Действительные циклы и их индикаторные диаграммы

Лекция 5

Действительные циклы и их индикаторные диаграммы.

Введение

Осуществление термодинамического цикла сопровождается непрерывным изменением термодинамических параметров рабочего тела: давления р, температуры Т, объема V, т. е. изменением состояния рабочего тела. Эти изменения состояния рабочего тела называются процессами. Для преобразования теплоты в работу, кроме соблюдения основных условий, необходима определенная последовательность протекания термодинамических процессов: сжатие рабочего тела — подвод тепла — расширение — отвод тепла. Последовательно протекающая совокупность термодинамических процессов, в результате совершения которых рабочее тело переходит в свое первоначальное термодинамическое состояние, называется рабочим циклом теплового двигателя.

Действительный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания отличается от теоретического прежде всего тем, что в реальном двигателе невозможно выполнить те

условия и ограничения, которые характеризуют теоретические циклы

Мощностные и экономические показатели работы двигателей в значительной мере зависят от организации и характера протекания рабочих циклов в целом и отдельных _х процессов цикла в частности

1. Условия реализации термодинамических циклов в ДВС

Рекомендуемые материалы

2. Действительные циклы ПД и их основные отличия от теоретических

3. Индикаторные диаграммы четырех- и двухтактного цикла

1.Условия реализации термодинамических циклов в ДВС

Принцип работы теплового двигателя основан на осуществлении в его цилиндрах термодинамических рабочих циклов. Для совершения термодинамического цикла необходимо наличие следующих основных условий: 1) тепловой энергии; 2) газообразного рабочего тела, способного изменять свой объем; 3) замкнутой емкости изменяющегося объема, позволяющей газам расширяться для совершения механической работы. Кроме того, для совершения теоретических циклов требуется, чтобы соблюдались некоторые другие условия: 1)подвод и отвод теплоты при постоянном объеме или давлении, 2) отсутствие теплообмена со стенками, 3) поддержание постоянной температуры газов при их сжатии или расширении.

Осуществление термодинамического цикла сопровождается непрерывным изменением термодинамических параметров рабочего тела: давления р, температуры Т, объема V, т. е. изменением состояния рабочего тела. Эти изменения состояния рабочего тела называются процессами. Для преобразования теплоты в работу, кроме соблюдения основных условий, необходима определенная последовательность протекания термодинамических процессов: сжатие рабочего тела — подвод тепла — расширение — отвод тепла. Последовательно протекающая совокупность термодинамических процессов, в результате совершения которых рабочее тело переходит в свое первоначальное термодинамическое состояние, называется рабочим циклом теплового двигателя.

2. Действительные циклы ПД и их основные отличия от теоретических

Действительный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания отличается от теоретического прежде всего тем, что в реальном двигателе невозможно выполнить те

условия и ограничения, которые характеризуют теоретические циклы. Так, в действительном цикле имеют место физические и химические изменения состава и объема рабочего тела, вызванные выгоранием его окислительного элемента (кислорода). В связи с этим в каждом цикле необходима смена рабочего тела. Подвод теплоты осуществляется не извне, а в результате сгорания топлива в рабочем теле в самом цилиндре, причем этот процесс протекает не мгновенно, а имеет некоторую продолжительность, зависящую от ряда факторов. Все процессы в действительном цикле, в том числе сжатие и расширение, протекают при непрерывном теплообмене с окружающей средой, т. е. не адиабатно. Вследствие температуры рабочего тела теплоемкость его также изменяется. процесс к рабочему телу практически совершается не при постоянных, а при объеме и давлении. Имеют место потери теплоты, связанные с аэродинамических сопротивлений движению рабочего тела. Все это необратимости действительного рабочего цикла, а также о том. что он дополнительными, принципиально устранимыми потерями теплоты.

В действительном рабочем цикле необходимо осуществлять следующие: наполнение цилиндра горючей смесью (или воздухом); сжатие, что внутреннюю энергию и создает благоприятные термодинамические условия последующих процессов; сгорание с выделением тепла; расширение продуктов когда тепловая энергия преобразуется в работу; выпуск отработавших .газов, при котором оставшееся тепло удаляется в окружающую среду и цилиндр подготавливается для совершения очередного цикла. Следовательно, в действительном цикле, кроме основных термодинамических процессов — сжатия, подвода тепла (сгорания) и расширения, должны осуществляться вспомогательные процессы газообмена — наполнение и выпуск. Для реализации процессов газообмена приходится использовать либо часть хода поршня при осуществлении основных процессов, либо дополнительные два хода поршня.

Таким образом, действительный рабочий цикл, осуществляемый в одном цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания, может быть либо двухтактным, если он совершается за два хода поршня (два такта), т. е. за один оборот кривошипа, или четырехтактным, если он совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота

кривошипа.

Мощностные и экономические показатели работы двигателей в значительной мере зависят от организации и характера протекания рабочих циклов в целом и отдельных _х процессов цикла в частности.

3.Индикаторные диаграммы четырех- и двухтактного цикла

Действительным циклом поршневого д.в.с. называют комплекс периодически повторяющихся процессов, осуществляемых с целью превращения термохимической энергии топлива в механическую.

Изменение давления газа и цилиндре работающего двигателя определяют при помощи специального прибора-индикатора давления, а получаемую при этом диаграмму в координатах давление объем (р - V) или давление — угол поворота коленчатого вала

{р - (р) называют индикаторной диаграммой.

Рассмотрим индикаторную диаграмму действительного цикла четырехтактного дизеля (рисунок 20). Этот цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала или четыре такта (хода поршня), во время которых в цилиндре происходят следующие процессы:

Рис.20- Индикаторная диаграмма

1) Процесс впуска воздуха начинается в точке а', соответствующей началу открытия впускного клапана, когда поршень еще не дошел до в. м. т. Заканчивается впуск в точке а", когда впускной клапан полностью закрылся, а поршень уже прошел н. м. т., поэтому общая длительность впуска больше 180° угла поворота коленчатого вала (п.к.в.). Среднее давление газов в цилиндре в течение впуска действует по направлению движения поршня к н. м. т.; по величине оно меньше атмосферного р₀, которое

препятствует движению поршня. Следовательно, на осуществление процесса впуска необходимо затратить энергию.

Перед впуском камера сгорания заполнена продуктами сгорания - остаточными газами, оставшимися от предыдущего цикла. В конце впуска в цилиндре оказывается заряд, состоящий из смеси воздуха с остаточными газами.

2) Процесс сжатия заряда происходит после окончания впуска (точка а") и сопровождается повышением температуры и давления заряда. При приближении поршня к в. м. т. в разогретый от сжатия заряд под большим давлением начинает впрыскиваться топливо (точка d). Угол между началом впрыска топлива и в.м.т. называют углом опережения впрыска. В течение периода d-c' происходит развитие топливных струй, прогрев, испарение и перемешивание топлива с воздухом и другие процессы, предшествующие воспламенению топлива за счет теплоты горячего заряда; этот отрезок времени называют периодом, задержки воспламенения.

3) Процесс сгорания начинается в точке с', когда на индикаторной диаграмме наблюдается заметное повышение давления по сравнению с тем, которое соответствует сжатию заряда (линия с'-с). В этот момент поршень на большинстве режимов работы двигателя еще не доходит до в. м. т., а подача топлива форсункой продолжается. Во время сгорания воздух и топливо образуют продукты сгорания, т. е. состав заряда в цилиндре изменяется. Момент окончания этого процесса может находиться достаточно далеко после в. м. т. В течение процесса сгорания температура и давление в цилиндре достигают наибольших значений.

4) Процесс расширения совершается от точки z до точки b''. При расширении происходит превращение тепловой энергии, выделившейся в результате сгорания топлива, в механическую.

5) Процесс выпуска начинается в точке b', соответствующей началу открытия выпускного клапана. Заканчивается процесс выпуска в точке b'', после того как поршень пройдет в. м. т. и выпускной клапан закроется. При выпуске среднее давление газов в цилиндре во время перемещения поршня от н. м. т. к в. м. т. действует против движения поршня, по величине оно больше р₀, поэтому на процесс выпуска расходуется энергия.

