Шпоры на ГОССы / Автомобильные двигатели

1. Замкнутые теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания. Особенности (допущения) замкнутых теоретических циклов. Виды замкнутых теоретических циклов и их диаграммы состояния.

Процессы, происходящие в двигателях внутреннего сгорания, анализируют при помощи теоретических и действительных циклов.

В теоретическом цикле в отличие от действительного отсутствуют потери теплоты, за исключением неизбежной ее отдачи холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.

Замкнутые теоретические (термодинамические) циклы осуществляются в воображаемой тепловой машине при соблюдении следующих допущений:

1. Цикл является замкнутым (обратимым) и протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого принимают идеальный газ.

2. Процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника, а процесс выпуска отработавших газов заменен мгновенным отводом теплоты в холодный источник.

3. Процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. принимаются адиабатными.

4. Теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла считается постоянной, не зависящей от температуры.

Рис. 1.1

Для анализа процессов поршневых ДВС используют следующие термодинамические циклы:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 1.1, а) является прототипом действительного цикла двигателей с искровым зажиганием;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (характерен для работы тихоходных компрессорных дизелей электростанций, судовых установок) (рис. 1.1, б);

3) цикл со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и постоянном давлении (рис. 1.1, в),служит прототипом действительного цикла дизельного двигателя. Циклы с подводом теплоты при V = const и р = const являются частными случаями цикла со смешанным подводом теплоты.

В цилиндре идеализированного двигателя имеется рабочее тело с начальными параметрами р_а, Т_а. При перемещении поршня от н.м.т. до в.м.т. происходит адиабатное сжатие рабочего тела по кривой ас. На участке cz' (cz для рис. а) ) рабочему телу подводится теплота от горячего источника при постоянном объеме, на участке z'z – при постоянном давлении. Затем происходит адиабатное расширение газа с совершением механической работы (кривая zb) и отвод теплоты (Q₂ холодному источнику при постоянном объеме (линия bа).

Каждый теоретический цикл характеризуется двумя основными показателями: теплоиспользованием, которое определяется термическим коэффициентом полезного действия, и работоспособностью, которая определяется удельной работой цикла.

Термическим КПД называется отношение количества теплоты, превращенной в полезную механическую работу, к общему количеству теплоты, подведенной к рабочему телу:

η_t = (Q₁- Q₂)/Q₁= 1-Q₂/Q₁

где Q₁ — количество теплоты, подведенное к рабочему телу от постороннего источника; Q₂ — количество теплоты, отведенное от рабочего тела холодному источнику.

Удельной работой цикла называется отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу L_t, к рабочему объему V_h и выражается в Дж/м³:

P_t = L_t / V_h ; L_t = Q₁ η_t

Удельная работа цикла (Дж/м³=Нм/м³=Н/м²) численно равна среднему постоянному за цикл давлению (Па=Н/м²).

Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет сделать следующие выводы:

1. Экономичность цикла (теплоиспользование) повышается с увеличением показателя адиабаты сжатия и расширения k (зависит от свойств рабочего тела) и степени сжатия ε. На работоспособность цикла кроме k и ε оказывает влияние величина начального давления p_а.

2. По циклу с подводом теплоты при постоянном объеме целесообразно осуществлять рабочий процесс реального двигателя со степенями сжатия, не превышающими ε = 11 – 12. Дальнейшее повышение степени сжатия дает увеличение удельной работы и к.п.д. цикла, но незначительно, а также возникает необходимость в применении топлив с высокими антидетонационными свойствами.

3. При одинаковых начальных условиях и одинаковом количестве подведенной теплоты значения термического к.п.д. и среднего давления цикла со смешанным подводом теплоты всегда меньше соответствующих значений цикла с подводом теплоты при постоянном объеме. В цикле со смешанным подводом теплоты при увеличении доли теплоты, подводимой при V = const, и при уменьшении доли теплоты, подводимой при р = const, повышаются значения термического к.п.д. и среднего давления цикла.

4. Цикл со смешанным подводом теплоты целесообразно применять при значительных степенях сжатия (больше 12) и с возможно большими значениями степени повышения давления. По данному циклу работают все быстроходные автомобильные и тракторные дизели без наддува. КПД цикла со смешанным подводом теплоты может превышать КПД двигателей с искровым зажиганием (цикл при V = const) за счет возможного использования более высоких значений степени сжатия.

Теоретические циклы двигателей с наддувом. Повышение давления в начале сжатия (см. точки а на рис. 2.1) с целью увеличения удельной работы (среднего давления) цикла называется наддувом. В автомобильных и тракторных двигателях наддув осуществляют за счет предварительного сжатия воздуха или топливовоздушной смеси в компрессоре. Привод компрессора может быть механическим, непосредственно от вала двигателя, или газовым, от газовой турбины, работающей за счет энергии выпускных газов поршневого двигателя.

Кроме того, повышение давления в начале сжатия возможно получить за счет использования скоростного напора, инерционных и волновых явлений во впускной системе двигателя, т. е. за счет так называемого инерционного наддува.

При газотурбинном наддуве получается комбинированный двигатель, состоящий из поршневой части, газовой турбины и компрессора.

В автомобильных и тракторных двигателях чаще применяют турбокомпрессоры с постоянным давлением газов перед турбиной. Прототипами рабочего процесса комбинированных двигателей являются теоретические циклы (рис. 1.2).

Цикл с постоянным давлением перед турбиной acz'zba осуществляется в поршневой части двигателя, а цикл afgla – в турбокомпрессоре. Теплота Q_T, отводимая при V = const в цикле поршневой части двигателя (линия bа), подводится при постоянном давлении в турбокомпрессорном цикле (линия аf). Далее в газовой турбине осуществляется продолженное расширение по адиабате (кривая fg), отвод теплоты Q₂ при постоянном давлении (линия gl) и адиабатическое сжатие в компрессоре (линия la).

Рис. 1.2

Теоретический цикл с продолженным расширением и переменным давлением газов перед турбиной acz'zbfgla (см. Рис. 1.2).При этом часть цикла acz'zb, осуществляется в поршневой части, а часть цикла bfgla – в лопаточных машинах. Продолженное расширение осуществляется в газовой турбине по адиабате (bfg), отвод теплоты при р=const на участке gl и предварительное сжатие по адиабате la в воздушном компрессоре.

В этом цикле, за счет дополнительного использования кинетической энергии отработавших газов, значительно возрастает его КПД до 70 – 75%. Несколько возрастает и абсолютное значение работы цикла.. Реальное использование данного термического цикла связано с решением ряда конструктивных трудностей.

Содержание