Двигатели внутреннего сгорания. Реферат по теплотехнике. Содержание Двигатели внутреннего сгорания. Циклы двухтактного и четырехтактного двигателей

• Название: Содержание Двигатели внутреннего сгорания. Циклы двухтактного и четырехтактного двигателей
• Анкор: Двигатели внутреннего сгорания
• Дата: 19.03.2022
• Размер: 0.62 Mb.
• Имя файла: Реферат по теплотехнике.doc
• Тип: Документы; #403784

Содержание:

1. 
   Двигатели внутреннего сгорания. Циклы двухтактного и четырехтактного двигателей.………………………………………...……3
   
2. 
   Смесеобразование в двигателях с внешним и внутренним смесеобразованием…………………………………………………………7
   
3. 
   Способы повышения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания……………………………………………………………………10
   

Список литературы……………………………………………………………..

1. Двигатели внутреннего сгорания. Циклы двухтактного и четырехтактного двигателей.
Тепловые двигатели предназначены для преобразования теплоты в работу. Необходимая для этого теплота получается при сжигании различных топлив. Если это сжигание производится вне машины (в специальном котлоагрегате, например), то говорят о двигателях с внешним сгоранием. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) сжигание топлива производится непосредственно в рабочем пространстве машины, например в цилиндре поршневого двигателя.

Очень схематично устройство поршневого ДВС показано на рис. 1.


Рис 1 – Схематичное устройства поршневого ДВС.
В рабочем цилиндре 4 с поршнем 5 происходит трансформация теплоты в работу, и поступательное движение поршня превращается во вращательное с помощью кривошипно-шатунного механизма 6. В крышке цилиндра расположена камера сгорания и впускной 1 и выпускной 3 клапаны с принудительным приводом. Там же находится или свеча зажигания (или топливоподающая форсунка) 2.

Рабочий процесс такого двигателя совершается так: при ходе поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) открывается всасывающий клапан и в рабочий цилиндр засасывается или подготовленная горючая смесь (в карбюраторных двигателях), или воздух (в дизельных машинах). При перемене направления движения поршня всасывающий клапан закрывают и происходит сжатие этого рабочего тела. Когда поршень достигнет ВМТ (а точнее – чуть-чуть раньше этого момента) горючую смесь поджигают с помощью сильного электрического разряда, или впрыскивают под очень высоким давлением мелко распыленное дизельное топливо, которое быстро испаряется и самовоспламеняется, поскольку к концу сжатия температура воздуха заметно возрастает. При закрытых клапанах происходит сгорание попавшего в цилиндр топлива, температура и давление продуктов сгорания значительно повышаются, и далее, когда поршень начинает двигаться к НМТ, происходит расширение продуктов сгорания. Процессы сгорания и расширения составляют рабочий ход поршня, когда совершается полезная работа. Когда поршень приходит к НМТ, открывают выпускной клапан и продукты сгорания получают возможность выхода в атмосферу. При движении поршня к ВМТ происходит выталкивание дымовых газов, которое заканчивается, когда при подходе к ВМТ закрывают выпускной клапан, а следом за тем вновь открывают впускной клапан и все повторяется вновь. Так работают четырехтактные двигатели, получившие наибольшее распространение.

У двухтактных машин все процессы совершаются за два хода поршня (за один оборот коленчатого вала). Здесь процессы выталкивания и всасывания заменяются принудительной продувкой цилиндра, занимающей некоторую часть хода поршня (и вниз, и вверх). Другая (большая) часть хода используется для процессов расширения и сжатия рабочего тела.

Отметим, что в течение каждого цикла исходное рабочее тело превращается в дымовые газы и затем они выбрасываются из машины, т.е. индикаторная диаграмма не является идеальным термодинамическим круговым процессом, который мы и называли термодинамическим циклом.

Однако изучение идеальных циклов дает нам возможность оценивать степень их совершенства, перенося полученные выводы на реальные машины.

Чтобы идеализировать реальный цикл, полагают, что:

– рабочее тело в цикле – это идеальный газ с постоянными свойствами;

– цикл замкнут (учитывая, что работы в процессах выталкивания и всасывания практически одинаковы и лишь противоположны по знаку, эти процессы заменяют обратимым изохорным процессом отвода тепла, что делает цикл замкнутым);

– необратимый процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа заменяется обратимым процессом подвода равнозначного количества тепла извне.

Все эти принимаемые допущения, казалось бы весьма далекие от реальной действительности, позволяют тем не менее получить расчетные результаты, весьма хорошо совпадающие с результатами экспериментальных измерений основных характеристик цикла.

На рис. 2 приведены p–v и T–s диаграммы идеализированного цикла дизельного ДВС со смешанным подводом тепла, когда часть его подводится при v = const (мгновенное сгорание первых порций топлива), а другая часть – при p = const, так как последующие порции впрыснутого топлива сгорают по мере их нагревания, разложения и испарения.


Рис. 2 - р–v и T–s диаграммы четырехтактного идеального ДВС
Обычно цикл ДВС задается параметрами начальной точки 1 (p₁, T₁), значениями таких характеристик как степень сжатия ε = v₁/v₂, степень повышения давления λ = р₃/р₂, степень предварительного расширения ρ = v₄/v₃, и показателями политроп сжатия n₁ и расширения n₂. Как правило 1,0 < n₁ < n₂ < k, и значения показателей политроп зависят от интенсивности теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра, которые приходится специально охлаждать, чтобы уменьшить теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы.

