Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

22.10.2023

Размер:

12.8 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 / 4125 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 > Следующая >>>

Ц И К Л Ы П О РШ Н ЕВЫ Х Д В И Г А ТЕ Л Е Й В Н У ТР Е Н Н Е ГО СГОРАНИЯ

Принципиальная схема и основные процессы рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания показаны на рис. 10.7.

В цилиндре 3 двигателя размещается подвижный поршень 4, кинематически связанный через поршневый палец 9 и шатун 5 с кривошипом 6 коленчатого вала 7. Сверху цилиндр закрывается крышкой 10. В крышке устанавливаются впускной 8 и выпускной 2 клапаны, а также, в зависимости от типа двигателя, запальная свеча или форсунка 1 для подачи топлива.

Цилиндр двигателя, его крышка, поршень, шатун и коленчатый вал составляют кривошипно-шатунный механизм, который при ра боте двигателя преобразует работу расширения рабочего тела во внешнюю работу двигателя.

Рабочий процесс рассматриваемого двигателя осуществляется следующим образом.

При движении поршня (см. рис. 10.7, а) из крайнего верхнего положения, носящего название верхней мертвой точки (в. ,м. т.), к крайнему нижнему положению, называемому нижней мертвой точкой (н. м. т.), через открытый впускной клапан 8 цилиндр дви гателя заполняется свежим зарядом — горючей смесыо или чистым воздухом. После закрытия впускного клапана в процессе обратно го движения поршня от н. м. т. к в. м. т. (см. рпс. 10.7, а) поступив ший в цилиндр свежий заряд сжимается. При приближении порш ня к в. м. т. в конце процесса сжатия происходит электрический разряд на электродах запальной свечи (в двигателях, где цилиндр заполнен горючей смесью) или впрыскивается через форсунку топ ливо (в двигателях, где в цилиндре находится воздух), и начинает ся процесс сгорания. Под действием выделяющегося в процессе сгорания топлива тепла газы в цилиндре расширяются и переме щают поршень от в. м. т. к н. м. т. (см. рис. 10,7, б), совершая при этом полезную работу. В конце процесса расширения откры вается выпускной клапан 2 и при последующем движении поршня от и. м. т. к в. м. т. цилиндр двигателя очищается от продуктов сго рания, после чего с началом движения поршня от в. м. т. начинает ся новый цикл.

В рассмотренном примере рабочий процесс двигателя осущест вляется за два оборота коленчатого вала или за четыре хода порш ня. Так как процессы, происходящие в цилиндре в течение одного хода поршня принято называть тактом, то такие двигатели назы ваются четырехтактными.

Кроме четырехтактного процесса, в поршневых двигателях внут реннего сгорания часто используется двухтактный. В двухтактных двигателях рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня. Здесь отсутствуют специальные хо ды поршня для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сго рания, а очистка и наполнение цилиндров осуществляются в конце

240

хода расширения и в начале хода сжатия путем продур.ки цилинд ра свежим зарядом повышенного давления.

Как в четырехтактных, так п в двухтактных двигателях процесс сгорания может развиваться или в результате воспламенения топ лива от теплового источника, обычно от электрической искры, пли в результате самовоспламенения топлива под воздействием высо кой температуры предварительно сжатого воздуха. Б первом слу чае двигатели называются двигателями с принудительным воспла менением топлива, а во втором—с самовоспламенением топлива от сжатия.

Вдвигателях с принудительным воспламенением цилиндры за полняются обычно горючей смесыо*— смесью влажных паров топ лива с воздухом, которая приготавливается специальной топлив ной аппаратурой чаще всего за пределами цилиндра. К таким дви гателям относятся карбюраторные и двигатели с впрыском легкого топлива.

Вдвигателях с самовоспламенением топлива от сжатия цилинд

ры заполняются воздухом, а топливо подается отдельно непосред ственно перед началом и в ходе процесса сгорания. Такие двига тели получили название дизелей.

Особенности организации и протекания процесса сгорания в различных двигателях находят свое отражение в термодинамиче ских циклах в способе подвода тепла к рабочему телу. По способу подвода тепла различают три вида термодинамических циклов: цикл с подводом тепла при постоянном объеме, цикл с подводом тепла при постоянном давлении и цикл со смешанным подводом тепла.

Наиболее общим из трех перечисленных циклов является цикл со смешанным подводом тепла к рабочему телу, так как два дру гих цикла могут рассматриваться в качестве его частных случаев.

