Лекция 1
Тема 1: перспективы и проблемы развития автотракторных
двс, история развития конструкции и теории ДВС.
Термодинамические процессы

Цель лекции: Рассмотреть необходимость изучения теории ДВС для инженера с.х. Вспомнить основы термодинамических процессов.

1.1 Перспективы, проблемы и задачи
развития автотракторных ДВС

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями.

Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую работу, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах.

По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ - это субстанция, с помощью которой происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу) различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Для ДВПТ характерны следующие особенности:

• теплота к РТ подводится вне рабочего цилиндра двигателя (обычно в теплообменнике);

• РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру;

• работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре.

Рекомендуемые материалы

Классический пример этого типа ТД - паровой двигатель.

Для ДВС характерно следующее:

• сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя;

• РТ обновляется в процессе работы двигателя.

ДВС по сравнению с ДВПТ имеют, как правило, существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности, вследствие чего они являются в настоящее время основным типом транспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают:

- поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС);

- двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД);

- газотурбинные двигатели (ГТД);

- реактивные двигатели (РД).

Необходимость осуществления больших объемов грузовых и пассажирских перевозок вызвала увеличение выпуска автомобилей. Эта тенденция устойчиво сохраняется и в настоящее время.

Основой автотранспортной энергетики в ближайшем будущем останутся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС), которые после почти столетнего развития достигли высокого совершенства. Факторами, влияющими на конструк­цию ПДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение надежности и возможность использования двигателя в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов.

В дополнение к этим факторам конструкция и рабочий процесс будут определяться также требованиями нормативных ограничений и технологическими требованиями. Поясним несколько подробнее сказанное.

Правильным является положение о том, что двигатель и потребляемое им топливо дают максимальный эффект в том случае, когда двигатель создан в расчете именно на потребляемое им топливо. В ближайшем будущем виды топлива нефтяного происхождения останутся основными энергоносителями для ПДВС. Однако следует предположить, что спрос на энергию в ближайшее десятилетие будет расти. Это справедливо потому, что повышение благосостояния и уровень жизни прямо пропорционально зависят от потребления энергии на душу населения. Это обстоятельство заставит если не в настоящее время, то в ближайшем будущем сделать выбор между альтернативными видами топлива. Этот процесс в мире и в нашей стране уже начался.

Усложнение конструкции двигателя потребует увеличения затрат труда, главным образом в сфере эксплуатации, что крайне нежелательно. Следовательно, предполагая дефицит рабочей силы, будет действовать тенденция, направленная на разработку и технологию изготовления двигателей, требующих минимальных затрат труда при обслуживании и ремонте.

Если еще раз обратиться к топливу, то здесь можно отметить, что в мире наметилась тенденция к выработке топлив по техническим требованиям, близким к предельным. Это происходит из-за желания производить больше топлива для удовлетворения растущей в нем потребности. Снижение качества топлива заставит искать решения, которые позволили бы избежать возможных негативных последствий в эксплуатации. Это обстоятельство предъявит более высокие требования к точности и стабильности регулировок, что приведет к усложнению конструкции ПДВС и потребует повышенных затрат труда в эксплуатации. Уже сейчас можно отметить снижение квалификации обслуживающего персонала. Другими словами, более совершенные ПДВС будут передаваться в эксплуатацию в руки в среднем менее квалифицированных работников. Здесь можно было бы назвать несколько причин: расширение сферы применения ПДВС, медленный рост производительности труда при обслуживании и ремонте ПДВС. Следовательно, необходимо обеспечить надежную работу ПДВС даже при нарушении номинальных параметров технических характеристик или неправильном использовании ПДВС.

Серьезные требования к конструкции двигателей предъявляются с точки зрения ограничения токсичных выделений и величины акустического излучения.

