Схема работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания пояснена на рис

Работа добавлена на сайт samzan.net:

§ 145, Процессы в двигателях внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания вошли в употребление в последние два десятилетия  XIX в. Схема  работы  четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания пояснена на рис. 365.

Рис. 365. Схема работы четырёхтактного двигателя.

Горючая смесь топлива с воздухом засасывается в цилиндр двигателя через карбюратор и в нужный момент воспламеняется электрической искрой или же жидкое топливо через форсунку впрыскивается под большим давлением в рабочий цилиндр в процессе сжатия воздуха и там самовоспламеняется от высокой температуры воздуха (чтобы обеспечить хорошее распыление, впрыскивание топлива производят под давлением в несколько сотен атмосфер).

Наряду с четырёхтактными двигателями с начала XX в. стали применять двухтактные двигатели, принцип устройства которых пояснён на рис. 366.

Рис. 366.  Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания.

В двухтактных двигателях полость, в которой происходит вращение кривошипа, устраивается герметичной; эту полость называют кривошипной камерой. Во время рабочего хода поршень, толкаемый расширяющимися продуктами сгорания, часть производимой работы затрачивает на сжатие воздуха в кривошипной камере. В некоторый момент при движении поршня вправо (согласно рис. 366) левый край поршня подходит к имеющемуся в стенке цилиндра отверстию — «выхлопному окну». При дальнейшем движении поршня отработавшие газы вырываются через это выхлопное окно, и давление в цилиндре падает. Несколько позже, при движении поршня в том же направлении, левый край поршня открывает «продувочное окно»; сжатый воздух из кривошипной камеры устремляется через продувочное окно в цилиндр и вытесняет из цилиндра остатки отработавших продуктов сгорания. Освобождение цилиндра от отработавших продуктов сгорания и наполнение его свежим воздухом продолжается до прихода поршня в правую «мёртвую» точку и на обратном пути его до момента перекрытия выхлопного окна. После этого происходит сжатие, продолжающееся до прихода поршня в левую «мёртвую» точку; сгорает новая порция топлива, и цикл повторяется.

В двигателях внутреннего сгорания рабочее расширение продуктов сгорания происходит столь быстро (при 1500 об/мин в сотую долю секунды), что большой теплоотдачи от раскалённых продуктов сгорания к охлаждаемым стенкам цилиндра и поршню не успевает произойти. Если бы этой теплоотдачи не было совсем, то сжатие и расширение в двигателе происходили бы адиабатно. Наличие потерь и неравновесность процессов учитывают тем, что считают показатель степени x в уравнении Пуассона отличающимся от теоретической величины (cpjcv) и определяют этот показатель опытным путём. Уравнение pvn=const с эмпирическим показателем степени nx. называют уравнением политропы.

При расширении с потерями энергии, вызванными теплоотдачей, политропа круче спадает к оси объёмов, чем адиабата, так как уменьшение давления происходит не только вследствие расширения, но и вследствие дополнительного охлаждения газа, вызванного теплоотдачей; поэтому nрасш>x и  разность nрасш - x может служить мерой теплопотерь. Однако в начальной стадии рабочего расширения в двигателях внутреннего сгорания высокая температура газа поддерживается продолжающимся сгоранием топлива. По указанной причине политропа в начальной стадии рабочего расширения оказывается более пологой, чем адиабата (показатель степени для политропы в начальной стадии расширения на 0,1—0,2 меньше, чем показатель степени для адиабаты). В последующей стадии рабочего расширения вследствие охлаждения продуктов сгорания при их соприкосновении со стенками цилиндра и поршнем политропа расширения пересекает адиабату и круче спадает к оси объёмов, чем адиабата (в этой стадии показатель степени в уравнении политропы на 0,1—0,2 превышает показатель степени в уравнении адиабаты). В итоге средний показатель степени в уравнении политропы всего процесса расширения в целом оказывается примерно таким же, как показатель степени в уравнении адиабаты при высокой температуре продуктов сгорания (так, для бензиновых двигателей nрасш1,24, причём при температуре порядка 2000° вследствие увеличения теплоёмкостей cр и сv величина х =cp/cv1,24; для процессов сжатия в двигателях внутреннего сгорания в среднем nсж=1,33).

