 |
Круговые процессы ( циклы) тепловых машин
|
|
|
|
Тепловыми машинами называются в термодинамике тепловые двигатели и холодильные машины. Представителями таких двигателей являются двигатели внутреннего сгорания (д.в.с.), в которых химическое тепло топлива при сгорании превращается в механическую работу - возвратно-поступательного движения поршня и вращательного движения вала.
Рассмотрим принцип действия реального двигателя внутреннего сгорания.
Рисунок 4.1. Диаграмма P-V двигателя внутреннего
сгорания
Рисунок 4.2. Схема двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих элементов: цилиндра с поршнем (4), впускного и выпускного клапанов (2,2), устройства принудительного зажигания (3) и кривошипно - шатунного механизма (5).
Крайние положения, которое может занимать поршень, называются мертвыми точками. Различают верхнюю и нижнюю мертвые точки. Каждое движение поршня от одной точки к другой называется тактом.
Рассмотрим работу 4-х тактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Первый такт – процесс 1,2 (рис.4.1) – такт всасывания.
На этом такте открывается впускной клапан 1 (рис.42) и в цилиндр подается подготовленная смесь топлива с воздухом (для карбюраторных двигателей) либо чистый воздух (в дизельных двигателях). В конце такта впускной клапан закрывается.
Второй такт – процесс 2,3 – такт сжатия топлива и воздуха либо чистого воздуха в цилиндре. В конце этого такта осуществляется зажигание с помощью электриче- ской искры для карбюраторных двигателей либо впрыск распыленного топлива в дизелях. В дизелях происходит воспламенение топлива за счет высокой температуры сжатого воздуха (500-600 0С).
Третий такт - процесс 3,4 – процесс расширения продуктов сгорания. Этому процессу соответствует обратный ход поршня. В конце этого такта открывается выпускной клапан 2 и на четвертом такте осуществляется выброс продуктов сгорания.
|
|
|
Подобные диаграммы снимаются с помощью индикаторов и они называются индикаторнывми диаграммами. В данном процессе мы имеем дело с переменной массой, что более всего относится к массообмену а не к термодинамическому
циклу.
Все процессы, происходящие в ДВС, являются необратимыми. Это связано с высокими температурами внутри рабочей камеры (цилиндра) и необходимостью её охлаждения, т.е. существует какой-то теплообмен для того, чтобы ДВС мог работать.
Охлаждение осуществляется с помощью циркулирующей воды или воздуха.
При анализе экономичности ДВС реальные процессы заменяются обратимыми термодинамическими процессами. При расчетах вводятся следующие допущения:
1. Теплоемкость рабочего вещества принимается постоянной.
2. Подвод тепла осуществляется за счет внешних источников, т.е. цикл осуществляется с постоянной массой рабочего тела.
3. Рабочее тело считается идеальным газом.
В зависимости от способа подвода тепла различают: ДВС с изохорным подводом теплоты (цикл Отто), по которому работают карбюраторные ДВС; цикл с изоба-
рным подводом теплоты (цикл Дизеля) ; по которму работают компрессорные дизельные установки; цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера), по которому работают бескомпрессорные ДВС тяжелого топлива.
Основными параметрами цикла являются:
1.Степень сжатия 
, соотношение объемов в процессе адиабатного сжатия
2. Степень повышения давления λ=Р3/Р2, соотношение конечного и начального давлений при изохорном подводе теплоты.
3. Степень предварительного расширения (соотношение конечного и начального объемов при изобарном подводе теплоты ρ = V4/V3, (рис. 4.1).
Цикл Отто
С изохорным подводом теплоты.
|
|
|
Рисунок 4.3. Диаграммы P-V и T – S цикла Отто (карбюраторный ДВС).
Линия 1-2 – процесс адиабатного сжатия рабочего вещества (смесь паров бензина и воздуха). Характеризуется: ε = V1/V2 = 6÷10. Это связано детонацией топлива
Линия 2-3 –процесс изохорного подвода теплоты, (го-
рение топлива внутри рабочей камеры). Характеризуется: λ = Р3/Р2 ≈ 2.
Линия 3-4 – процесс адиабатного расширения продуктов сгорания (обратный ход поршня).
Линия 4-1 процесс изохорного отвода тепла.
Цикл Дизеля
С изобарным подводом теплоты.
Рисунок 4.4 Цикл Дизеля.(Диаграммы P-V и T-S).
Линия 1- 2 – процесс адиабатного сжатия рабочего вещества, (сжатие чистого воздуха). Характеризуется ε = V1/V2 = 13÷18.
Линия 2-3 – процесс изобарного подвода теплоты (впрыск топлива и горение топлива.
Линия 3-4- процесс адиабатного расширения продуктов сгорания (обратный ход поршня).
Линия 4-1 – процесс изохорного отвода теплоты, (выпуск продуктов сгорания в атмосферу).
Наиболее экономичным является двигатель внутреннего сгорания ДВС со смешанным подводом теплоты. Он имеет достаточно высокую степень сжатия (как и цикл Дизеля) и работает на всех видах тяжелого топлива
Недостатки ДВС.
1. Невозможность постройки агрегата большой мощности.
2. Невозможность применения любых сортов топлива.
3. Трудность использования тепла отходящих газов.
4. Более высокий износ, например, по сравнению с турбинами.
В ДВС может применяться только жидкое и газообразное топливо, не дающее нагара и отложения смолы.
4.3 Устройство четырехтактного двигателя.
На рисунке (4.5) схема четырехтактного карбюраторного двигателя (внешнее смесеобразование).
Рисунок 4.5. Схема четырёхтактного карбюраторного ДВС.
1.Дроссельная заслонка; 2. Жиклер; 3. Поплавок; 4. Поплавковая камера; 5. Игла; 6. Топливный патрубок; 7. Отверстие в топливной камере; 8. Воздушный патрубок; 9. Воздушная заслонка; 10. Диффузор; 11. Распылитель; 12. Смесительная камера; 13. Впускной клапан; 14. Свеча; 15. Выпускной клапан; 16. Цилиндр; 17. Поршень. 18. Кривошипно-шатунный механизм
При движении поршня от внутренней мертвой точки М1 к наружной мертвой точке М2 в цилиндр всасывается смесь топлива (пары бензина) с воздухом под атмосферным давлением Р1 (линия е - а).Обратным движением поршня смесь адиабатно сжимается по линии а - b в результате чего повышается температура и давление до Р2,а объем уменьшается до объема камеры сгорания V0. Во внутренней мертвой точке ВМТ производится воспламенение от электроискры. Поскольку подготовленная смесь сгорает, быстро повышается до Р3 линия b - c. Образовавшиеся продукты сгорания расширяются по линии с-а, перемещая в точку НМТ. В точке М2 открывается, выхлопной клапан, через который газы под давлением Р4 вытекают в наружную среду.
|
|
|
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называются степенью сжатия двигателя e:
;
Полезная работа цикла равна разности подведенного и отведенного тепла: l0 = q1-q2; следовательно, термический К.П.Д. увеличивается с ростом степени сжатия e.
|
|
|