Практика показывает, что резервы их дальнейшего совершенствования далеко не исчерпаны. Многие достижения связаны с использованием микропроцессорной техники для управления системами ПДВС. Это, в свою очередь, обусловило прогресс в организации рабочих процессов и конструкции систем двигателей, рассчитанных на управление микропроцессором: топливоподача и искровое зажигание смеси, фазы газораспределения, управляемые системы впуска и наддува, управляемая интенсивность вихревого движения заряда в цилиндре, нейтрализация отработавших газов и т. п. Продолжаются активные поиски работоспособных конструкций, позволяющих осуществлять управляемое изменение рабочего объема цилиндров, степени сжатия, утилизации теплоты.

Глубокое понимание принципов работы ПДВС, строгая научная обоснованность путей и методов дальнейшего совершенст­вования ПДВС - главные требования к специалисту будущего.

Из всего комплекса проблем выделим главные:

1) улучшение топливной экономичности;

2) совершенствование экологических характеристик ПДВС;

3) повышение надежности ПДВС.

В общем виде основную задачу инженера ближайшего будущего можно было бы сформулировать следующим образом:

разработка экологически чистых энергоустановок, обеспечивающих высокое качество и эффективность выполнения автотракторых работ при минимальном воздействии на окружающую среду, минимальных затратах труда, эксплуатационных материалов и энергии при их производстве и в процессе эксплуатации.

Мобильная энергоустановка считается экологически чистой, если ее создание, функционирование и утилизация не приводят к нарушению стабильности экосистемы «автомобильный транспорт — окружающая среда», т. е. выходу характеристик ее состояния за пределы допуска.

Таким образом, можно сформулировать следующие требования к энергоустановке: безопасность выполнения транспортных услуг, обеспечение транспортного комфорта и сохранности грузов при транспортировке, безвредность воздействия на окружающую среду, сохранение природных (топливно-энергетических, материальных, трудовых) ресурсов. Обязательным остается и требование транспортной эффективности, которому должна соответствовать любая, в том числе и экологически чистая, энергоустановка.

Для энергоустановок мобильных транспортных средств наибольшую значимость имеют высокая удельная мощность, минимальные выбросы оксидов азота, полиароматических углеводородов, допустимый уровень звука и минимальный удельный расход топлива.

Общая цель курса: «Основы теории и расчета ДВС» - это изучение свойств и показателей ДВС, влияние на них регулировок и др. эксплуатационных факторов, влияние режимов работы двигателей на показатели работы мобильных энергетических средств в процессе эксплуатации.

1.2 Роль отечественных и зарубежных ученых в
создании и развитии ДВС

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.

Идея сжигания топлива внутри цилиндра поршневой машины возникла в конце XVIII в.

В 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром был создан первый практически пригодный газовый ДВС. Он работал на светильном газе по 2-х тактному циклу (η = 4…5%).

В 1876 г. немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-х тактный газовый ДВС, который нашел промышленное применение.

В 1889 г. - О.С. Костович в России построил первый бензиновый двигатель с искровым зажиганием. Этот двигатель имел высокие показатели и отличался прогрессивной конструкцией.

В 1897 г. - в Германии немецкий инж. Дизель Р., предложил ДВС с воспламенением от сжатия. Однако вследствие конструктивного несовершенства двигатель не получил широкого распространения и был снят с производства. Усовершенствование этого ДВС на заводе Л. Нобеля в г. Петербурге (ныне завод «Русский дизель») в 1898-99 г. позволило применить в качестве топлива нефть. В результате чего ДВС становится более экономичным тепловым двигателем.

В корпусах завода «Русский дизель» в окрестностях Санкт-Петербурга», недалеко от города Всеволожска, в настоящее время расположился завод «Форд». Территория – 26 га, площадь корпусов 36000 м² расположены три основных цеха: сварочный, окрасочный и сборочный. Сегодня завод способен выпустить 25 тыс. автомобилей в год. Планируется мощность (при дополнительных инвестициях) – 100 тыс. Число сотрудников 400 чел. Производимая модель – «Форд-Фокус», в России должен выпускаться с тремя типами кузова (пятидверный хэтчбек, седан и универсал). Бензиновый двигатель трех вариантов: 1,6; 1,8; 2.0 л.

