Физические основы устройства двигателя внутреннего сгорания (Двигатель Отто)

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия U — энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и так далее) и энергия взаимодействия этих частиц. Из этого определения следует, что к внутренней энергии не относятся кинетическая энергия движения системы как целого и потенциальная энергия системы во внешних полях.

Внутренняя энергия — однозначная функция термодинамического состояния системы, то есть в каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией (она не зависит от того, как система пришла в данное состояние).

Это означает, что при переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода.

Внутренняя энергия системы может изменятся в результате различных процессов, например совершения над системой работы и сообщения ей теплоты. Так, вдвигая поршень в цилиндр, в котором находится газ, мы сжимаем этот газ, в результате чего его температура повышается, то есть тем самым изменяется (увеличивается) внутренняя энергия газа. С другой стороны, температура газа и его внутреннюю энергию можно повысить за счет сообщения ему некоторого количества теплоты — энергии, переданной системы внешними телами путем теплообмена (процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами).

Таким образом, можно говорить о дух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законам и является первым законом термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.

Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу происходят внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (г. т. у.) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате — паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу — в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом.

9 стр., 4113 слов

Автоматизированная система управления технологическим процессом

... частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких ...

Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения — жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, а затем реальный (необратимый) с учетом основных источников необратимости.

1. Классификация и принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания

поршневой двигатель отто сгорание

Двигателями внутреннего сгорания (д. в. с.) называются тепловые двигатели поршневого типа, в которых сгорание топлива (подвод теплоты) и превращение теплоты продуктов сгорания в работу происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра.

Двигателями внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях всех типов, тракторах, танках, мотоциклах, морских и речных судах, небольших самолётах, передвижных электростанциях и небольших стационарных электростанциях.

Двигателями внутреннего сгорания классифицируют по следующим признакам:

1) по числу ходов (тактов), за которое совершается один рабочий цикл (четырёх тактные и двухтактные);

2) по месту и способу смесеобразования (с внешним смесеобразованием, карбюраторные, и с внутренним — дизельные);

3) по способу воспламенения топлива (с принудительным воспламенением, искровые-карбюраторные, и с самовоспламенением, дизельные);

4) по виду горючего. С жидким горючим: лёгким, — бензиновые карбюраторные, — тяжелым, — дизельные; с газообразным горючим: газовые;

5) по числу и расположению цилиндров подразделяются на одно-, двух- и многоцилиндровые; однорядные, двухрядные, V- и W-образные, оппозитные.

Изображена схема устройства так называемого четырехтактного двигатели внутреннего сгорания и диаграмма его рабочего процесса в рV-координатах. Четырехтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на четыре хода поршня, т. е. на два оборота вала. Цилиндр двигателя 1 снабжен двумя клапанами — впускным 2 и выхлопным 4. Открытие и закрытие клапанов осуществляется специальным газораспределительным механизмом (на схеме не показан).

Поршень 5 совершает возвратно-поступательные движения, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, — шатуна 6 и кривошипа 7, — преобразуются во вращательное движение вала 8.

Рис. 1 Схема устройства и диаграмма рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания

Крайние положения поршня, при которых направление движения поршня изменяется на обратное, называются мертвыми точками: у крышки цилиндра — верхней мертвой точкой (в. м. т.), противоположная — нижней мертвой точкой (н. м. т.).

21 стр., 10376 слов

Двигатель внутренного сгорания

... разделены на две основные группы. Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д. Двигатели внутреннего сгорания. В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива ...

Движения поршня, равномерно следующие друг за другом, от одной мертвой точки к другой, называются тактами, а путь между ними называется ходом поршня. Объем, описываемый поршнем за один ход, называется рабочим объемом цилиндра.

Рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания начинается с движения поршня 5 от верхней мертвой точки вниз при открытом впускном клапане 2 (такт всасывания I).

