Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 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 рабо чий цилиндр в процессе сжатия воздуха и там самовоспламеняется от высокой температуры воздуха (чтобы обеспечить хорошее распы ление, впрыскивание топлива производят под давлением в несколько сотен атмосфер).
Наряду с четырёхтактными двигателями с начала XX в. стали применять двухтактные двигатели, принцип устройства которых пояс нён на рис. 366.
Рис. 366. Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания.
В двухтактных двигателях полость, в которой про исходит вращение кривошипа, устраивается герметичной; эту полость называют кривошипной каме рой. Во время рабочего хода поршень, толкаемый расширяю щимися продуктами сгорания, часть производимой работы за трачивает на сжатие воздуха в кривошипной камере. В некоторый момент при движе нии поршня вправо (согласно рис. 366) левый край поршня подходит к имеющемуся в стенке цилиндра отверстию — «выхлопному окну». При дальнейшем движении поршня отрабо тавшие газы вырываются через это выхлопное окно, и давле ние 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 отра ботавших продуктов сгорания. Освобождение цилиндра от отработав ших продуктов сгорания и наполнение его свежим воздухом продол жается до прихода поршня в правую «мёртвую» точку и на обратном пути его до момента перекрытия выхлопного окна. После этого про исходит 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 сгора ния к охлаждаемым стенкам цилиндра и поршню не успевает про изойти. Если бы этой теплоотдачи не было совсем, то сжатие и рас ширение в двигателе происходили бы адиабатно. Наличие потерь и неравновесность процессов учитывают тем, что считают показатель степени x в уравнении Пуассона отличающимся от теоретической ве личины (cpjcv) и определяют этот показатель опытным путём. Урав нение pvn=const с эмпирическим показателем степени nx. 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 тепло отдачей; поэтому nрасш>x и разность nрасш - x может служить мерой теплопотерь. Однако в начальной стадии рабочего расширения в двигателях внутреннего сгорания высокая температура газа поддер живается 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 пре вышает 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 продук тов сгорания (так, для бензиновых двига телей nрасш1,24, причём при температуре порядка 2000° вследствие увеличения теплоёмкостей cр и сv величина х =cp/cv1,24; для процессов сжатия в двигателях внутрен него сгорания в среднем nсж=1,33).
Идеализированный цикл двигателя вну треннего сгорания с принудительным зажи ганием (четырёхтактного двигателя или же двухтактного — это безразлично) — так называемый цикл Отто—изо бражён на рис. 367.
Рис. 367. Цикл Отто.
Процессы в двигателе внутреннего сгорания в дей ствительности не составляют замкнутого цикла, так как продукты сгорания после их выхлопа и охлаждения не являются, конечно, тож дественными с исходной рабочей смесью топлива и воздуха. Но можно показать, что для термодинамического вычисления эффективности двига теля указанное обстоятельство не имеет большого значения: коэффициент полезного действия двигателя существенно не изменился бы, если бы рабочим веществом в двигателе был идеальный газ, внезапно получаю щий 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 исполь зования 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 пере мешиванию его с воздухом и повышению температуры оказывается уже достаточно хорошо подготовленным для быстрого сгорания. Под готовленная так смесь воспламеняется электрической искрой и сгорает настолько быстро, что процесс сгорания протекает при почти неизменном объёме (линия 2—3). Во избежание преждевременного само воспламенения 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 ориентировоч ных 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%, по этому при ориентировочной оценке эффек тивного к. п. д. часто принимают e=0,8i).
Эффективный к. п. д. карбюраторных и газовых двигателей чаще всего со ставляет 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 ци линдр незадолго до конца сжатия (вблизи точки 2), когда температура воздуха в цилиндре, сжатого до давления 30—34 am, уже значительно превосходит температуру самовоспла менения рабочей смеси. Жидкое топливо поступает в цилиндр в мелко распылённом состоянии, самовоспламеняется и сгорает при почти неизменном давлении (линия 2—3). Далее следуют рабочее расши рение (линия 3—4) и выхлоп (линия 4—1). Большая степень сжатия
(от =12 до =20) обеспечивает двигателям Дизеля высокий коэф фициент 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 ста дия горения рабочей смеси идёт почти при неизменном объёме, а по следующая стадия горения продолжается при мало изменяющемся давлении.
Основным топливом для двигателей внутреннего сгорания служат продукты перегонки нефти: бензин, лигроин, керосин, газойль и соля ровое 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 при родных 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 лошади ной силы в час эквивалентна 634 ккал. Стало быть, если при сжи гании 1 кг топлива выделяется 10500 ккал (это число считают стандартной теплотворностью топлива), то при 100-процентном пре вращении 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 тре буется 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 ди зелей) 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 темпера тура продуктов сгорания при выхлопе (который для получения боль шой мощности при малых габаритах двигателя производится при 4-—5 избыточных атмосферах) остаётся ещё весьма высокой и соста вляет 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 избы точном давлении (это осуществимо только в стационарных двигателях, где нет необходимости стремиться к предельной компактности двига теля), то теплота, уносимая продуктами сгорания при выхлопе, является термодинамически неизбежной потерей и может быть только косвенно использована для каких-либо целей подогрева. При больших избы точных давлениях выхлопа (как в авиационных моторах) остаточное теплосодержание выхлопных газов может быть непосредственно ис пользовано для получения дополнительной работы; с этой целью вы хлопные газы направляют в газовую турбину, которая вращает нагне татель, 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 остаю щейся 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 пони зившимся 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 ра боту. 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 усовершен ствовании двигателей внутреннего сгорания было обращено на: 1) устранение потерь в начальной стадии рабочего расширения, когда давление, а поэтому и работоспособность газов велики; 2) обеспе чение условий возможно более полного сгорания топлива (что для малолетучих моторных топлив и привело к дизельному циклу в ва рианте бескомпрессорного дизеля); 3) использование давления выхлопа присоединением к двигателю газовой турбины; 4) уменьшение разме ров 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 сго рания, достаточно вспомнить, что эти двигатели привели к повсемест ному использованию автомашин, обеспечили развитие авиации, позво лили моторизировать сельское хозяйство: к 1954 г. на полях Совет ского 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 землечерпа тельных машинах и т. д.