Процессы, во время которых происходит смена рабочего тела — впуск и выпуск — называют процессами газообмена.

Во время осуществления всех процессов действительного цикла и особенно при сгорании и расширении имеет место теплообмен между газами и стенками цилиндра.

Деление действительного цикла на процессы несколько условно, так как между окончанием предшествующего и началом последующего процессов нет четкой границы.

Например, начало процесса впуска совпадает по времени с окончанием выпуска (участок а'- b'').

Протекание действительного цикла четырехтактного карбюраторного двигателя имеет следующие основные отличия от цикла дизеля: в процессе впуска в цилиндр поступает горючая смесь, состоящая из воздуха и топлива, которая дозируется специальным устройствам, называемым карбюратором; особенности способа смесеобразования, свойства топлива и главным образом меньшая величина степени сжатия исключают самовоспламенение смеси в конце) сжатия при нормальной работе карбюраторного двигателя, поэтому для ее принудительного воспламенения используется энергия электрической искры, образующейся между электродами свечи зажигания в конце процесса сжатия за 15-50° до в. м. т.

Принципиальное отличие двухтактных двигателей от четырехтактных заключается в том, что полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется у них не за четыре, а за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. В связи с этим вспомогательные процессы наполнения и выпуска протекают в двухтактных двигателях в конце хода расширения и начале хода сжатия, в период так называемой продувки цилиндра свежим зарядом, предварительно сжатым в специальном продувочном насосе (нагнетателе) до давления р_к. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя с поперечно-щелевой продувкой представлена на рисунке.

Выпуск отработавших газов начинается в момент открытия выпускного окна (точка b'), а продувка цилиндра -при открытии впускного окна (точка /) при движении поршня от в. м. т. к н. м. т. Процесс сжатия начинается с закрытием выпускного окна (точка а) при движении поршня от н. м. т. к в. м. т. Таким образом, часть рабочего объема цилиндра в двухтактном двигателе теряется на совершение процессов выпуска и продувки. Эта часть рабочего объема (V"_h) называется потерянным объемом, а соответствующая ему часть хода поршня — потерянной долей хода поршня. Полезный рабочий объем цилиндра V_h = V'_h - V"_h, соответствующий ему ход поршня называется полезным ходом.

Отношение потерянного рабочего объема ко всему рабочему объему цилиндра называется долей или коэффициентом потерянного объема

откуда , следовательно, полезный рабочий объем цилиндра двухтактного двигателя

В зависимости от способа продувки и быстроходности в современных двухтактных двигателях полезный рабочий объем составляет от 60 до 88 % общего рабочего объема цилиндра, т. е = 0,12-0,40.

В связи с потерей части рабочего объема цилиндра в двухтактных двигателях различают две степени сжатия: геометрическую и действительную е. Геометрическая степень сжатия соответствует полному ходу поршня: действительная степень сжатия - полезному ходу поршня:

Геометрическая и действительная степени сжатия двухтактного двигателя связаны между собой соотношением

откуда , или

Для лучшей продувки и наполнения объем свежего заряда, подаваемого компрессором, предусматривается на 20 - 30 % больше рабочего объема цилиндра. Соответственно в карбюраторных двигателях в следствии продувки цилиндров горючей смесью имеет место повышенный удельный расход топлива по сравнению с четырехтактными двигателями. Потери топлива при продувке могут быть устранены заменой карбюрации непосредственным впрыском топлива в цилиндры после продувки их воздухом. При этом несколько усложняется система питания двигателя.

Контрольные вопросы:

"О технология перманентных реформ" - тут тоже много полезного для Вас.

1. На чем основан принцип работы ДВС?

2. Чем характеризуется действительный цикл?

3. Что называется действительным циклом?

4. В чем особенности индикаторной диаграммы 2-х тактного ПД?

5. Каковы условия реализации термодинамических циклов ДВС?

6. В чем разница между индикаторными диаграммами ПД с принудительным зажиганием и самовоспламенением?