При этом в цилиндр поступает смесь бензина или керосина с воздухом, которая образуется в специальном устройстве, называемом карбюратором (или смесителем в случае газообразного топлива); при использовании так называемого тяжелого топлива (например, нефти, солярового масла) в такте всасывания поступает чистый воздух.

В нижней мертвой точке впускной клапан 2 закрывается и поршень, перемещаясь в обратном направлении, совершает такт сжатия II. Вблизи от верхней мертвой точки в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания воспламенение топлива происходит электрической искрой (принудительное воспламенение), и топливо сгорает в момент прихода поршня в верхней мертвой точке. Вследствие этого температура и давление продуктов сгорания резко возрастают при практически постоянном объеме.

В так называемых двигателях внутреннего сгорания высокого сжатия в среду сильно сжатого и нагретого до 500—600 °С воздуха впрыскивается через форсунку жидкое топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. Распыление жидкого топлива в форсунке может осуществляться воздухом, сжатым в специальном компрессоре (компрессорные дизеля), или механическое распыление при помощи топливного насоса (бескомпрессорные дизеля).

После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт III).

Вблизи от нижней мертвой точки открывается выпускной клапан. Давление падает и при движении поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа IV) при давлении, несколько большем атмосферного. Такая диаграмма рабочего процесса обычно записывается специальным прибором — индикатором, а полученная таким образом диаграмма называется индикаторной диаграммой. На индикаторной диаграмме откладывается объем цилиндра, описываемый поршнем в данный момент.

Из-за высоких температур в цилиндре двигателя (порядка 1600—2000 °С) приходится интенсивно охлаждать цилиндр, чаще всего водой, поэтому между стенками цилиндра и продуктами сгорания все время происходит теплообмен.

Легко видеть, что действительные процессы, протекающие в двигателях внутреннего сгорания, являются необратимыми (протекают с конечными скоростями, трением и теплообменом при конечной разности температур), поэтому индикаторную диаграмму нельзя отождествлять с термодинамическим циклом.

Практически наиболее удобно подводить теплоту по изохоре либо по изобаре или по смешанному способу — изохоре и изобаре. В соответствии с этим для двигателей внутреннего сгорания разработаны три теоретических цикла, имеющих практическое значение:

3 стр., 1024 слов

Циклы двигателей внутреннего сгорания

... двигателя сложных явлений преобразования теплоты в механическую работу рабочие циклы превращаются в идеальные, в которых методом абстракции возможно уложить все процессы в рамки чисто термодинамической задачи [2]. Следовательно, идеальным циклом двигателя внутреннего сгорания ...

1) цикл с подводом теплоты при v=const;

2) цикл с подводом теплоты при р=const;

3) цикл со смешанным подводом теплоты при v=const и р=const.

2. Цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном объёме (цикл Отто)

Является прототипом рабочего процесса в двигателях с принудительным зажиганием. Цикл Отто — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме. В качестве топлива обычно используют: бензин, керосин, генераторный газ, пропан, бутан и т.д. Рабочее тело — смесь воздуха и паров жидкого или газообразного топлива. Цикл Отто — это порядок работы двигателя внутреннего сгорания, состоящий из четырех тактов: впрыск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Назван в честь немецкого инженера Николауса Отто. Отличительной особенностью таких двигателей является сжатие горючей смеси (смеси паров бензина с воздухом).

Этот цикл состоит из двух адиабат и двух изохор. Изохорный процесс (V=const).

Диаграмма изображается прямой, параллельно оси ординат где процесс 2-1 есть изохорное нагревание, а 1-3 изохорное охлаждение. При изохорном процесс газ не совершает работы над телами то есть:

  • дА= p dV = 0; (1)

Из первого закона термодинамики:

  • дQ = dU + дA; (2)

для изохорного процесса следует, что вся температура сообщаемая газу, идет на увеличение его внутренней энергии.