Идеализированный цикл двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием (четырёхтактного двигателя или же двухтактного — это безразлично) — так называемый цикл Отто—изображён на рис. 367.

Рис. 367. Цикл Отто.

Процессы в двигателе внутреннего сгорания в действительности не составляют замкнутого цикла, так как продукты сгорания после их выхлопа и охлаждения не являются, конечно, тождественными с исходной рабочей смесью топлива и воздуха. Но можно показать, что для термодинамического вычисления эффективности двигателя указанное обстоятельство не имеет большого значения: коэффициент полезного действия двигателя существенно не изменился бы, если бы рабочим веществом в двигателе был идеальный газ, внезапно получающий извне теплоту, равную теплоте сгорания топлива, и после рабочего расширения и изохорного охлаждения возвращающийся в исходное состояние.

Для цикла Отто, так же как и для рассматриваемого ниже цикла Дизеля, весьма важной величиной, определяющей эффективность использования теплоты сгорания, является степень сжатия горючей смеси:

=v1/v2, где v1 и v2 — объёмы в начале и в конце сжатия. В двигателях,

цикл   которых  близок к  циклу  Отто,   смесь  воздуха  с  топливом вводится в цилиндр через карбюратор перед сжатием (точка /) или же в других конструкциях топливо впрыскивается в цилиндр во время сжатия. К концу сжатия (точка 2), когда в цилиндре должна произойти вспышка, введённое в цилиндр топливо благодаря интенсивному перемешиванию его с воздухом и повышению температуры оказывается уже достаточно хорошо подготовленным для быстрого сгорания. Подготовленная так смесь воспламеняется электрической искрой и сгорает настолько быстро, что процесс сгорания протекает при почти неизменном объёме (линия 2—3). Во избежание преждевременного самовоспламенения горючей смеси в двигателях, работающих по циклу Отто, приходится ограничиваться небольшой степенью сжатия (= 4—8). После рабочего расширения продуктов сгорания (линия 3—4) следует выхлоп (линия 4—1). Действительный ход процессов показан на рис. 367 пунктиром.

Вычисление, которое легко может быть выполнено посредством уравнений Клапейрона и Пуассона, показывает, что термодинамический к. п. д. цикла Отто равен:

(19)

где для идеализированного цикла х — показатель степени в уравнении адиабаты. Указанной простой формулой, подставляя в неё вместо х эмпирический показатель степени n, часто пользуются в ориентировочных расчётах для определения так называемого индикаторного к. п. д. i который после умножения его на механический к. п. д. двигателя даёт эффективный к. п. д. e (механический к. п. д. учитывает потери на трение и привод вспомогательных механизмов; эти потери обычно не превышают 15—25%, поэтому при ориентировочной оценке эффективного к. п. д. часто принимают e=0,8i).

Эффективный к. п. д. карбюраторных и газовых двигателей чаще всего составляет 24—28%.

Рис. 368. Цикл Дизеля.

В двигателях, работающих по циклу Дизеля (рис. 368), в начале сжатия (линия 1—2) цилиндр наполняется чистым воздухом и топливо вбрызгивается в цилиндр незадолго до конца сжатия (вблизи точки 2), когда температура воздуха в цилиндре, сжатого до давления 30—34 am, уже значительно превосходит температуру самовоспламенения рабочей смеси. Жидкое топливо поступает в цилиндр в мелкораспылённом состоянии, самовоспламеняется и сгорает при почти неизменном давлении (линия 2—3). Далее следуют рабочее расширение (линия 3—4) и выхлоп (линия 4—1). Большая степень сжатия

(от =12 до =20) обеспечивает двигателям Дизеля высокий коэффициент полезного действия. Эффективный к. п. д. этих двигателей составляет 30—35%. Наиболее высокий к. п. д. (до 38%) имеют так называемые бескомпрессорные дизели, у которых начальная стадия горения рабочей смеси идёт почти при неизменном объёме, а последующая стадия горения продолжается при мало изменяющемся давлении.

