• Циклы двс учебник

     

    ⇐ Предыдущая 1 2 Двигатель, мотор (от лат. motor – приводящий в движение) – устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания. Тепловые двигатели предназначены для преобразования теплоты в работу. Необходимую для этого теплоту получают при сжигании различных топлив. Если это сжигание производят вне машины (в специальном котлоагрегате, например), то говорят о двигателях с внешним сгоранием. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) сжигание топлива производят непосредственно в рабочем пространстве машины, например в цилиндре поршневого двигателя. В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 1970-х гг. почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Эти двигатели используются также для привода грузоподъемных машин и небольших электрогенераторов. К такого рода газовым циклам теплосиловых установок относятся циклы ДВС, циклы ГТУ и даже циклы реактивных двигателей типа ЖРД (жидкостный реактивный двигатель) и ВРД (воздушный реактивный двигатель). Схема поршневого ДВС Рассмотрим устройство 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 свеча зажигания (или топливоподающая форсунка) 2. Рассмотрим индикаторную диаграмму современного четырехтактного ДВС, на которой показаны все четыре такта: 1 – сгорание, 2 – рабочий ход, 3 – сжатие, 4 – выталкивание, 5 – всасывание: 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 и называют термодинамическим циклом. Однако изучение идеальных циклов дает 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 теплоты, что делает цикл замкнутым); - необратимый процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа, заменяется обратимым процессом подвода равного количества теплоты извне. Принятые допущения, казалось бы, весьма далекие от реальной действительности, позволяют, тем не менее, получить расчетные результаты, совпадающие с результатами экспериментальных измерений основных характеристик цикла. Различают три типа четырехтактных ДВС: 1) быстрого сгорания с внешним зажиганием; 2) медленного сгорания с самовоспламенением; 3) смешанного типа. В двигателях первого типа цилиндр заполняется смесью бензина с воздухом, приготовленной в карбюраторе (такие двигатели часто называют карбюраторными) – этот такт называется всасыванием. Далее впускной клапан закрывается, и происходит сжатие горючей смеси (второй такт). С помощью электрической свечи происходит искровое зажигание топливовоздушной смеси, которая сгорает чрезвычайно быстро при почти неизменном положении поршня, т.е. практически при постоянном объеме, равном объему камеры сгорания. Затем в результате расширения продуктов сгорания совершается рабочий ход поршня (третий такт). Наконец, происходит выхлоп – выброс продуктов сгорания через выпускной клапан под действием избыточного давления в цилиндре (четвертый такт – выпуск). Затем цикл повторяется. Карбюратор (фр. carburer – обогащать углеродом) – узел системы питания ДВС, предназначенный для создания смеси жидкого топлива с воздухом оптимального состава и регулирования количества ее подачи в цилиндры двигателя. Подавляющее большинство существующих карбюраторов состоит из поплавковой камеры, обеспечивающей стабильный приток топлива, смесительной камеры, фактически представляющей собой трубку Вентури (трубу с горловиной, включаемую в разрыв трубопровода), и многочисленных дозирующих систем, включающих в себя топливные и воздушные каналы, дозирующие элементы. На современных автомобильных двигателях применяется инжекторная система впрыска топлива. Инжектор – это струйный насос (от лат injectare – вбрасывать). Основное отличие от карбюраторной системы – подача топлива осуществляется путем непосредственного впрыска топлива с помощью форсунок во впускной коллектор или в цилиндр. Изобретателем четырехтактного ДВС считается немецкий инженер и изобретатель-самоучка Николаус Август ОТТО (1832–1891) (хотя приоритет Отто неоднократно, но безуспешно оспаривался). В детстве он остался без отца, и ему пришлось бросить учебу и начать работать, чтобы прокормить семью. В конце 1850-х годов бельгийский изобретатель Ленуар представил миру двухтактный двигатель собственной конструкции. Однако этот двигатель имел множество недостатков, в первую очередь небольшой ресурс и склонность к самовозгоранию. В результате своих изысканий Отто пришел к выводу, что наиболее перспективным вариантом является четырехтактный двигатель. Создатели такого двигателя сталкивались с рядом проблем, в первую очередь с тем, что вспышки горючей смеси в цилиндрах происходили в настолько неожиданных последовательностях, что обеспечить ровную и постоянную передачу мощности было невозможно. Отто нашел, что проблема всех предшествующих конструкций двигателей была в составе смеси (пропорции горючего и окислителя), кроме того, необходимо было решить проблему синхронизации системы впрыска топлива и его сгорания. Кроме того, Отто удалось заручиться поддержкой видного в то время промышленника Отто Йогена Лангена. Результат не заставил себя ждать: уже к 1863 г. был готов первый образец двухтактного атмосферного газового двигателя с поршнем от авиационного мотора и ручным стартером, работавший на смеси, состав которой известен многим современным автомобилистам: 1 кг бензина на 15 кг воздуха. Впервые была создана конструкция, которая по к.