Отто, але все ж нижче, тому що Сp > С? в процесах p = const и ? = Const. Ця температура визначається рівнянням (5.67)

.

З урахуванням наведених вище параметрів для двох значень q1max и q1min отримаємо відповідно TГ max »2750 До і TГ min »2200 К.

Корисна робота циклу відповідно до рівнянь (4.4) і (5.69) дорівнює

 . (5.74)

Вище було показано, що зі збільшенням q1 ступінь попереднього розширення r, Зростає відповідно до рівняння (5.71). При заданому значенні e це призводить до зниження ht. Але вплив сомножителя q1 в рівнянні (5.74) сильніше, і корисна робота циклу зі збільшенням q1 підвищується. Наведені вище приклади це підтверджують. Так, при q1max = 2 600 кДж / кг, ht Диз min = 0,583 і Lц Диз max = 1 516 кДж / кг; при q1min = 1 830 кДж / кг, ht Диз max = 0,603 і Lц Диз min = 1 103 кДж / кг.

Таким чином, вплив q1 на ht и Lц протилежно, і при виборі дозування палива, що впорскується слід шукати компромісне рішення між потужністю і економічністю двигуна. Нагадаємо, що у двигунів Отто подібне питання не виникає, оскільки теплота q1 на ККД циклу не впливає відповідно до рівняння (5.66).

На працюючому двигуні Дизеля, як і на двигуні Отто, може бути знята індикаторна діаграма, що представляє собою реальний цикл. Це дозволяє отримати велику інформацію про досконалість реальних процесів.

5.10.3. Порівняння циклів Отто і Дизеля

Порівняння проведемо, приймаючи в обох циклах однаковими параметри робочого тіла у вихідній точці pН, TНі максимальні значення тиску і температури pГ, TГ. Поєднавши ці цикли в "T-s"Координатах (рис. 5.21.), Порівняємо величини їх термічних ККД, базуючись на формулі (4.4). Видно, що при прийнятих умовах порівняння, ККД циклу Дизеля вище, ніж ККД циклу Отто, тому що при рівних кількостях відведеного тепла (q= q) Кількість підведений тепла в циклі Дизеля більше (q q). Більш висока ефективність циклу Дизеля в даних умовах пояснюється тим, що в ньому забезпечується більш висока ступінь стиснення ?, ніж в циклі Отто. Іншими гідністю дизелів є те, що в них можуть використовуватися дешеві низькосортні палива. Однак слід зауважити, що реальні дизелі внаслідок більш високих значень ? відчувають підвищені навантаження. З цієї причини і з-за неповного використання кисню повітря їх конструкції виходять більш важкими, ніж у двигунів з примусовим займанням.


Мал. 5.20. Порівняння циклів Отто і Дизеля

5.10.4. Цикл ДВС зі змішаним теплопідводу

Дуже коротко зупинимося на третьому варіанті циклу ДВС зі змішаним теплопідводу, спочатку при постійному об'ємі, а потім при постійному тиску. Цей цикл, званий циклом Трінклера або Саботе наведено на рис. 5.21.

Після заповнення циліндра і стиснення повітря по оборотної адіабаті Н - К в точці "К" впорскується паливо, деяка частина якого спочатку запалюється і згорає в ізохоричному процесі К - Г1, А частина, що залишилася палива догорає в изобарном процесі Г1 - Г2 при русі поршня від ВМТ до НМТ. Інші процеси залишаються такими ж, як і у двигунів Отто і Дизеля. Змішаний теплопідводу здійснюється рядом конструктивних заходів, головним чином, установкою форкамери.

 енергетичні показники ht и Lц оборотного циклу Трінклера містяться між відповідними показниками оборотних циклів Отто і Дизеля.

Мал. 5.21. Зображення ідеального циклу ДВС

зі змішаним теплопідводу

Сенс створення циклу на рис. 5.21. полягає в тому, щоб в короткочасному изобарном процесі згоряння Г1 - Г2 здійснювалася висока повнота згоряння палива завдяки високій температурі газу після ізохоричного процесу теплопідводу, хорошому розпилу і перемішування палива, повітря і продуктів згоряння в точці Г1. У двигунах Дизеля часто спостерігається Догорание на лінії розширення Г - З і димлення на вихлопі. Але вказане властивість робочого процесу двигуна Трінклера проявляється тільки в реальних циклах.

 Ексергетичний метод термодинамічного аналізу |  Рішення


 Рішення |  Рішення |  Інформація до роздумів |  Перевірте, як Ви засвоїли матеріал |  Особливості термодинамічної методу дослідження циклів теплових двигунів |  Схема пристрою і принцип роботи авіаційного |  Робота і термічний ККД циклу ГТД |  Порівняння циклів Брайтона і Гемфрі |  Цикл з регенерацією тепла |  Цикл із ступінчастим підведенням тепла |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати