Принципиальное устройство и работа двигателей внутреннего сгорания

1.

ТЕПЛОТЕХНИКА
Тема: «Принципиальное устройство и работа двигателей
внутреннего сгорания»

2.

Тема: «Принципиальное устройство и работа
двигателей внутреннего сгорания».
Цель:
1. Ознакомление с классификацией современных ДВС.
2. Усвоить принципиальное устройство и работу ДВС.
3. Ознакомить с термодинамическими процессами,
происходящими в ДВС.
Общие сведения
Двигатели внутреннего сгорания – это тепловой двигатель,
внутри которого происходит сжигание топлива и
преобразование
части
выделившейся
теплоты
в
механическую работу.

3.

§1. Классификация ДВС
ДВС
по способу подвода тепла
с+q1 при v=const
(с внешним
смесеобразованием,
карбюраторные)
с+q1 при p=const
(с внутренним
смесеобразованием,
дизельные)
с+q1 при v=const, p=const
(с внутренним смесеобразованием и смешанным
подводом тепла)
по тактности
двухтактные
четырехтактные
двухтактные
четырехтактные
двухтактные
четырехтактные

4.

Карбюраторные
воздух
топливо
смесеобразование
впуск
Дизельные
впуск воздуха
сжатие
топливо
сжатие
Смесеобразование,
воспламенение и
сгорание
Воспламенение и сгорание
расширение
расширение
выпуск
выпуск

5.

§2. Назначение ДВС
Двигатели
внутреннего
сгорания
предназначены
для
преобразования тепловой энергии сгорающего топлива в
механическую работу.
§3. Устройство ДВС
ВМТ - верхняя мёртвая точка;
НМТ - нижняя мёртвая точка;
Uсж - объём сжатия;
Uп - полный объём;
Uр - рабочий объём;
hр - рабочий ход поршня;
1 - корпус;
2 - цилиндр;
3 - клапан впуска;
4 - клапан выпуска;
5 - свеча зажигания;
6 - поршень;
7 - шатун;
8 - кривошип;
9 - вал;
10 - маховик.

6.

§4. Принцип работы
При сжигании рабочей смеси в цилиндре сила давления газов
толкает поршень вниз и через кривошипно-шатунный механизм
вращает вал и раскручивает маховик. В исходное положение
поршень возвращается по инерции (за счет энергии маховика).
На этом цикл заканчивается и все начинается вновь. Цикл
включает 4 такта. Механический цикл совпадает с
термодинамическим.
Такт двигателя - это перемещение поршня из одной мертвой
точки в другую и соответствующие термодинамические
процессы, происходящие в цилиндре.
Изобразим термодинамический цикл.
Получили
индикаторную
диаграмму,
образованную
реальными термодинамическими процессами одного цикла
работы ДВС.

7.

Четырехтактный ДВС
1
2
1). Всасывание.
Всасывание рабочей смеси происходит на отрезке 0-1
Клапан 1 открыт, а клапан 2 закрыт.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

1
2
2). Сжатие.
Сжатие рабочей смеси происходит на отрезке 1-2
Клапаны 1 и 2 закрыты.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

53.

54.

3). Сгорание и расширение (рабочий ход).
1 2
Сгорание смеси и расширение (работа) происходит на отрезке 2-3-4
Клапаны 1 и 2 закрыты.

55.

56.

57.

58.

59.

60.

61.

62.

63.

64.

65.

66.

67.

68.

69.

70.

71.

72.

73.

74.

75.

76.

77.

78.

79.

80.

4). Выпуск рабочего тела.
Выпуск отработанных газов происходит на интервале 4-0
Клапан 1 закрыт, а клапан 2 открыт

81.

82.

83.

84.

85.

86.

87.

88.

89.

90.

91.

92.

93.

94.

95.

96.

97.

98.

99.

100.

101.

102.

103.

104.

В ДИНАМИКЕ

105.

