ЛЕКЦИЯ 11 Тема: РЕАЛЬНЫЕ И ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

3 Теоретические циклы двс

Цель лекции: На основе рассмотрения теоретических циклов определить пути улучшения использования тепла в двс.

2.1 Общие сведения

В реальном ДВС преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую сопровождается комплексом сложных физико-химических и термодинамических процессов. Совокупность процессов периодически повторяющихся в полости цилиндра и составляют цикл двс.

Действительный цикл, состоящий из реальных, сложно протекающих процессов, очень трудно анализировать при помощи обычных термодинамических соотношений. Поэтому, чтобы оценить степень совершенства процессов, происходящих в двс и определить пути для улучшения использования тепла, принято действительные циклы сравнивать с теоретическими.

Замкнутые теоретические циклы в отличие от действительных процессов, происходящих в цилиндре двигателей, характеризуются следующими допущениями:

2. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, т. е. без теплообмена с окружающей средой, с одинаковыми и постоянными показателями адиабат.

3. Состав и теплоемкость рабочего тела остается постоянным.

4. Подвод теплоты производится от постороннего источника только при постоянном объеме и постоянном давлении.

5. Отсутствуют какие-либо потери теплоты (в т. ч. на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику.

Практическое значение для поршневых двс имеют пять теоретических циклов:

1. Цикл с подводом теплоты при V=const, что примерно соответствует карбюраторному двигателю.

2. Цикл с подводом теплоты при P=const, что примерно соответствует компрессорному дизелю.

3. Цикл со смешанным подводом теплоты, что примерно соответствует дизелю без наддува.

4. Теоретический смешанный продолженный цикл с переменным давлением газов перед газовой турбиной.

5. Теоретический смешанный продолженный цикл с постоянным давлением газов перед газовой турбиной.

Что касается цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат, то он не может быть практически применим, т. к. получается незначительная мощность при очень высоких температурах и давлениях в цилиндре.

Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить три задачи:

2. Провести сравнение различных теоретических циклов с точки зрения лучшей экономичности.

3.  Получить числовые значения ηt и Pt, которые могут являться критериями для оценки степени совершенства реальных двигателей.

Цикл со смешанным подводом теплоты является обобщающим, и мы начнём рассмотрение его:

2.2 Цикл со смешанным подводом теплоты

Цикл Тринклера – Сабате (Тринклер – российский ученый-теплотехник, Сабате – французский ученый). По такому циклу работают двигатели с воспламенением топлива от теплоты сжатия и его впрыском непосредственно в цилиндр.

Реализация цикла возможна в относительно малом диапазоне частот вращения вала, обычно от 600 до 2500 об/мин и в редком случае до 3200 об/мин.

Ограничение максимальной частоты вращения объясняется трудностью организации смесеобразования топлива с воздухом за очень малый промежуток времени.

Рисунок 2.1 – Цикл со смешанным подводом теплоты

ac – адиабата сжатия;

сz/ – подвод тепла при v = const (изохорный);

z/z – подвод тепла при p = const (изобарный);

zb – адиабата расширения;

ba – отвод теплоты при v=const (изохорный).

Vn – обьём, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ (рабочий объем цилиндра двигателя)

где D – диаметр цилиндра, дм;

S – ход поршня, дм;

Vc – объём камеры сгорания, л;

Va – полный объём цилиндра двигателя, л.

Относительными показателями цикла являются:

 – степень повышения давления (т.к. Рz=Pz’)

 – степень предварительного расширения (т.к. Vc=Vz′)

 – степень последующего расширения;

 – показатель адиабаты;

   – степень сжатия;

;                        

;                  

Часть теплоты подводится при V=constàQ1’, а часть при P=constàQ1’’.

2.2.1 Термический КПД смешанного цикла

;

здесь (введем искусственный прием записи): 

;

 – адиабата расширения;

 – степень повышения давления;

 – адиабата сжатия

Подставим в Q2

;          

à вынесем

изохорный                   

где:  – степень повышения давления (изохора);

 – степень предварительного расширения (изобара).

;      

 – адиабата сжатия

2.2.2 Среднее давление смешанного цикла

            т. к.       

