Назначение любого теплового двигателя — превращение теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. Топливо может сжигаться вне тепловой машины (паровые машины и турбины) — это так называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которых процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Одним из первых указал на возможность создания ДВС Сади Карно в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.).
В 1860 г. французский механик Ленуар построил первый ДВС, работающий на светильном газе, но без предварительного сжатия рабочего тела. Двигатель имел низкий КПД и не получил широкого распространения.
В 1877 г. немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель, работа которого осуществлялась по принципу, запатентованному французом Бо-де-Роша в 1862 г.
В 1897 г. немецкий инженер Дизель разработал двигатель, работающий на керосине, который распылялся в цилиндре воздухом высокого давления от компрессора. В 1904 г. русским инженером Тринклером Г.В. был построен бескомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива. Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире.
2. Реальные и идеальные циклы. Виды поршневых ДВС
Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце — смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива.
Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, остальная часть отдается окружающей среде. Основными элементами любого поршневого ДВС являются цилиндр 1 с поршнем 2, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма 6, 7 (рис. 1).
В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива).
Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки.
Рисунок 1. — Схема поршневого ДВС:
В возвратно-поступательном движении поршня различают два крайних положения: верхнее и нижнее, в которых поршень меняет направление движения на обратное. Эти положения называются мертвыми точками. Расстояние между мертвыми точками называют ходом поршня S, а перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот — тактом. Внутренний объем цилиндра в пределах хода поршня называют рабочим объемом цилиндра. Часть объема цилиндра, заключенную между крышкой и торцом поршня, находящегося в ВМТ, называют камерой сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания
... газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то ... транспортного средства начинается с появлением быстроходного двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г.Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а в 1886 г. К.Бенц - ...
Для обеспечения наиболее полного сгорания топлива оно должно быть хорошо перемешано с воздухом. Смесь распыленного в воздухе топлива, предназначенного для сжигания, называют рабочей смесью, а процесс приготовления рабочей смеси — смесеобразованием.
По способу приготовления горючей смеси ДВС подразделяются на две группы: с внешним и внутренним смесеобразованием.
К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные и газовые двигатели. Рабочая смесь в них приготавливается в специальном устройстве — карбюраторе (при работе на бензине или керосине) или смесителе (при работе на газовом топливе).
В этом случае в камеру сгорания подается уже готовая рабочая смесь, которая воспламеняется принудительно от электрической искры (свечи зажигания).
В двигателях с внутренним смесеобразованием приготовление рабочей смеси происходит внутри рабочего цилиндра, куда воздух и топливо подаются раздельно. Сначала поршень сжимает чистый воздух до давления 3-4 МПа, вследствие чего его температура в конце сжатия достигает 600-650°С, затем в камеру сгорания через форсунку впрыскивается жидкое топливо (дизельное или моторное), которое воспламеняется при смешении с раскаленным воздухом.
По способу осуществления цикла ДВС могут быть двух- и четырехтактными.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня (такта), т. е., за два оборота вала, а в двухтактном двигателе — за два хода (такта) поршня, т. е., один оборот коленчатого вала. Исследование работы реального поршневого двигателя проводят по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня (объема) за весь цикл. Такую диаграмму, снятую с помощью прибора — индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис. 2).
Рисунок 2. — Действительная индикаторная диаграмма:
Рассмотрим диаграмму:
0-1 — заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода;
1-2 — сжатие воздуха или рабочей смеси;
2-3′-3 — период горения рабочей смеси;
3-4 — рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа;
4-5 — выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме;
5-0 — освобождение цилиндра от продуктов сгорания.
В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.).
Поршневые двигатели внутреннего сгорания развитие науки
... поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором сгорание происходит непосредственно в цилиндре двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено одно промежуточное звено (пар, как промежуточное рабочее ... сделавших вклад в развитие ДВС; 3. раскрыть сущность циклов для поршневых двигателей внутреннего сгорания и провести анализ. Структура работы. Работа состоит из ...
Термодинамический анализ такого цикла невозможен.
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. Допущения, используемые для теоретических циклов:
1) циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело);
2) Рабочее тело — идеальный газ с постоянной теплоемкостью;
3) Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты);
4) Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют;
5) Процессы 0-1 и 5-0 исключают из рассмотрения, т. к., работа в них практически одинаковая, только имеет разный знак.
Анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется эффективность теоретического (обратимого) цикла, а затем — реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.
Для ДВС рассматривают следующие основные циклы:
- А) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const) — цикл Отто;
- б) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) — цикл Дизеля;
- в) цикл со смешанным подводом теплоты, как при v = const и р = const — цикл Тринклера.
3. Циклы ДВС
3.1 Цикл Отто
Рисунок 3:
Отто первым осуществил сжатие для поднятия максимальной температуры цикла. Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось по адиабате (без изменения теплоты).
Теплота подводится изохорно (с-z на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме).
КПД автомобильных двигателей (в большинстве своем они используются именно в автомобилях, но также и в лодочных моторах и малой авиации) работающих по циклу Отто достигает 33-35%.
Степени сжатия достигают значения 8-9 (до10) у карбюраторных двигателей, 10-11 у двигателей с распределенным впрыском и до 12.5 у двигателей с непосредственным впрыском. У надувных двигателей степень сжатия понижают, с целью избежания детонации (т. к., мотор работает с большими давлениями и температурами в конце такта сжатия).
У двигателей с непосредственным впрыском есть возможность работы на обедненных смесях с б=1.15-1.3 этим достигается высокая экономия топлива и снижение выбросов (в основном СО).
3.2 Цикл Дизеля
Рисунок 4:
Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, а воздух. В конце такта сжатия подавалось топливо в смеси с воздухом, от высокой температуры и давления в конце такта сжатия происходило самовоспламенение топлива. Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось также по адиабате. Теплота подводится изобарно (с-z на диаграмме).
Судовые двигатели внутреннего сгорания (2)
... сжатия, например автомобильные, работают по изохорному циклу, двигатели высокого сжатия (дизели) - по смешанному. Распространенность менее экономичных, чем дизели, двигателей низкого сжатия можно объяснить их надежностью, относительно простой конструкцией и меньшей шумностью в работе. По ...
Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме).
Существенным преимуществом этого цикла является возможность применения высоких степеней сжатия (свыше 20, сам Дизель хотел около 100, но ее дальнейшее увеличение нецелесообразно из-за высокой механической и тепловой напряженности деталей двигателя).
Теплота подводится изобарно, а отводится изохорно. Впрыск топлива происходил в конце такта сжатия. Особенностью цикла Дизеля, в его первозданном виде было компрессорное пневматическое распыливание топлива. Отказ от этого цикла был связан с тем что на привод компрессора (а у «настоящего» дизеля было компрессорное впрыскивание топливо — воздушной смеси) приходилось 10-15% работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т. е., эффективные показатели были ниже чем у цикла Сабатэ-Тринклера, но в тоже время индикаторные показатели и экологические показатели были выше чем у двигателей работающих по циклу Сабатэ-Тринклера (о них речь пойдет ниже).
Связанно это было с более лучшим образованием смеси — подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей. Повсеместный переход от пневматического на механическое распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ-Тринклера начался в 30-х годах прошлого века. Практически сейчас двигателей работающих по циклу Дизеля не производятся (за исключением экспериментальных образцов).
3.2 Цикл Сабатэ-Тринклера
Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (c-z на диаграмме) и далее изобарно (z’-z на диаграмме).
Рисунок 5:
двигатель термодинамический механический
Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме).
Все выпускающиеся сейчас дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ-Тринклера, циклу со смешанным подводом теплоты (и с механическим распыливанием топлива).
Теплота подводится сначала изохорно, а затем, как и у цикла Дизеля изобарно. Степени сжатия у безнаддувных двигателей достигают значения 18-22, и 13-15 у наддувных высокофорсированных двигателей. Область применения этих двигателей очень широка: генераторы, автомобили как грузовые так и легковые, трактора, тепловозы, судна и корабли, самолеты, вспомогательные энергетические установки как на кораблях так и на электростанциях, приводы насосов и т. д., и т. п.
У судовых малооборотных дизелей (МОД) эффективный КПД доходит до 50-55%.У среднеоборотных тепловозных и судовых дизелей на уровне 45%. Соблюдается тенденция чем больше двигатель (а именно диаметр цилиндра и ход поршня) и чем менее он оборотистый — тем более он экономичен.