2. Смесеобразование в двигателях с внешним и внутренним смесеобразованием
По роду топлива ДВС разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. Образование топливно-воздушной смеси происходит вне цилиндра двигателя - в смесительной камере карбюратора, в специальном смесителе или непосредственно во впускном коллекторе. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.


Рис. 3 – Принципиальная схема простейшего карбюратора
В поплавковой камере помещается латунный поплавок 1, укрепленный шарниром на оси 3, и игольчатый клапан 2, которыми поддерживается постоянный уровень бензина. В смесительной камере расположен диффузор 6, жиклер 4 с распылителем 5 и дроссельная заслонка 7. Жиклер представляет собой пробку с калиброванным отверстием, рассчитанным на протекание определенного количества топлива.

Количество и качество горюющей смеси, а следовательно, мощность и число оборотов двигателя регулируется дроссельной заслонкой и рядом специальных приспособлений, которые предусматриваются в сложных многожиклерных карбюраторах.

В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.

Индикаторная диаграмма представлена на рисунке 4:


Рис. 4 – Индикаторная диаграмма ДВС
Уравнение теплового баланса имеет вид:

Q_i′= Q_e + Q_г + Q_охл + Q_ост

где Q_e – теплота, превращенная в эффективную работу,

Q_г – теплота, унесенная отработавшими газами,

Q_охл – теплота, отведенная охлаждением двигателя,

Q_ост – остаточные, трудноопределимые потери (от химической и механической неполноты сгорания и др.).

3. Способы повышения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания, их эффективность. Классификация.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания можно условно классифицировать:

1. 
   по способу смесеобразования и виду применяемого топлива;
   
2. 
   по способу осуществления рабочего цикла;
   
3. 
   по числу цилиндров и их расположению;
   
4. 
   по способу охлаждения и смазки деталей и т.п.
   

В двигателях внутреннего сгорания могут быть использованы следующие циклы:

а) цикл со смешанным подводом теплоты как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении;

б) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v=const);

в) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р=const).

Во всех перечисленных циклах отвод теплоты в цикле производится при постоянном объеме в силу того, что расширение газа происходит не полностью и степень возможного расширения в двигателе определяется положением поршня в нижней мертвой точке,

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100... 150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. При термодинамическом исследовании рассматривают цикл, состоящий из следующих процессов: a-с — адиабатное сжатие; c-z' -изохорный подвод теплоты; z'-z - изобарный подвод теплоты; z-e-адиабатное расширение; е-а -изохорный отвод теплоты.

Цикл является как бы обобщающим длявсех циклов поршневых ДВС. Цикл со смешанным подводом определяется заданием начального состояния в точке с и параметрами цикла: степеньюсжатия (cтепень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c.Разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра V_h), степенью изохорного повышения давления , степенью предварительного (изобарного) расширения .

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) является частным случаем рассмотренного выше, когда степень изобарного расширения = 1.

По этому циклу работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь до давления 1,0... 1,5 МПа и поджигается в конце сжатия от электрической искры. Идеальный цикл Отто состоит из процессов адиабатного сжатия а-с, подвода к рабочему телу теплоты при v = const - c-z, адиабатного расширения z-eи отдачи рабочим телом теплоты при v =const- е-а.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) является также частным случаем обобщающего цикла при = 1. В двигателях дизеля раздельно сжимается воздух до давления 4,0... 5,0 МПа и смесь топлива с воздухом, сжатым во вспомогательном компрессоре. Подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным.

Идеальный цикл дизеля состоит из двух адиабат сжатия и расширения, изобары подвода теплоты и изохоры отвода теплоты.

Сопоставляя значения термических КПД циклов с подводом теплоты при v=const и p=const, видим, что они различаются множителем



Отсюда следует, что при одинаковых степенях сжатия > .

Термодинамическая эффективность каждого из рассмотренных циклов зависит от конкретных условий его осуществления. Целесообразнее сравнивать циклы при различных степенях сжатия , но при одинаковых максимальных давлениях и температурах и одинаковом отведенном количестве теплоты q₂.


Рис. 5. Сравнение циклов при Рис. 6. Сравнение циклов при

различных степенях сжатия оптимальных степенях сжатия
Из TS-диаграммы (рис. 5) следует, что наибольший термический КПД будет у цикла с подводом теплоты при р = const: > > , КПД смешанного цикла имеет промежуточное значение по сравнению с циклами с подводом теплоты при p=const и v = const.

При оптимальных степенях сжатия (цикл Отто - <10, цикл Дизеля и смешанный - =16 и 22 соответственно) =3,2... 4,2, =1,6 ...2,0, =1,3 ...1,7,

,

что видно из рис. 6. Поэтому все выпускаемые сейчас дизели работают по смешанному циклу.
Список использованных источников
1. Кудинов, В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов. – М.: Высшая школа, 2003. – 261 с.

2. Лариков, Н.Н. Теплотехника/ Н.Н. Лариков. – М.: Стройиздат, 1985. – 432 с.

3. Луканин В.Н. Теплотехника/ под ред. В.Н. Луканин. – М.: «Высшая школа», 2006. – 672 с.