п.д. превосходила паровой двигатель и была приспособлена к эксплуатации. А в 1876 г. Отто запатентовал первый в истории четырехтактный двигатель, который работал по привычным для нас тактам: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Новый двигатель стал очень хорошо раскупаться. За 15 лет было продано 30 000 двигателей, что принесло их создателю немалый доход. Теоретическим циклом двигателей быстрого сгорания является цикл с изохорным подводом теплоты, называемый циклом Отто. Процессы 0–1 и 1–0, т.е. всасывание и выпуск, не являются термодинамическими и потому не рассматриваются. Сжатие 1–2 и рабочий ход 3–4 считаются адиабатными процессами сжатия и расширения. Подвод теплоты q1 осуществляется в изохорном процессе 2–3. Выхлоп 4–1 также считается изохорным процессом, в котором осуществляется отвод теплоты q2. Принимается, что рабочее тело представляет собой идеальный газ. Найдем термодинамический к.п.д. цикла Отто, выразив его через важнейший параметр этого цикла, степень сжатия ε = v1 / v2, где v1 – полный объем цилиндра; v2 – объем камеры сгорания. , где q1 и q2 – значения теплоты для изохорных процессов 4–1 и 2–3, связанные с температурами в соответствующих точках формулами q2 = cV × (T4 – T1) и q1 = cV × (T3 – T2). Таким образом, получаем . Отношение температур T4/T1 для изохорного процесса 4–1 равно отношению соответствующих давлений, т.е. T4/T1 = p4/p1, или, умножая числитель и знаменатель правой части этого равенства на одинаковые величины и , получаем . Но так как v3 = v2, находим, что T4/T1 = p3/p2. С другой стороны, для изохорного процесса 2–3 имеем T3/T2 = p3/p2. Таким образом, T4/T1 = T3/T2 и из выражения для hТ получаем , но Т1 и Т2 представляют собой крайние температуры адиабатного процесса 1–2, отношение которых в соответствии с формулой § 4 темы 1 равно: . Подставляя этот результат в предыдущее равенство, получим окончательно . Детонационную стойкость топлива для ДВС, то есть способность противостоять самовоспламенению при сжатии, характеризует октановое число. Оно равно содержанию (в процентах по объему) изооктана (или 2,2,4-триметилпентана, С(СН3)3–CH2–CH(CH3)2) в его смеси с н-гептаном (H3C–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3), при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний. Изооктан трудно окисляется даже при высоких степенях сжатия, и его детонационная стойкость условно принята за 100 единиц. Сгорание в двигателе н-гептана даже при невысоких степенях сжатия сопровождается детонацией, поэтому его детонационная стойкость принята за 0. Для бензинов (смеси легких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C) с октановым числом выше 100 создана условная шкала, в которой используют изооктан с добавлением различных количеств тетраэтилсвинца (ТЭС). ТЭС (Pb(CH3CH2)4) – ядовитое металлорганическое соединение. Применялось как антидетонирующая присадка к моторному топливу, повышающая его октановое число. Вредные эффекты, вызываемые свинцом, были известны с конца 1940-х – 1950-х годов. Но длительное время никаких мер не предпринималось из-за сильного лобби производителей топлива. В связи с высокой канцерогенной активностью тетраэтилсвинца и загрязнением окружающей среды свинцом при его использовании, к настоящему времени от добавления ТЭС в топливо в основном отказались. В России автомобильные бензины выпускаются по ГОСТ 2084-77, ГОСТ Р 51105-97 и ГОСТ Р 51866-2002. Автомобильные бензины подразделяются на летние и зимние (в зимних бензинах содержится больше низкокипящих углеводородов). Основные марки автомобильных бензинов по ГОСТ 2084-77: - А-72 – с октановым числом по моторному методу не менее 72; - А-76 – с октановым числом по моторному методу не менее 76 (позже был наименован АИ-80 в соответствии с исследовательским методом); - АИ-91 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 91; - АИ-92 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 92; - АИ-95 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 95. В двигателях второго типа, называемых дизельными, используется тяжелое нефтяное (дизельное) топливо. При этом вместо свечи 2 устанавливают форсунку для подачи распыленного топлива. На такте всасывания цилиндр такого двигателя заполняется не горючей смесью, а воздухом, который в результате интенсивного сжатия нагревается до высокой температуры, существенно превышающей температуру воспламенения топлива. В конце такта сжатия в цилиндр начинает подаваться топливо, распыливаемое сжатым воздухом, поступающим от компрессора. Топливо поступает в цилиндр и медленно сгорает одновременно с перемещением поршня. В результате на протяжении всего времени сгорания топлива давление в цилиндре