В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС.

Ценный вклад в развитие бескомпрессорных дизелей внесли разработки Г.В. Тринклера и Я.В. Мамина.

Наряду с развитием двигателестроения развивалась и теория ДВС. Так, профессор МВТУ В.И. Гриневецкий в 1906 г. впервые разработал метод теплового расчета двигателя, развитый и дополненный в последствии в трудах Н.Р. Брилинга, Е.К. Мазина, Б.С. Стечкина, В.Н. Балтинского, Н.С. Ждановского, И.М. Ленина, М.Г. Круглова и др.

Поршневые ДВС, работающие на жидком топливе нефтяного происхождения, явились надежной основой развития машиностроения.

1.3 Классификация автотракторных двигателей

ДВС можно классифицировать по различным признакам (единой классификации нет) [1, 2]

I. По назначению:

а) стационарные - применяются на электростанциях, насосных установках, в с.х. и т.п.;

б) транспортные – устанавливаемые на мобильных машинах: автомобилях, тракторах, судах, самолетах и др.

II. По роду применяемого топлива.

а) легком жидком топливе (бензоле, бензине, керосине, легроине, спирте);

б) тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом масле, дизельном топливе и газойле);

в) газовом топливе (генераторном, природном, пропан-бутановых и др. газах);

г) смешанном топливе (основным топливом является газ, а для пуска используется жидкое топливо);

д) различных топливах – многотопливные (бензине, керосине, диз. топливе).

III. По способу преобразования тепловой энергии в механическую:

а) поршневые – процесс превращения энергии совершается в цилиндре;

б) газотурбинные – процесс сгорания топлива совершается в специальной камере сгорания, а превращение тепловой энергии в механическую происходит на лопатках колеса газовой турбины;

в) комбинированные – сгорает топливо в поршневом двигателе, а превращение тепловой энергии в механическую совершается частично в цилиндре поршневого двигателя, а частично на лопатках колеса газовой турбины (турбопоршневые двигатели и т.п.).

IV. По способу смесеобразования:

а) с внешним смесеобразованием – горючая смесь образуется вне цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную трубу);

б) с внутренним смесеобразованием – рабочая смесь образуется внутри цилиндра двигателя (дизели, двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива в цилиндр).

V. По способу воспламенения рабочей смеси:

а) двигатели с искровым зажиганием – воспламенение рабочей смеси от электрической искры;

б) двигатели с воспламенением от сжатия;

в) двигатели с форкамерно-факельным зажиганием (воспламенение богатой смеси искрой осуществляется в специальной камере малого объема, а основное сгорание обедненной смеси происходит в основной камере);

г) двигатели с воспламенением газового топлива от небольшой порции дизельного топлива, воспламеняющегося от сжатия; – газожидкостный процесс.

VI. По способу осуществления рабочего цикла:

а) 4-х тактные без наддува (впуск воздуха из атмосферы) и с наддувом (впуск свежего заряда под давлением), рабочий цикл совершается за 4 такта, 2-а оборота коленвала;

б) 2-х тактные (без наддува и с наддувом) – рабочий цикл совершается за 1 оборот коленвала.

VII. По способу регулирования нагрузки:

а) двигатели с качественным регулированием – с изменением нагрузки меняется состав смеси путем изменения количества вводимого топлива (дизельные);

б) двигатели с количественным регулированием – с изменением нагрузки состав смеси остается постоянным и меняется только ее количество (карбюраторные);

в) двигатели со смещенным регулированием – когда изменяются количество и качество смеси.