Основным топливом для двигателей внутреннего сгорания служат продукты перегонки нефти: бензин, лигроин, керосин, газойль и соляровое масло, получаемое выделением мазута из тяжёлых остатков нефти. При переработке нефти широко применяют крекинг нефти — термическое разложение углеводородов нефти на более простые под влиянием нагрева до 500—650°С, часто при давлении в несколько десятков атмосфер; при крекинге получается примерно в два раза больше бензина, чем при простой перегонке. По количеству природных запасов нефти Советский Союз стоит на первом месте: мы располагаем более чем половиной мировых запасов нефти.

При сгорании бензина, керосина, солярового масла выделяется 10000—11000 ккал на каждый кг топлива. Работа одной лошадиной силы в час эквивалентна 634 ккал. Стало быть, если при сжигании 1 кг топлива выделяется 10500 ккал (это число считают стандартной теплотворностью топлива), то при 100-процентном превращении тепла в работу для получения 1 л. с. в час потребовалось бы

634/10500=0,060 кг топлива.   Поскольку   в   работу  в   действительности

превращается только часть энергии, выделяемой топливом, равная эффективному к. п. д. двигателя, то для получения 1 л. с. в час требуется не 60 г топлива, а в 1/e раз большее количество топлива.

Таким   образом,   удельный   расход   топлива  на  лошадиную   силу

в час равен 60/e г/л.с. час.   Отсюда получается, что при эффективном

к. п. д. в 33% (е=0,33 соответствует средней эффективности дизелей) удельный расход топлива составляет 180 г/л.с.час; при e=0,25 (как это обычно имеет место у карбюраторных моторов) расход топлива составляет 240 г/л. с. час, а при e=0,2 удельный расход топлива достигает 300 г/л. с. час.

Для сгорания 1 кг бензина, керосина или дизельного топлива требуется около 15 кг воздуха. Приблизительно в такой пропорции вводится воздух в цилиндры карбюраторных двигателей. Но в дизелях хорошее сгорание капелек более тяжёлого топлива достигается только при значительных избытках воздуха, который засасывают поэтому (при полной нагрузке двигателя) в количествах в 1,5—2 раза больших, чем указанное выше (а при недогрузках в ещё больших количествах). В связи с этим резко различаются температурные режимы дизелей и карбюраторных моторов. Так, например, температура сгорания бензина в авиационных двигателях достигает 2400—2500°С, а температура продуктов сгорания при выхлопе (который для получения большой мощности при малых габаритах двигателя производится при 4-—5 избыточных атмосферах) остаётся ещё весьма высокой и составляет 1200—1400° С. Для дизелей более характерны температуры сгорания порядка 1600—1700° С и температуры выхлопа 500—700°С.

Если проанализировать тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания, то сразу обнаруживается, что теплота, не превращённая в работу, слагается главным образом из тепла, уносимого продуктами сгорания при выхлопе, и теплоты, отданной охлаждающей среде через стенки цилиндра. Когда выхлоп производится при небольшом избыточном давлении (это осуществимо только в стационарных двигателях, где нет необходимости стремиться к предельной компактности двигателя), то теплота, уносимая продуктами сгорания при выхлопе, является термодинамически неизбежной потерей и может быть только косвенно использована для каких-либо целей подогрева. При больших избыточных давлениях выхлопа (как в авиационных моторах) остаточное теплосодержание выхлопных газов может быть непосредственно использовано для получения дополнительной работы; с этой целью выхлопные газы направляют в газовую турбину, которая вращает нагнетатель, поджимающий воздух, подаваемый в двигатель.