остается практически постоянным и равным давлению в конце такта сжатия. Остальные процессы протекают так же, как и в карбюраторных двигателях. Рудольф Кристиан Карл ДИЗЕЛЬ (1858–1913) – немецкий инженер и изобретатель, создатель дизельного двигателя, работающего по принципу воспламенения распыленного топлива от соприкосновения с разогретым сжатым воздухом. Лучшим учеником в 1873 г. окончил реальное училище и Аугсбургскую политехническую школу в 1875 г. После был приглашен в Мюнхенскую Высшую техническую школу, которую в 1880 г. закончил, сдав выпускные экзамены с лучшими результатами с начала ее существования. В 1893 г. получил патенты на «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу» и на двигатель с модифицированным циклом Карно. С 1893 г. велись разработки нового двигателя на Аугсбургском машиностроительном заводе (при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер. Первый функционирующий двигатель был создан Дизелем там же в 1897 г. Мощность двигателя составляла 20 л. с. при 172 оборотах в минуту, к.п.д. – 26,2 % при весе пять тонн. Это намного превосходило существующие двигатели Отто с к.п.д. 20 % и судовые паровые турбины с к.п.д. 12 %, что вызвало немедленный интерес промышленности. Двигатель Дизеля сразу же нашел применение, был оценен во многих странах. Но у себя на родине Дизель не нашёл признания и тяжело это переживал. Двигатель Дизеля был четырехтактным. Изобретатель установил, что к.п.д. двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. И Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух. К концу сжатия воздуха в цилиндр постепенно под сильным давлением впрыскивалось жидкое топливо. Так как температура сжатого воздуха достигала 600-650 °С, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить к.п.д. двигателя. К тому же здесь не нужна была система зажигания, а вместо карбюратора имелся топливный насос. 1 января 1898 г. Дизель открыл собственный завод по производству дизельных двигателей. Первый корабль с дизельным двигателем построен в 1903 г. В 1908 г. построен первый дизельный двигатель малых размеров, первый грузовой автомобиль и первый локомотив на дизельном двигателе. В 1936 г. впервые запущен в серию легковой автомобиль на дизельном двигателе – Мерседес-Бенц-260D, разработанный компанией «Даймлер-Бенц». Многочисленные патентные процессы подорвали здоровье Дизеля. Кроме того финансовое состояние его дел было неудовлетворительным – Дизель не был хорошим бизнесменом. А финансовый кризис 1913 года привел к его полному банкротству. 29 сентября 1913 г. Рудольф Дизель отправился из Антверпена на борту парома «Дрезден» в Лондон на открытие нового завода от одной из компаний, которая производила двигатели его конструкции. Он, казалось, был в хорошем настроении, однако, после того, как вечером отправился в свою каюту, его больше никто не видел. Через несколько недель немецкими рыбаками были предъявлены для опознания два кольца, снятые с тела хорошо одетого мужчины, найденного в море. По морскому обычаю тело оставили в воде. Сын Рудольфа Дизеля опознал кольца, как принадлежащие его отцу. Выдвигались версии о самоубийстве или убийстве Дизеля. Точные обстоятельства смерти так и не были выяснены. Теоретический цикл двигателей второго типа, т.е. компрессорных дизельных двигателей, называется циклом с изобарным подводом теплоты или циклом Дизеля. В отличие от предыдущего в этом цикле процесс подвода теплоты 2–3 является изобарным. Параметрами этого цикла являются степень сжатия ε = v1 / v2 и степень предварительного расширения r = v3 / v2. Выразим термодинамический к.п.д. этого цикла через указанные параметры, учитывая, что в данном случае q1 представляет собой теплоту изобарного процесса и, следовательно, q1 = cP × (T3 – T2), тогда как q2 выражается так же, как и в предыдущем случае. Итак, имеем , откуда, принимая во внимание, что cP / cV = k, получим . При рассмотрении hт для цикла Отто было найдено, что . Для цикла Дизеля р3 = р2, а потому T4/T1 = rk. Поскольку для изобарного процесса удельный объем пропорционален температуре, Т3/Т2 = v3/v2 т.е. Т3/Т2 = r. Что касается отношения температур в точках 1 и 2, то, как и для цикла Отто, . Подставляя эти результаты в выражение для hт, получим окончательно . В двигателях третьего типа, называемых бескомпрессорными дизельными двигателями, такты всасывания и сжатия происходят так же, как в двигателях второго типа, однако дизельное топливо, впрыскиваемое в цилиндр в конце сжатия, распыливается не за счет компрессорного сжатия до весьма высокого давления в плунжерном топливном насосе. В результате обеспечивается весьма тонкое распыливание топлива. Первая порция его при этом сгорает очень быстро, обеспечивая, так же как и в двигателях первого типа, существенное повышение давления при практически постоянном объеме. Остальная часть топлива подается в цилиндр и сгорает медленно, одновременно с перемещением поршня, т.