VIII. По конструкции: (большое обилие)

а) поршневые двигатели:

по распроложению цилиндра:

– рядные вертикальные;

– рядные горизонтальные;

– V– образные;

– звездообразные (веерообразные);

– противолежащими цилиндрами – оппозитные;

по расположению поршней:

– однопоршневые (в каждом цилиндре один поршень и одна рабочая полость);

– с противоположно движущимися поршнями (рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном цилиндре);

– двойного действия (рабочие полости по обе стороны поршня);

б) роторно-поршневые двигатели:

– ротор (поршень) совершает планетарное движение в корпусе (наибольшее применение);

– поршень неподвижен, а корпус совершает планетарное движение;

– ротор и поршень совершают вращательное движение – бироторные двигатели;

с) с вращающимся цилиндром и неподвижной кулачковой шайбой. В основу конструкции двигателя, работающего по циклу Кристиансена (циклу К), заложена идея повышения эффективности работы за счет увеличения степени расширения газов. В двигателе  обычным количеством воздуха этого сделать невозможно, не изменяя степень сжатия.

У двигателя цикла «К»  коленчатого вала нет, а имеется общий для всех цилиндров кулачковый шайба (барабан). Профиль кулачка подобран с таким расчетом, чтобы обеспечить различный ход поршня при разных тактах (рабочий ход и ход выпуска могут быть в 3 раза длиннее ходов впуска и сжатия смеси), тем самым используется большая часть энергии расширяющихся газов.

IX. По способу охлаждения:

а) жидкостное;

б) воздушное.

1.4 Термодинамические процессы.

Теория ДВС базируется на законах теплотехники и термодинамики; теоретической механики и ТММ; сопротивлении материалов и деталей машин. В связи с этим необходимо рассмотреть основные зависимости термодинамических процессов.

Состояние рабочего тела характеризуется следующими параметрами: P, v и T.

где  P – давление

(1 бар = 10⁵  = 10 = 1,02 ; 1Па = ; 1МПа = 10⁶ );

v – удельный объем, ; (V – абсолютный объем, м³);

T – абсолютная температура, град.

Характеристическое уравнение Клайперона-Менделеева

P v = R T,

где R – газовая постоянная (;  )

1.4.1 Изохорный процесс

V – сonst – (постоянная). P, T – Var (варьирующие, переменные).

Рассмотрим состояние газа в координатах P-V.

Рисунок 1.1 – Изохорный процесс

Характеристическое уравнение Клайперона-Менделеева P·v = R·T:

В массовом выражении, для m, кг газа

P·v·m = m·R·T;        P·V = m·R·T.

В мольном выражении, для µ, кмоль газа [молекулярная масса],

P·v·µ = µ·R·T;      P·Vµ = R·µ·T,

где Vµ  – объем кмоль газа, ;

[килограмм-моль, или кмоль – это количество газа (масса которого в кг) численно равная его молекулярной массе]

Rµ – универсальная газовая постоянная – величина постоянная для любого газа,

Rµ = µ·R = 8315 ;

µ – молекулярная масса газа, .

Тогда для точки «1» – P₁V₁ = RT₁;

           для точки «2» – P₂V₂ = RT₂

т.к. v₁ = v₂ и рабочее тело постоянно, т.е. R= const, тогда

 _, или  ,    т.е.

Рассмотрим,  на что расходуется тепло.

Общее количество теплоты

Q = mC_v (T₂ – T₁), кДж.

– где С_v – теплоемкость газа, .

Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо для нагревания на 1⁰ единицы количества газа.

Различают теплоемкости:

– мольную – ;

– массовую – ;

– объемную – .

Для расчетов рабочих процессов двигателей обычно пользуются средними мольными теплоемкостями:

– при постоянном объеме    С_v                        

– при постоянном давлении С_p

         С_р – С_v =  = R, .           С_р = С_v + R 

      или µС_p – µC_v = 8,315 .

Отношение  – показатель процесса.