,  вывод см. выше

Учитывая, что:      ;     ;   

Подставим в , будем иметь

здесь

Вывод:

1.  – смешанного цикла повышается с увеличением значений  (степень сжатия) и  (степень повышения давления), и с уменьшением  (степень предварительного расширения).

2. Цикл со смешанным подводом тепла целесообразно применять при значениях степени сжатия  и с возможно большими значениями λ (степень повышения давления).

3. Циклы с подводом теплоты при V=const и P=const являются частными случаями смешанного цикла. Поэтому рассмотрим частные случаи.

2.3 Цикл с подводом теплоты при V=const

Цикл Н. Отто – немецкий инженер и предприниматель. В реальном поршневом двигателе это означает, сто сгорание топлива происходит вблизи ВМТ.

Такой процесс характерен для двигателей с принудительным воспламенением  смеси (искровым зажиганием) – карбюраторный или с впрыском топлива, дозирование которого осуществляется электронными, механическими или пневмомеханическими устройствами.

Двигатели могут иметь широкий диапазон  частот вращения вала – в реальной практике в основном от 2500 до 7000 об/мин. Цикл легко реализуется при малых n, об/мин с нижней границей 50…100 об/мин.

Рисунок 2.1 – Цикл со подводом теплоты при V=const

Для этого цикла:

           и             ;

 – степень предварительного расширения.

Подставляя в формулу смешанного цикла  и  Pt имеем:

Анализ зависимостей:

 – зависит только от  и показателя адиабаты сжатия и расширения k.

Рисунок 2.2 – Зависимость термического КПД от степени сжатия

K=1,4 – двухатомный газ (воздух);

K=1,35 – смесь воздуха и продуктов сгорания;

K=1,30 – смесь двух и трёхатомных газов.

Величина Pt дополнительно зависит от начального давления Pa и степени повышения давления λ.

Примерная зависимость.

Рисунок 2.3 – Зависимость Pt от степени повышения давления

Учитывая, что теплота сгорания бензовоздушной смеси, при α=1, не превышает , максимально Pt не может быть выше 2,1 МПа: при ε = 20 и λ = 4,5; а при ε = 8 и λ = 6: Pt ≤ 1,85 МПа.

Для повышения Pt нужно иметь топливо с более высокой теплотой сгорания и детонационной стойкостью.

Вывод:

1. Минимальные потери теплоты получаются при использовании в качестве рабочего тела – воздуха. При использовании топливовоздушной смеси потери теплоты повышаются.

2. По данному циклу целесообразнее осуществлять рабочий процесс с ε ≤ 11…12. Дальнейшее повышение ε приводит к незначительному увеличению  и Pt, однако существенно повышаются механические нагрузки на двигатель.

2.4 Цикл с подводом теплоты при P=const

Цикл Р. Дизель – немецкий конструктор и фабрикант.

Рисунок 2.4 – Цикл с подводом теплоты при P=const

Чтобы осуществить данный процесс в реальном двигателе, воспламенение топлива должно быть от теплоты сжатия, а впрыск топлива производится в потоке предварительно сжатого дополнительным компрессором воздуха. Такие двигатели получили название компрессорные дизели. Частота вращения вала двигателя относительно мала 600…1200 об/мин.

Для этого цикла:    ;            ;

 – степень повышения давления

Подставляя в формулы смешанного цикла и Pt имеем:

Выводы по циклу при P=const.

1. Значения  и Pt цикла с подводом теплоты при P=const значительно ниже соответствующих значений при V=const, т. к. множитель  (всегда больше единицы)

2. Уменьшение k от K=1,4 до k=1,3 влечёт за собой значительное уменьшение  и Pt.

3. Использование цикла в реальных двигателях целесообразно только при значительных ε.

Данный цикл не используется в современных автотракторных двигателях.

Выводы по циклам:

На основании трёх рассмотренных теоретических циклов можно заключить:

1. При одинаковых начальных условиях:

(и Pt) P=const < (и Pt) смеш. < (и Pt) V=const

2. Величина Pt пропорциональна (для всех циклов) давлению в начале сжатия – Pa.

Повышение давления в начале сжатия (Pa), точка «a» с целью увеличения удельной работы цикла называется наддувом.

Повышение давления в начале сжатия можно получить за счет использования скоростного напора, инерционных и волновых явлений, т.е. за счет так называемого инерционного наддува (Д-240).