е. практически при постоянном давлении, как и в двигателях второго типа. Именно поэтому этот тип двигателей и называется смешанным. Гу'став Васильевич ТРИНКЛЕР (1876–1957) – русский советский ученый и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя. Будучи студентом Санкт-Петербургского технологического института, Тринклер начал разрабатывать проект нового теплового двигателя, работающего на жидком углеродном топливе с воспламенением от сжатия. Летом 1898 г. при переходе на V курс института Тринклер завершил работу над проектом и был принят на Путиловский завод (сейчас – «Кировский завод») в Санкт-Петербурге. В течение 1898 г. двигатель был построен, и в 1900 г. начались его испытания. К.п.д. двигателя составил 29 %. Весной 1902 г. директор завода С.И. Смирнов категорически потребовал прекращения работ по новому двигателю. Это было сделано под нажимом нефтепромышленника Эммануила Нобе'ля (племянника А'льфреда Нобеля, завещавшего свое огромное состояние на учреждение Нобелевской премии), который еще в 1897 г. купил патент на двигатели Дизеля и после целого комплекса работ по усовершенствованию конструкции наладил их серийное производство на принадлежавшем ему механическом заводе «Людвиг Нобель» (потом завод «Русский дизель») в Санкт-Петербурге. Тринклер уехал строить свои двигатели на завод «Братьев Кертинг» в Ганновере (Германия), где и работал до середины 1907 г. главным конструктором. Бесспорные преимущества «Тринклер-мотора», опробованного и освоенного за рубежом, привлекли, наконец, внимание отечественных промышленников. С июня 1907 г. Тринклер работал начальником отдела тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе (впоследствии завод «Красное Сормово») в Нижнем Новгороде, куда он был приглашен в качестве одного из ведущих специалистов по тепловым двигателям. На этом заводе он проработал двадцать лет и оставил заметный след в его истории. В 1930 г. без защиты диссертации ему было присвоена ученая степень доктора технических наук. В 1934 г. Тринклер перешел на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом. Теоретическим циклом двигателей смешанного типа, т.е. бескомпрессорных дизельных двигателей, является цикл Тринклера. В этом цикле часть теплоты подводится в изохорном процессе 2–1, как в цикле Отто, а остальная часть – в изобарном процессе 3–4, как в цикле Дизеля. Остальные процессы те же, что и в двух предыдущих случаях. Параметрами этого цикла являются: степень сжатия ε = v1 / v2, степень повышения давления l = р3 / р2 и степень предварительного расширения r = v4 / v3. Термодинамический к.п.д. этого цикла имеет вид При этом q2 = cV × (T5 – T4), = cV × (T3 – T2) и Таким образом, получаем . Для изохорного процесса 5–1 имеем Т5/Т1 = p5/p1 или, умножая числитель и знаменатель правой части на равные величины и но для адиабатного расширения 4–5 получим p5 × = p4 × , а для адиабатного сжатия 1–2 имеем, p1 × = p2 × , отсюда, учитывая, что р4 = р3, получим . Для изобарного процесса 2–3 отношение Т3/Т2 = p3/p2 = l, а для изохорного 3–4 отношение Т4/Т3 = v4/v3 = r, откуда Т4/Т2 = l×r. Что касается отношения температур в точках 1 и 2, то по-прежнему . Подставляя полученные выражения для отношений температур в выражение для hт, окончательно получим . Представляет интерес сравнение эффективности идеальных циклов при одинаковых степенях сжатия (полагая, что такое возможно). У таких двигателей процессы сжатия 1–2 должны совпадать и, если отводить одинаковые количества теплоты, то будут совпадать и процессы 4–1. Такое сопоставление приведено на рисунке: Заметим, что на диаграмме T–s изохора проходит всегда круче изобары, значит, в карбюраторном двигателе будет подводиться больше теплоты и совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Отсюда вывод: изохорное сжигание эффективнее изобарного. Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они и определяют в основном температурную напряженность машины. На следующем рисунке три рассмотренных цикла показаны на диаграмме Т–s при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, то есть такое сопоставление проводят при одинаковых количествах отводимой за цикл теплоты. Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания на диаграмме Т–s при одной и той же максимальной температуре Здесь отрезки 1–2, 1–2' и 1–2" изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2'–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2"–3' и 3'–3 – изохорный и изобарный в цикле Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов. Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), полезно преобразуемая в работу и, следовательно, максимальный термодинамический к.п.д. имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, ибо пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы. Однако такой анализ может быть легко проведен численным методом на компьютере.


  • Commentaires

    Aucun commentaire pour le moment

    Suivre le flux RSS des commentaires


    Ajouter un commentaire

    Nom / Pseudo :

    E-mail (facultatif) :

    Site Web (facultatif) :

    Commentaire :