Цикл со смешанным подводом тепла

Цикл со смешанным подводом тепла был предложен в 1904 г. русским инженером Г. В. Тринклером. Он представляет собой тер модинамическую схему рабочего процесса так называемых бес компромиссных дизелей. В двигателях такого типа (рис. 10.8,а) топливо впрыскивается в камеру сгорания специальным топлив ным насосом высокого давления через форсунку 4 в конце хода сжатия н в начале хода расширения. При этом первая часть пода ваемого топлива сгорает при незначительном изменении объема надпоршневого пространства, что условно может рассматриваться как подвод тепла при постоянном объеме. Остальное топливо, вво димое в цилиндр уже в период горения первой его части, сгорает при увеличивающемся объеме рабочего тела в процессе движения

4 Исключением являются двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндры.

16 Зак. № 686

241

поршня от в. м. г. к н. м. т., при этом давление газов в цилиндре остается почти неизменным. В связи с этим сгорание второй части подаваемого в цилиндр за цикл топлива можно условно рассмат ривать как подвод тепла при постоянном давлении.

Рнс. 10.8. Принципиальная схема и термодинамический		цикл дви
гателя	со смешанным подводом тепла:	р—v\ в — т е р
л — п р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а ;	<7— т е р м о д и н а м и ч е с к и м ц и к л в к о о р д и н а т а х	р—v\ в — т е р

м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л в к о о р д и н а т а х Т—$\ / — п о р ш е н ь ; 2 — ц и л и н д р ; 3— в п у с к н о й к л а п а н ; -/— ф о р с у н к а ; 5 — в ы п у с к н о й к л а п а н ; 6—к р ы ш к а ; 7— ш а т у н ; 5 —к р н в о ш н п .

Термодинамический цикл со смешанным подводом тепла изо бражен в координатах р — v и Т — s на рнс. 10.8,6 и в. Здесь: ли ния ас соответствует адиабатному сжатию рабочего тела; сц — изохорному подводу тепла; yz — изобарному подводу тепла; гв — адиабатному расширению рабочего тела п линия ва — нзохорному отводу тепла.

Одним из основных параметров термодинамических циклов яв

ляется степень сжатия	s, которая		представляет собой отношение
объемов рабочего тела в начале и конце сжатия, т.				е.
	- -	Va — v a		( 10. 12)
	‘	К	Vc
где Va, v a, Vc и v c— полные и удельные объемы				рабочего тела
в начале и копие процесса				сжатия (точки
а	и с).

242

Кроме степени сжатия, термодинамические циклы характери зуются также

— степенью повышения давления
л = -		(10.13)
где рг и р с— давление рабочего	тела в точках z и с.
— степенью предварительного расширения рабочего тела
v „	Vz	(10.14)
		(10.14)

или
V,	v r
р = У,	V,

где v z, v p, v c, Vz, V , Vc — удельные и полные объемы рабочего тела в соответствующих точках цикла;

— степенью последующего расширения
у* =	Уд =	(10.15)
•у,	“У,	(10.15)
•у,	“У,
или

vz V, '

где va, va, Vs, Va— удельный и полный объемы рабочего тела в точках в и а цикла.

Основываясь на аналитическом выражении процессов, состав ляющих цикл, и учитывая приведенные выше соотношения (10.12 — 10.15), параметры рабочего тела в характерных точках и основные показатели цикла со смешанным подводом тепла можно опреде лить по следующим зависимостям.

Объем, давление и температура рабочего тела в конце процес са сжатия

(10.16)

где k — показатели адиабаты.

243

Объем, давление и температура рабочего тела в конце процес са подвода тепла при u=const

v1/ = ^vС =
Ру = Р с 1 = Р а }^ к ;	(10.17)

Тр = Т п\ = Т а\ е к- ' .

Объем, давление и температура рабочего тела в конце процесса подвода тепла при р= const

				Pz ~Py = P a ™ ’,						(Ю.18)
				Tz= T v 9 = T M t k - x
	Объем,		давление и температура рабочего тела							в конце	про
цесса расширения
				= vz3 =			р3 =	v„ ;
			P . = - f f		=		=	/>,,»■ Р‘	-,	(Ю.19)
				т		т м °~ к -
			т.=-	* т		т м °~ к -		= т м к
			т.=-	8‘ -			—1	= т м к
				8‘ -
	Количество подводимого				в цикле тепла
где	q \			Ч\ =		Ч'\Л~0 "\ >
где	q \	и q'\ — количество тепла,					подведенного на 1 кг рабочего
			тела соответственно при постоянном объеме и при
			постоянном давлении.
	Но			ч \ =		слтв - т е)
				g " = cp (T2			- T	ff) ,
где	cv и Ср — теплоемкость				рабочего			тела	соответственно		при
			v = const и р =			const.		и Tz из уравнений (10.16),
	После подстановки значений Тс, Т							и Tz из уравнений (10.16),
(10.17)		и (10.18) получим
		Яг	= Cv {TQ\ ^ - ^ ~		Tae.k ~') = CvTazk - 1 ( к -					1)
и		q'\ =	ср ( ТаXр eft - 1 — ТаXек ~ 1 ) = срТаXгк ~ 1 (р — 1) =

= cvTak Xгк- 1(р — 1), так как ср = kcv .