дQ = dU; (3)

Если газ нагревается при постоянном объеме, то работа внешних сил равна нулю и сообщаемая газу извне теплота идет на увелечение его внутренней энергии:

  • Сv = ; (4)

Согласно этой формуле:

  • dUm = Cv dT; (5)

Теплота для произвольной массы газа определяется по формуле:

  • дQ = dU = Cv dT; (6)

Адиабатическим называется процесс, при котором отсутствует теплообмен (дQ = 0) между системой и окружающей средой. К адиабатическим процессом можно все быстропротекающие процессы.

Например, адиабатическим процессом можно считать процесс распространения звука в среде, так как скорость распространения звуковой волны настолько велика, что обмен энергией между волной и средой произойти не успевает. Адиабатические процессы применяются в двигателях внутреннего сгорания (расширение и сжатие горючих смесей в цилиндрах), в холодильных установках и так далее.

Из первого начала термодинамики

дQ = dU + дA

для диабатического процесса следует, что

дA = — dU; (7)

то есть внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

Используя выражения

дA = p dV и Сv =

для произвольной массы газа перепишем уравнение в виде:

  • pdV = — Cv dT; (8)

Продифференцировав уравнение состояния для идеального газа

pV = RT;

  • pdV + Vdp = R dT; (9)

исключим из выражений температуру T:

  • = — = — ; (10)

Разделив переменные и учитывая что

= г и г = =

= — ; (11)

Интегрируя это уравнения в пределах от p1 до p2 и соответственно от V1 до V2, а затем потенцируя, придем к выражению:

8 стр., 3797 слов

Поршневые двигатели внутреннего сгорания развитие науки

... изучить систему научных трудов, сделавших вклад в развитие ДВС; 3. раскрыть сущность циклов для поршневых двигателей внутреннего сгорания и провести анализ. Структура работы. Работа состоит из введения, основной части, ...

= ; (12)

Или

p1 = p2; (13)

так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то можно записать:

  • pVг = const;
  • Полученное выражение есть уравнение адиабатического процесса, называемое также уравнением Пуассона.

Для перехода к переменным T, V или p, T исключим из выражения с помощью уравнения Клайперона — Менделеева:

  • pV = RT; (14)

соответственно давление или объем;

  • TVг-1 = const; (15)

TV1 — г = const; (16)

Эти выражения представляют собой уравнения адиабатического процесса. В этих выражениях безразмерная величина.

г = = = ; (17)

называется показателем адиабаты (или коэффициентом Пуассона).

Для одноатомных газов (Ne, He и другие), достаточно хорошо удовлетворяющих условию идеальности, i=3, г = 1,67. Для двухатомных газов (H2, N2, O2 и другие) i=5, г = 1,4. Значения г, вычисленные по формуле (15) хорошо подтверждается экспериментом. Диаграмма адиабатического процесса (адиабата) в координатах p, V изображается гиперболой. На рисунке вино, что адиабата (pVг = const) более крута, чем изотерма (pV = const).

Это объясняется тем, что при адиабатическом сжатии 1 — 3 увеличение давления газа обусловлено не только уменьшением его объема, как при изотермическом сжатии, но и повышением температуры.

Вычислим работу совершаемая газом в адиабатическом процессе. Запишем уравнение (8) в виде:

  • дА = — Cv dT; (18)

если газ адиабатически расширяется от объема V1 до V2, то его температура уменьшается от Т1 до Т2 и работа расширения идеального газа:

  • A = — Cv = Cv (T1 — T2); (19)

Применяя те же приемы, что и при выводе формулы (15), выражение (19) для работы при адиабатическом расширении можно преобразовать к виду:

  • A = = ; (20)

p1V1 = RT1.

Работа совершаемая при адиабатическом расширении 1 — 2 (определяется площадью, выполненной на рисунке 3) меньше, чем при изотермическом. Это объясняется тем, что при адиабатическом расширении происходит охлаждение газа, тогда как при изотермическом — температура поддерживается постоянной за счет притока извне эквивалентного количества теплоты.