2.5 Теоретический смешанный продолженный цикл
с переменным давлением газов перед газовой турбиной

Рисунок 2.4 – Смешанный продолженный цикл с переменным давлением газов перед газовой турбиной

оа – адиабатное сжатие воздуха в нагнетателе;

ас – сжатие в цилиндре двигателя;

cz’z – смешанный подвод теплоты;

zb – адиабатное расширение газов в цилиндре двигателя;

bf – продолженное расширение газов цилиндра двигателя в выпускном трубопроводе и на лопатках турбины;

fo – отвод тепла при P=const от компрессора;

b – открытие выпускного клапана;

а – открытие впускного клапана.

На практике осуществить этот процесс трудно, т. к. у нас не один цилиндр. Для адиабатного расширения нужно каждый раз подключать компрессор к выпускному патрубку.

Для этого цикла имеем:

2.5.1 Термический КПД этого цикла

;

;

где

ε – степень сжатия в двигателе;

εк – степень сжатия в компрессоре.

Вывод:

При одной и той же величине степени сжатия ε основного двигателя  цикла с продолженным расширением газов выше, чем для смешенного цикла без продолженного расширения газов, т. к. числитель продолженного цикла меньше, чем числитель смешанного цикла (не продолженного).

2.5.2 Среднее давление цикла

;

,    ;

;         ;

;

.

Следовательно, в этом цикле Pt будет выше по сравнению с другими циклами. (ε0  > ε).

Однако на практике цикл с продолженным расширением осуществить нельзя, т. к. каждый цилиндр должен отдельно подключаться к выпускному патрубку. Легче если выхлопные газы направлять в выпускной патрубок, общий для всех цилиндров, а затем на газовую турбину компрессора.

2.6 Теоретический смешанный продолженный цикл с
постоянным давлением газов перед газовой турбиной

Рисунок 2.4 – Смешанный продолженный цикл с постоянным давлением газов перед газовой турбиной

ad – изобарный подвод теплоты в турбокомпрессор;

df – адиабатное расширение в газовой турбине;

fo – изобарный отвод теплоты;

оа – адиабатное сжатие в компрессоре.

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

Цикл acz’zba – осуществляется в поршневой части;

цикл adfoa – осуществляется в турбокомпрессоре.

2.6.1 Термический КПД

;

;       ;      ;

где QТ – отвод тепла от двигателя к компрессору;

 – термический КПД компрессора.

;

где  – термический КПД самого двигателя со смешанным подводом теплоты

,      тогда

,

 – термический КПД компрессора

т. к. ε0 = ε  εк имеем:

Частный случай:

б) λ=1 (изобарный процесс), то

Вывод: тепло использованное в цикле с продолженным расширением и использованием кинетической энергии выпускных газов будет выше, чем для цикла, не использующего непосредственно кинетической энергии газов. Эти циклы более экономичные.

2.6.2 Среднее давление продолженного цикла с постоянным давлением газов перед газовой турбиной

,

 – определенно для цикла с продолженным расширением газов перед газовой турбиной

;       ;      ;

;

;

Pt – для цикла с подводом теплоты при постоянном давлении газов перед газовой турбиной больше, чем при смешанном подводе тепла без газовой турбины.

Вывод по теоретическим циклам:

Любой цикл продолженный более выгодный любого другого цикла. Поэтому использование наддувов выгодно. Однако при работе двс на частичных режимах работа с турбонаддувом бывает даже вредной. Регулирование режимов возможно только с использованием бортовых ЭВМ.

Источник: https://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/2072-traktory-i-avtomobili/40351-3-teoreticheskie-cikly-dvs.html

Лекция 11 тема: реальные и идеальные циклы двс

План лекции:

1. Диаграмма фаз газораспределения реальных ДВС.

2.Реальные рабочие циклы ДВС.

3.Идеальные циклы ДВС и их эффективность.

1. Диаграмма фаз газораспределения реальных ДВС

В реальных ДВС для улучшения наполнения цилиндров горючей смесью или воздухом и лучшей очистки их от отработавших газов клапана открываются и закрываются не в моменты нахождения поршней в мёртвых точках, а с некоторым опережением при открытии и некотором опоздании при закрытии.

Графическое изображение времени открытого и закрытого состояния клапанов в функции от угла поворота коленчатого вала называется диаграммой газораспределения.