Тогда

qi = cvTazk ~' [(X— l) + fcX(p — I)).

(10.20)

Количество отводимого в цикле тепла

Я2 = сР{Тв - Т а) .

244

Подставив значение Тв из уравнений (10.19), получим

Яг = cv (T0 XPk - Та) = cvTa(\?k - 1).

(10.21)

Согласно уравнению (10.1) термический к. п. д. цикла будет

равен
?),= !	Яг	к -	C J a (Xp* - 1 )
?),= !		к -	1	ц х - 1 Н - * Ц р - 1 ) ]
		Cv T a e		ц х - 1 Н - * Ц р - 1 ) ]
или
	^ = 1 ~ —		Xрк — 1		( 10. 22)
	^ = 1 ~ —	Х - 1 + Л Х ( р - 1) '			( 10. 22)

Из уравнения (10.22) видно, что термический к. п. д. смешан ного цикла возрастает с увеличением степени сжатия е и пока зателя адиабаты к. При неизменных значениях s и k термический к. п. д. увеличивается с повышением X и уменьшением р.

Работа расширения 1 кг рабочего тела в смешанном цикле

^pacm— lyz he >

(10.23)

где I г — работа

изобарного

расширения

на участке у.з;

lZB— работа адиабатного расширения на участке се.

Как известно,

lyz = Pz(vz — vy) =

(Р — 1)

he ~

Acv ( Tz — Тв) = Acv ( Тах Р в* - 1

Та>.Р в*) =

= Ас„Та1реk -

РдУд

1 — 8*-i

k - \

X Р £к ~ 1

5* -1

PJ>a

поскольку Acv = г— г и Тд

R •

Подставив

значения

lyZ и 1гв в уравнение

(10.23),

будем

иметь

^расш =

Р д'У д ^

(р — 1 ) +

(10.24)

Работа адиабатного

сжатия

рабочего

тела

на участке

ас

/сж = Acv (Te -

Та) = Acv (Taг* - >_

Та) =

AcvT0

(s* -» — 1)==

£ Л

(е*~

- i

) .

(10.25)

Л — 1

а -

245

Тогда положительная работа, совершенная 1 кг рабочеготела в смешанном цикле, будет равна

^расщ	РаРа ^ ^	(р —	1) +		k — 1
					k — 1
	_ Ра°а (~к -		1 _ II
ИЛИ						k —1	1X
К ^ p < p a*k ~ x						k —1	1X
	X I - :k-1						(10.26)
Определим работу цикла, приходящуюся на единицу изменения
объема рабочего тела, т.		е.
							(10.27)
Величина	I' называется	удельной		работой		цикла.	примене
В теории	двигателей внутреннего			сгорания		широкое	примене

ние находит параметр, равный по величине удельной работе цикла,

но имеющий размерность давления							(кг/см2). Обозначим этот пара
метр	через p t	и назовем его			средним			давлением			термодинамиче
ского	цикла.
В	соответствии с изложенным
			Pt								(10.28)
Подставив значение /ц				и	проведя			некоторые			преобразования,
получим
	„	_ Ра*к Tw.			,4	1	ХР		1 -	\k-l
	P t~ г - 1		Ч р -	1	)	+	k — 1			\k-l
			Ч р -	1	)	+	д
			1			1	1				(10.29)
				1		1	=*-1'				(10.29)

По своему физическому смыслу среднее давление термодина мического цикла представляет собой такое условное постоянное по величине давление, при котором в процессе изменения объема ра бочего тела от минимального v c до максимального v a совершает ся работа, равная полной работе цикла, т. е.

К = Pt(va - v c).

(10.30)

Уравнения (10.26) и (10.29) показывают, что работа и среднее давление в цикле со смешанным подводом тепла зависят от степе

246

ни сжатия, cBoi'icTB рабочего тела, характера подвода тепла к рабо чему телу и параметров рабочего тела в исходном состоянии.

При данном количестве подведенного тепла <7, и неизменных s и 1г работа /„ и среднее давление pt цикла возрастают с повы шением /. и ра и уменьшаются с увеличением о.