Рассмотренные изохорный и адиабатический процессы, имеют общую особенность — они происходят при постоянной теплоемкости. В изохорном процессе теплоемкость соответственно равна Cv и Cp, в адиабатическом (дQ = 0) теплоемкость равна нулю. Процесс, в котором теплоемкость остается постоянной, называется политропным.

Исходя из первого начало термодинамики при условии постоянства теплоемкости (С = const) можно вывести уравнение политропы:

  • pVn = const; (21)

n =

Очевидно, что при С = 0, n = г из (21) получается уравнение адиабаты, при С = Сv, n = ± — уравнение изохоры.

Так как в термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла ДВС примем следующие допущения: рабочее тело -идеальный газ с постоянной теплоемкостью; количество рабочего тела постоянно; между рабочим телом и источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты. То же самое справедливо и для отвода теплоты. Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их кпд. Диаграмма, построенная с учетом указанных выше допущений, будет уже не индикаторной диаграммой двигателя, а pv — диаграммой его цикла.

25 стр., 12059 слов

Судовые двигатели внутреннего сгорания (2)

... усвоить классификации двигателей внутреннего сгорания, а также приобрести навыки в анализе его работы и устройства. Исходя из цели курсового проекта, ... пособие, а так же по ссылкам в интернете. Глава І. Классификация двигателей внутреннего сгорания По назначению. В зависимости от ... применяют с целью лучшего использования энергии выпускных газов, для чего один или несколько выпускных трубопроводов ...

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv координатах представлен на рис. 2

Идеальный газ с начальными параметрами p1, v1,T1 сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема v4=v1. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q2 в теплоприемник.

Рис. 2 Цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты

Это цикл двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Между точками 4-1 практически при постоянном объёме осуществляется сначала выпуск отработавших газов а затем и продувка цилиндра смесью топлива с воздухом (карбюраторные д. в. с.) или воздухом (дизельные д. в. с.).

Количество подведенной и отведенной теплоты определяются по формулам:

  • q1 = cp (T3 — T2);
  • q2 = cp (T4 — T1);

Подставляя эти значения теплоты в формулу для термического кпд, получим:

  • з = 1 — = 1 — = 1 — ;
  • Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.

Точка 2.

V2 = ;

  • p2 = p1 = p1 ек ;
  • = = еk — 1 ;

откуда получаем:

  • T2 = T1 еk — 1;
  • Точка 3.

V3 = V2 ;

  • p3 = p2 л = p1 еk л ;
  • = =л ;

откуда получаем:

  • T3 = T2 л = T1еk — 1 л ;
  • Точка 4.

V4 = V1 ;

  • p4 = p3 = p3 = = p1 л ;
  • = = = ;

откуда получаем:

  • T4 = T1 еk — 1 л = T1 л ;

С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид:

  • зе p = 1 — ;
  • Из последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия е и показателя адиабаты k.

Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.

Работа цикла определяется по формуле:

Aц = q1зе p = cp (T3 — T2) ;

  • Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.

Заключение

Итак, мы видим, что двигатели внутреннего сгорания — очень сложный механизм. И Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов. И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы — вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС — это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.

14 стр., 6501 слов

Двигатели внутреннего сгорания

... теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, ... использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1)всасывание; 2) сжатие; 3) ... двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г.Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, ...

И пускай проходит эра двигателя внутреннего сгорания, пусть у них есть много недостатков, пусть появляются новые двигатели, не загрязняющие внутреннюю среду и не использующие функцию теплового расширения, но первые еще долго будут приносить пользу людям, и люди через многие сотни лет будут по доброму отзываться о них, ибо они вывели человечество на новый уровень развития, а пройдя его, человечество поднялось еще выше.

Список используемой литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/dvigatel-otto/

1. Гершензон Е.М. Малов Н.Н. Курс общей физики. Электродинамика. Москва 1990 г.

2. Физика 8 класс, Москва. Издательство Дрофа. 2002.

3. Большой справочник школьника 5-11 классы. Москва. Издательство Дрофа. 2001.

4. Большая советская энциклопедия.