§ 5. Индикаторная диаграмма в координатах РV
li l р lсж q -q
1 2
li-полезная работа цикла,
lр, lсж-работа расширения и
сжатия
Точка «0» изображает исходное
состояние рабочего тела (воздух
или смесь воздуха с топливом).
Отрезок
0,
1-кривая
всасывания
p<pатм,
поршень
движется от НМТ к ВМТ.
Отрезок 1, 2-кривая сжатия
рабочего тела (близка к адиабате).
Рабочий ход поршня (поршень
движется от ВМТ к НМТ)
изображен в виде двух отрезков:
отрезок 2, 3 -кривая подвода тепла
(процесс близок к изохорному),
отрезок 3, 4- кривая расширения
газов (близкая к адиабате).

106.

Отрезок 4, 0- кривая выпуска отработанных газов р>pатм,
поршень движется от НМТ к ВМТ.
На этом цикл заканчивается и все начинается вновь. За
полный цикл поршень делает 4 хода, а вал совершает 2
оборота. Из 4-х тактов
только один такт (3-й) рабочий,
остальные-холостые. При холостых тактах вал вращается по
инерции.

107.

§ 6. Принципиальное устройство двухтактного ДВС
5
4
1
2
3
6
7
8
Устройство:
1.Впускной трубопровод;
2.Компрессор для сжатия
рабочего тела;
3.Поршень;
4.Впускной клапан;
5.Форсунка (свеча зажигания);
6.Выпускной трубопровод;
7.Ресивер для сжатого
воздуха;
8.Впускные окна.

108.

§6. Принцип работы
клапаны
Первый такт:
1. Поршень движется
из ВМТ к НМТ;
2.Сгорание
рабочей
смеси 1-2;
3.Расширение горячих
газов 2-3;
4.…

109.

клапаны
Первый такт:
1.Поршень движется
из ВМТ к НМТ;
2.…
3.…
4.Выхлоп
через
откры-тые
выхлопные
клапаны 4, процесс 3-45.

110.

Второй такт:
1.Поршень движется
из НМТ к ВМТ;
2.Продувка и введение новой порции
рабочего тела в
цилиндр 5-6;
3….
4….

111.

Второй такт:
1.Поршень движется
из НМТ к ВМТ;
2….
3.Сжатие
рабочего
тела 6-1;
4.На этом цикл работы заканчивается.

112.

§ 8. Индикаторная диаграмма двухтактного ДВС
Отличие двухтактного
li l р lсж q -q
1 2
ДВС от четырехтактного вместо клапанов впуска и
выпуска имеются окна.
li
-полезная (индикатор-
ная)
работа
реального
цикла.
li l р lсж q1 q2

113.

Весь цикл совершается за два хода поршня, из
которых один рабочий, следовательно мощность такого
двигателя больше примерно на 60% (при тех же
габаритах), чем у четырехтактного
Любой из двух способов подвода тепла (при p=const
или при v=const) может быть осуществлен как в
двухтактном, так и четырехтактном двигателе.
Анализ мощности и экономичности приводится с
помощью идеальных циклов ДВС.

114. § 9. Идеальные циклы ДВС

Идеальные циклы – циклы, изображенные
идеальными термодинамическими процессами с
некоторыми допущениями с целью облегчения
теоретического осмысления.
Допущения: химический состав рабочего тела
считается постоянным, процессы сжатия 1, 2 и
расширения 3, 4 считаются адиабатными, а процесс
подвода тепла считается изобарным для дизеля и
изохорным для карбюраторного двигателя.

115. § 10. Идеальный цикл с подводом тепла (цикл Отто 1878 г.).

В процессе подвода тепла сжигается карбюрированная смесь.
l - полезная работа идеального
цикла.
Цикл изображается двумя
адиабатами и двумя изохорами:
1, 2 – адиабата сжатия смеси;
2, 3 – изохора подвода тепла
(начало рабочего хода);
3, 4 – адиабата расширения
газов;
4, 1 – изохора отвода тепла –
это условная линия чтобы
замкнуть
цикл.
Фактически
отработавший газ выбрасывается
и заменяется новой порцией
рабочей смеси.