Цикл с подводом тепла при постоянном объеме

Цикл с подводом тепла при постоянном объеме является тер модинамической схемой рабочего процесса двигателей с принуди тельным воспламенением (искровым зажиганием). Принципиаль ная схема и процессы рабочего цикла такого двигателя, построен


ного	впервые			в	1876		г. не
мецким		механиком					Отто,
показаны на рис. 10.7.
В отличие от бескомп-
рессорных			дизелей,			в	дви
гателях		с	принудительным
воспламенением еще до на
чала процесса сгорания об
разуется		более			или		менее
однородная (так называе
мая	гомогенная)					горючая
смесь, содержащая все вво
димое в течение цикла топ
ливо.	Находящееся					в такой
горючей		смеси			топливо с
началом			воспламенения
быстро сгорает при не
большом		изменении					объ
ема рабочего тела. По
этому		процесс			сгорания
в таких		двигателях				можно
условно		представить					как
подвод		тепла		к	рабочему
телу при неизменном объе
ме. В координатах Р — v и
Т — s цикл			с подводом теп
ла при		постоянном				объеме
показан		на	рис.		10.9, а и б.
Линия		ас		соответствует
адиабатному				сжатию			рабо	Рис. 10.9.	Термодинамический цикл
чего	тела,		линия		cz — под			с подводом тепла при постоянном
воду тепла			по изохоре, ли						объеме:
ния	гв — адиабатному						рас	<7 — о к о о р д и н а т а х р — v\ 6— о к о о р д и н а т а х
									Т - s.
ширению			рабочего				тела,
ва — изохорному					отводу тепла от рабочего тела к теплоприемнику.
В связи с тем, что цикл с подводом тепла при t'=const пред
ставляет		собой частный случай						цикла	со смешанным подводом

247

тепла при р = 1, все аналитические зависимости для этого цикла могут быть получены на основе соответствующих уравнений сме шанного цикла. Гак, объем, давление и температура рабочего тела в конце процесса сжатия будут соответственно равны:

	v С
Р с = Р а - г/!\				(10.31)
т — т .		“	- 1
j с	1 а	“

Объем, давление и температура рабочего тела в конце процес са подвода тепла к рабочему телу:

Pz	= Pal&k-,	(10.32)
Tz =	Та\ в к - 1 .

Объем, давление и температура в конце расширения:

v, = va ;

P s = ~ l - = P a ^ \

(10.33)

Количество подводимого в цикле к рабочему телу тепла

q, = сV(TZТе) = cvTaBk~l (X - 1).

(10.34)

Количество тепла, отведенного от рабочего тела за цикл,

Яг = сЛ Тв - Та) = cvTa (X - 1) .

(10.35)

Термический к. п. д. цикла

^ = 1 - —

(10.36)

Положительная работа, совершаемая рабочим телом за цикл,

l«= -S ^ Z T - Р а ^ а О * - 1) •

00.37)

Среднее давление термодинамического цикла

о°-з8>

Как следует из уравнения 10.36, термический к. и. д. цикла с подводом тепла при постоянном объеме не зависит от степени по вышения давления, а определяется лишь величиной степени сжа тия £ и свойствами рабочего тела k. С повышением степени сжа

248

тия е и показателя адиабаты к термический к. п. д. цикла увели чивается.

Увеличиваются с повышением степени сжатия также удельная работа и среднее давление цикла (уравнения 10.37 и 10.38), на ко торые, кроме того, большое влияние оказывают степень повышения давления к и давление р а рабочего тела в исходном состоянии.

Цикл с подводом тепла при постоянном давлении

Рассматриваемый цикл представляет собой термодинамическую схему рабочего процесса компрессорных дизелей. Первый такой двигатель был построен в 1898 г. Р. Дизелем. В двигателях этого типа (рис. 10.10, а) топливо в цилиндр впрыскивается через фор-

Рис. 10.10, Принципиальная схема и термодинамический цикл двигателя с нод-

а— п р и н ц и п и а л ь н а я	водом тепла при постоянном давлении:
а— п р и н ц и п и а л ь н а я	с х е м а ; б— т е р м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л в к о о р д и н а т а х p—v\ в —т е р м о д и н а м и ч е с к и й
ц и к л о к о о р д и н а т а х	Г —s ; / — ц и л и н д р ; 2 — п о р ш е н ь ; о —в ы п у с к н о й к л а п а н ; '/ — ф о р с у н к а ; 5 — в п у с к н о й

к л а п а н ; 6—ш а т у н ; 7— к р и в о ш и п ; 5 — б а л л о н с с ж а т ы м в о з д у х о м .

249'

<<< < Предыдущая 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 / 4125 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