Диаграмма газораспределения ДВС

Рис. 1

Как видно из диаграммы в двигателях имеются, периоды, в течении которых впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Такие периоды называются перекрытием клапанов.

При перекрытии клапанов происходит подсасывание в цилиндр горючей смеси или воздуха и отсасывание из него отработанных газов за счёт большой инерции потоков свежей горючей смеси и отработанных газов.

Следовательно действительные рабочие процессы далеко не точно совпадают с тактами двигателей.

2. Реальные рабочие циклы ДВС

Пользуясь индикаторными диаграммами, рассмотрим последовательность процессов в ДВС.

2.1. Рабочий цикл 4-х тактного карбюраторного ДВС.

Процесс впуска (линия 2. – а -2)

Впускной клапан открывается при движении поршня от НМТ к ВМТ (точка 1), чтобы получить к моменту прихода в ВМТ большее проходное сечение у клапана. Впуск горючей смеси в цилиндр осуществляется за два периода. В первый период смесь поступает при перемещении поршня от ВМТ к НМТ вследствие разрежения создающегося в цилиндре (линия r – a).

Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ в течении некоторого времени, соответствующего 40°- 70° поворота коленчатого вала, за счёт созданной перед этим разности давлений (ро – ра) и скоростного напора смеси (линия а – 2). Впуск горючей смеси заканчивается в момент закрытия клапана (точка 2).

Температура смеси в конце впуска повышается до 340 – 350 К вследствие теплообмена с элементами конструкций и смешения с остатками продуктов сгорания, имеющими температуру 900 – 1100 К.

Процесс сжатия (линия 2 – 3)

Сжатие рабочей смеси происходит при закрытых клапанах и перемещении поршня к ВМТ. Вначале сжатия температура стенок выше температуры смеси и тепло передаётся от стенок к смеси. В процессе сжатия температура смеси увеличивается, становится больше температуры стенок и тепло передаётся от смеси к стенкам.

Индикаторные диаграммы ДВС.

а) карбюраторный б) дизельный в) двухтактный ДВС

4-х тактный ДВС 4-х двухтактный ДВС

1 – момент открытия впускного клапана (продувочного канала); 2 – момент закрытия впускного клапана (продувочного канала); 3 – момент воспламенения; 4 – момент открытия выпускного клапана (выпускного канала); 5 – момент закрытия выпускного клапана (выпускного канала); 6 – момент открытия впускного канала в 2-х тактном ДВС;

7 – момент закрытия впускного канала в 2-х тактном ДВС.

Рис. 2.

Процесс сжатия заканчивается в момент воспламенения смеси (точка 3). Давление рабочей смеси в конце сжатия , а температура . Процесс горения (линия ).

Горение рабочей смеси начинается раньше прихода поршня в ВМТ (точка 3), от электрической искры пробивающей разрядный промежуток свечи зажигания.

После воспламенения фронт пламени распространяется от свечи по всему объёму со скоростью . За время горения коленчатый вал успевает повернуться на .

При горении рабочей смеси выделяется большое количество тепла, давление и температура резко увеличиваются. В конце горения давление достигает , а температура .

Процесс расширения (линия z-4).

В процессе расширения газы совершают полезную работу и отдают тепло стенкам цилиндра и головке поршня. Процесс расширения заканчивается в момент открытия выпускного клапана (точка 4), давление к этому моменту падает до , а температура до .

Процесс выпуска (линия 4-с-r-5).

За 40 – 60° до прихода поршня в НМТ ) (точка 4) открывается выпускной клапан. Выпуск газов из цилиндра осуществляется за три периода.

В первый период выпуск газа происходит при движении поршня к НМТ за счёт высокого давления продуктов сгорания (линия 4 -С). В этот период из цилиндра удаляется около 60% продуктов сгорания, скорость движения которых в клапанной щели достигает .

Во второй период выпуск газов осуществляется при движении поршня от НМТ к ВМТ (линия С -r ) при давлении , а температура . В этот период удаляется ещё до 35% продуктов сгорания.

2.2. Рабочий цикл четырёхтактного дизельного ДВС.

Рабочий цикл 4-х тактного дизельного ДВС отличается от карбюраторного способом образования и воспламенения горючей смеси. Цикл состоит их тех же процессов, однако значения давлений и температур в характерных точках имеют другие значения.