116.

Запишем формулу для термического КПД:
Т
q1 q2
q1
Если написать уравнение, связывающее параметры р, V, Т для процессов,
образующих цикл, то можно получить:
Т 1
1
V2
V1
увеличении степени сжатая произойдёт
увеличение КПД. Но с ростом степени сжатия возникает явление детонации (при
>9). Детонационное горение происходит при повышении температуры рабочей
смеси до значения, большего температуры самовоспламенения. Для борьбы с
детонацией степень сжатия (для карбюраторных двигателей) ограничивают до
<9. Детонационные свойства топлива понижают введением в него
антидетонатора (тетроэтилсвинец Pb(C2H5)4). Поэтому отработанные газы от
карбюраторного двигателя очень токсичны.
Для каждой марки бензина его антидетонационные свойства характеризуются
октановым числом.
Пример.
АИ-76 - буква “И” говорит о том, что бензин этилирован, “76” - октановое
число.
При необходимости дальнейшего увеличения степени сжатия ( >9) переходят
на дизельное топливо.
k 1, где

117.

§11. Идеальный цикл с подводом тепла при постоянном
давлении (цикл дизеля 1898 г.).
Особенности цикла: сжимается воздух ( =20; t=800°С); дизельное
топливо впрыскивается через форсунку и самовоспламеняется, т.к.
температура самовоспламенения топлива меньше температуры сжатого
воздуха (tвоспл.=670°С). При таких высоких температурах представляется
возможным сжимать низкосортные, состоящие из тяжёлых фракций
топлива.
Изобразим идеальный цикл Дизеля.
Идеальный цикл изображён двумя
адиабатами 1, 2 и 3, 4, изохорой 4, 1 и
изобарой 2, 3 (подвода тепла).
1,2 - адиабата сжатия воздуха (такт
сжатие).
2,3 - изобара подвода тепла при
сжигании топлива (такт рабочий ход).
3,4 - адиабата расширения газа после
сгорания топлива (рабочий ход).
4,3 - изохора отвода тепла - условная
линия для замыкания цикла.

118.

Запишем формулу КПД для данного цикла:
q1 q2
к 1
Т
; Т 1
q1
К к 1
К=1,4 - показатель адиабаты.
3
- степень предварительного расширения газа.
2
Из формул видно, что при повышении растёт и T, а при увеличении
происходит падение T, т.к. в числителе k. Физически это объясняется
так: при увеличении нужна добавка количества тепла q’. Для
анализа q’ изобразим цикл в координатах ТS.

119.

Из диаграммы видно, что q
уменьшается с увеличением ,
т.е.
эффективность
превращения тепла в работу
уменьшается. Для решения этой
проблемы необходимо ускорить
процесс сжигания топлива. Это
достигается
в
дизелях
со
смешанным подводом тепла, где
сгорание
осуществляется
вначале при постоянном объёме,
а
затем
при
постоянном
давлении.
Подвод тепла (цикл Тринклера).
Для этого нужно топливо подавать к
форсунке под большим давлением.

120.

Оборудование для выполнения лабораторной работы:
•Компьютер Pentium II, 32 Мb, MS Windows 95 или 98;
•Программа Microsoft PowerPoint ’97 или 2000.
Порядок выполнения работы:
•включите компьютер;
•запустите программу PowerPoint;
•откройте файл «ДВС.РРТ»;
•работать с программой до усвоения материала.

121.

Контрольные вопросы:
1.Что называется ДВС?
2. Классификация ДВС.
3. Принципиальное устройство четырехтактного ДВС.
4. Что называется тактом и циклом?
5. Принцип работы четырехтактного ДВС.
6. Индикаторная диаграмма четырехтактного ДВС.
7. Принципиальное устройство двухтактного ДВС.
8. Принцип работы двухтактного ДВС.
9. Индикаторная диаграмма двухтактного ДВС.