Для 2-атомного газа (воздух) – к =1,41

Для 3-, многоатомного газа – к = 1,29

Для рассматриваемого процесса на основании I закона термодинамики (I закон термодинамики - теплота сообщаемая рабочему телу (системе), расходуется на приращение его (ее) внутренней энергии и на совершение работы):

в абсолютном выражении         для G кг газа:      Q = ∆U + L,

в относительном выражении, для 1 кг газа:          q = ∆u + l

[q_v = c_v (T₂ – T₁) + l – количество подведенного тепла расходуется на увеличение внутренней энергии газа и совершения работы, т.е.

q = ∆u + l ; ∆u = c_v (T₂ – T₁) и l = 0, тогда q_v = c_v (T₂ – T₁), .

все тепло расходуется только на изменение внутренней энергии.

В абсолютном выражении: Q_v = mC_v (T₂ – T₁), кДж.

1.4.2 Изобарный процесс

Для изобарного процесса: P – const,    v, T – var

Рисунок 1.2 – Изохорный процесс

Из характеристики уравнения: P·V=R·T

P₂ V₂ = R T₂        Разделим первое на второе

P₁ V₁ = R T₁        имея в виду P₂ = P₁

          т.е.         .

Удельное количество теплоты:

q_p = c_p (T₂ – T₁),

Общее количество теплоты

Q = m c_p (T₂ – T₁), кДж.

Уравнение I закона термодинамики для процесса P=сonst:

q_p  = ∆u + l = c_v (T₂ – T₁) + P(v₂-v₁),

[P(v₂-v₁) = R(T₂ – T₁)]  

q_p =( c_v + R)( T₂ – T₁) =  c_p (T₂ – T₁).

Общее количество теплоты:

Q_p = m[c_v(T₂ – T₁)+ P(v₂ –v₁)] = mC_p (T₂ – T₁).

1.4.3 Изотермический процесс

Для изотермического процесса:

Т = const,            P,v = Var

Рисунок 1.3 – Изотермический процесс

Этот процесс можно осуществить, если имеется достаточно большой емкости источник теплоты данной температуры. При этом обеспечивается непрерывный подвод теплоты к телу в течение всего процесса при неизменной (постоянной) температуре.

Из характеристического уравнения - PV = RT имеем:

P₂V₂ = P₁V₁,   PV = const, 

1 – 2 изотерма расширения (dq>0)

1 – 2^/   изотерма сжатия  (dq<0)

т.к. Т = const,  то ∆U = 0

q_Т = l – вся подводимая теплота затрачивается на совершение работы.

Удельная работа при изотермическом расширении 1-2

_,

Полная работа

,

где .

1.4.4 Адиабатный процесс

Процесс – без теплообмена рабочего тела с внешней средой.

При адиабатном изменении состояния газа предполагается, что рабочее тело заключено в теплоизолирующую (адиабатную) оболочку, т.е. отсутствует подвод и отвод тепла.

P₁ ,V₁ ,T – var,            dq=0

Рисунок 1.4 – Адиабатный процесс

Уравнение адиабатного процесса

Pv^k = const,      соотношение между   (P, v).

Из характеристического  уравнения          P₁V₁  = RT₁

                                                                                                             P₂V₂  = RT₂

Pv = RT;

  приравниваем правые части

,   соотношение между (T, v)

       

,                соотношение между (TP).

Удельная работа адиабатического процесса

т.к. q = 0    ∆u = - l

l = C_v (T₁ - T₂);   c_P - c_v = R, разделим на c_v

,                

Выразим l через соотношение объемов V

подставим в l

Полная работа

1.4.5 Политропный процесс

В политропном процессе все параметры газа (P,v,T и ∆u) являются переменными и одновременно происходит теплообмен между телом и внешней средой. Доли теплоты, расходуются на: изменение внутренней энергии (φ=); на совершение работы (1-φ=), остаются неизменными в течении всего процесса.

Уравнение политропы имеет вид (по аналогии с адиабатным):

(P,v,T, ∆u = Var)  Pvⁿ = const

        [P,v]

где n – показатель политропы.

Из характеристического уравнения: PV = RT

    или   

;         Tv^n-1 = const           [T,V]

Из уравнения определяем   и сравниваем их

                  

,         или                 

Работа политропного процесса

     или    

Политропный процесс – это обобщенный процесс.

Рисунок 1.5 – Политропный процесс

А.       n=0; - изобарный процесс;

Б.       n= ∞;  - изохорный процесс;

В.       n=k;  - адиабатный процесс;

Г.       n=1  - изотермический процесс.

1.5 Основные показатели теплоиспользования циклов

Циклом называется совокупность процессов, происходящих в определенной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в начальное состояние.

Критерием для оценки теплового цикла служит термический кпд, представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу, к количеству подведенной теплоты

,

где Q₁ – количество теплоты, подведенное к рабочему телу от постороннего источника, кДж;

     Q_{2 –} количество теплоты, отведенное от рабочего тела холодному источнику, кДж.

Термический кпд всегда меньше 1, т.к. Q₂  > 0. Эта неизбежная потеря в условиях реального кругового процесса часто весьма велика и составляет 50…75% от подводимой в цикле теплоты (Q₁).

Удельная работа цикла – отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу к рабочему объему двигателя , т.е. удельная работа цикла численно равна среднему постоянному давлению за цикл.

.

1.6 Адиабатно-изотермический цикл (цикл С. Карно)

Самым экономическим циклом, являющимся эталоном для сравнения, с наиболее полным превращением теплоты в работу является цикл Карно [французский инженер Сади Карно - 1824]. Однако двигатель, работающий по этому циклу, на практике не осуществим из-за бесконечно медленных процессов изотермического сжатия и расширения. Как имеющий по сравнению с другими известными циклами наибольший термический КПД, он служит эталоном для их сравнения и показывает степень совершенства реальных тепловых двигателей.

Рисунок 1.6 – Цикл С.Карно

Линии:

1-2 – изотермическое расширение;

2-3 – адиабатное расширение;

3-4 – изотермическое сжатие;

4-1 – адиабатическое сжатие.

Для осуществления цикла Карно система тел должна иметь два источника (тепловых):

– источник высокой температуры, от которого рабочее тело получает тепло Q₁ ;

– источник более низкой температуры, которому отдается тепло Q₂.

        или

Так как за цикл внутренняя энергия рабочего тела не изменяется, то полезная работа цикла совершается за счет расхода тепловой энергии источника с высокой температурой.

Причем, часть теплоты Q2  неизбежно отводится холодильнику.

Вывод ():

;

;

;

;

.

Рассмотрим адиабаты расширения и сжатия:

Для адиабаты 2-3:   

Для адиабаты 4-1:   

,       следовательно

,      или               

Тогда

;

.

Вывод:

1.  – всегда меньше 1, т.к. не может быть  или Т₂ = 0.
2.  возрастает с повышением Т₁ и с уменьшением Т_2.
3. При Т₁ = Т₂, =0, т.е. невозможно превратить теплоту в работу при отсутствии температурного перепада между двумя тепловыми источниками.

Например:

ГЕСИОД - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Если для ДВС: Т₁ = 2500⁰К; T₂ = 300⁰K, то  

В таком цикле Р_max = 10000 кг/см² ,   ε = 1500;

Цикл Карно осуществить практически невозможно, т.к. двигатель имел бы весьма значительные размеры из-за очень высоких давлений. При этом имели бы место большие потери на трение.

Цикл Карно дает возможность судить о степени совершенства сравниваемых циклов и положен в основу II закона термодинамики – полный переход теплоты в работу невозможен.

II закон термодинамики (имеет много формулировок):

В круговом процессе подводимая теплота (q₁) не может быть полностью превращена в работу, часть этой теплоты (q₂) отводится в холодный источник.