Процесс впуска (линия z-а-2).

Процесс впуска аналогичен ранее рассматриваемому. Давление впуска . Температура воздуха в процессе впуска повышается до .

Процесс сжатия (линия 2 – 3).

Процесс сжатия аналогичен ранее рассмотренному. Давление в конце сжатия , температура .

Процесс горения (линия 3-z).

Процесс горения топлива начинается с момента подачи топлива в цилиндр (точка 3), т.е. за 15…30° до прихода поршня в ВМТ. В этот момент температура сжатого воздуха на 150…200° выше температуры самовоспламенения.

Топливо, поступившее в мелкораспыленном состоянии в цилиндр воспламеняется не мгновенно, а с задержкой в течении некоторого времени (0,001…0,003), называется периодом задержки воспламенения. В этот период топливо смешивается с воздухом, прогревается и испаряется, т.е. образуется рабочая смесь.

Подготовленное топливо воспламеняется и сгорает. Как видно из диаграмм изменение давления в цилиндре в период горения отличается у карбюраторных и дизельных двигателей.

В конце горения у дизельного двигателя давление , а температура . Процесс расширения (линия z-4).

Процесс расширения аналогичен ранее рассмотренному. Давление в конце расширения , а температура .

Процесс выпуска (линия 4-С-r5).

Процесс выпуска аналогичен ранее рассмотренному. Давление в процессе выпуска такое же, как в карбюраторном, а температура .

2.3. Рабочий цикл двухтактных ДВС.

Рабочий цикл двухтактных ДВС совершается за два такта (хода поршня), или за один поворот коленчатого вала и включает процессы: сжатие, горение, расширение, выпуск и впуск.

Процессы сжатия (линия 2-3), горения (линия 3-z) и расширения (линия z-4) аналогичны ранее описанным при рассмотрении 4-х тактного двигателя.

Процесс выпуска (линия 4-1-а-5).

Процесс впуска (линия 1-а-5).

Процесс впуска начинается в момент открытия продувочного канала (точка 1) за 50- 55° до прихода поршня в НМТ. Горючая смесь ранее поступившая и сжатая в кривошипной камере поступает в цилиццр и вытесняет оставшиеся продукты сгорания.

Период, в течении которого одновременно происходит процесс выпуска и процесс впуска (линия 1-а-2 ) носит название – продувка.

3. Идеальные циклы ДВС и их эффективность

Для теоретического анализа эффективности циклов ДВС и определения направлений влияние на конструктивные параметры с целью повышения экономичности необходимо получить аналитические выражения для КПД двигателей. С этой целью действительные процессы аппроксимируют наиболее подходящими известными термодинамическими процессами.

Процессы впуска и выпуска в первом приближении могут рассматриваться как протекающие при постоянном давлении и компенсирующие работу один другого.

Процессы сжатия в карбюраторном и дизельном двигателях в первом приближении могут рассматриваться как адиабатические.

Процессы горения в карбюраторном двигателе могут рассматриваться как изохорный подвод тепла, в дизельном как комбинированный – частично изохорный, частично изобарный.

Процессы расширения могут рассматриваться как адиабатические.

Процессы выпуска при открытии выпускник отверстий в первом приближении может рассматриваться как изохорный отвод тепла.

Аппроксимация рабочих процессов ДОС известными обратимыми термодинамическими процессами позволяет построить идеальные циклы ДВС.

Идеальные циклы ДВС

а) карбюраторный ДОС б) дизельный ДОС

Рис. 3

Построенные идеальные циклы позволяют получить зависимости для термических КПД этих циклов.

Карбюраторный ДВС.

Из соотношения параметров в адиабатном процессе можем записать:

(16.1)

Для дизельного двигателя полагая

и проделав аналогичные преобразования, получим

(16.2)

где – степень повышения давления;

– степень предварительного расширения.

Как видно из зависимостей (16.1) и (16.2) КПД ДВС тем выше, чем выше , однако как у карбюраторных, так и дизельных двигателей значение ограничено значениями 6…10 и 16…22 соответственно.

Причиной ограничения у дизельных двигателей являются высокие температуры и давления в цилиндре в конце процесса горения.

Источник: http://kursak.net/lekciya-11-tema-realnye-i-idealnye-cikly-dvs/