Что касается теплоты, отдаваемой продуктами сгорания через стенки цилиндров охлаждающей среде (например, охлаждающей воде), то хотя эта теплота часто составляет около 1/3 энергии, внесённой сгорающим топливом, но устранение этой теплоотдачи не может намного увеличить производимую двигателем работу. Действительно, примерно половина этой теплоты отдаётся через стенки цилиндров охлаждающей воде после открытия выхлопного клапана; если бы этой теплоотдачи не было, то это тепло было бы унесено выхлопными газами. Из остающейся половины примерно 2/3 тепла отдаются охлаждающей среде к концу хода расширения, когда площадь соприкосновения газов и стенок цилиндра велика. Эффективность этого тепла в связи с понизившимся давлением газов весьма мала. Таким образом, примерно только 1/6 тепла, отданного охлаждающей среде, могла бы быть более или менее эффективно (допустим с к. п. д. в 40%) превращена в работу. Следовательно, производимая двигателем работа возросла бы примерно только на 1/15 тепла, отданного охлаждающей среде, т. е. эффективный к. п. д. двигателя при полном устранении теплоотдачи к охлаждающей среде возрос бы не более чем на 2—4°/0. Тот же итог получится, если, доведя жидкость, охлаждающую двигатель, до кипения, использовать её во вспомогательной паровой машине.

Сказанным объясняется, почему главное внимание при усовершенствовании двигателей внутреннего сгорания было обращено на: 1) устранение потерь в начальной стадии рабочего расширения, когда давление, а поэтому и работоспособность газов велики; 2) обеспечение условий возможно более полного сгорания топлива (что для малолетучих моторных топлив и привело к дизельному циклу в варианте бескомпрессорного дизеля); 3) использование давления выхлопа присоединением к двигателю газовой турбины; 4) уменьшение размеров и веса двигателей (вес авиационных двигателей удалось довести примерно до 1/2 кГ на 1 л. с. их мощности).

Чтобы правильно оценить значение двигателей внутреннего сгорания, достаточно вспомнить, что эти двигатели привели к повсеместному использованию автомашин, обеспечили развитие авиации, позволили моторизировать сельское хозяйство: к 1954 г. на полях Советского Союза работали свыше миллиона тракторов (в переводе на 15-сильные) и сотни тысяч самоходных сельскохозяйственных машин; дизели получили широкое применение на электростанциях, на судах (теплоходах), на локомотивах (тепловозах), в танках, в землечерпательных машинах и т. д.

1. а ~~ мен~ нинди зур витамин каба Тф~ тф~ борчак бит бу витамин т~гел тагын алдагансы~ инде ~бием
2. Лабораторна робота 3
3. 9 Лабораторная работа 1 1
4. Демокрит о человеке и нравственности
5. дон Хуан. В испанском языке дон ~ это обращение выражающее уважение
6. Правовая реформа в современной России
7. Целью этого процесса является найти как можно больше ошибок сделанных на этом этапе
8. остеосинтез Существуют различные классификации остеосинтеза
9. а потребляемая им мощность снизится с 10 до 8 кВт
10. Leonhard Euler
11. 3 Масштабы развития СП в РБ и факторы определяющие тенденцию
12. Пермский государственный педагогический университет Кафедра анатомии физиологии и валеологии
13. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата юридичних наук Харків ~2
14. Немецкая историческая школа
15. Производительность труда, кадры и заработная плата в строительстве
16. тема знаков 2Виды знаков и их эволюция
17. Технічне обслуговування та ремонт муфти зчеплення
18.  Доходність проекту характеризується наведеним нижче законом розподілу- Ймов
19. Тема 2 Техническое обслуживание двигателя систем охлаждения и смазки Формируемые умения и навыки- Провер
20. Вариант 6. 1. Опека и попечительство устанавливаются для защиты прав и интересов недееспособных или не полно.html

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе