Тема 3.1 основы теории двс 09. 2012

Индикаторные диаграммы 4-х и 2-х тактного двигателей. Основные показатели.

1. Некоторые сведения из термодинамики:

ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Физический смысл первого закона термодинамики, или, как его часто называют, первого начала термодинамики, состоит в том, что превращение теплоты в механическую работу и обратно происходит в строго эквивалентном соотношении

Если в механическую работу превращается Q _ДЖ теплоты, то полученная работа L выразится таким же количеством джоулей.

Математически первый закон записывается следующим образом:

Q = L.

Уравнение является частным случаем общего закона сохранения и превращения энергии, сформулированного М. В. Ломоносовым.

Полный запас энергии газа (а также твердого или жидкого тела) называется внутренней энергией. Он складывается из внутренней кинетической и внутренней потенциальной энергий.

Второй закон, или второе начало, термодинамики был сформулирован Клаузиусом (1850 г.): «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более нагретому». Эта очевидная истина называется также постулатом Клаузиуса.

Таким образом, из второго закона вытекает, что для осуществления передачи теплоты необходимы два источника различной температуры, т. е. «горячий» и «холодный».

Изменение состояния газа, т. е. его параметров, называется термодинамическим процессом.

В реальных условиях параметры Т и р в ходе процесса изменяются неодновременно по всей массе газа. В процессе сжатия газа в цилиндре, по мере уменьшения объема, слои газа, расположенные ближе к поршню, будут больше сжаты, а следовательно, давление и температура их будут выше, чем у слоев, находящихся дальше от поршня.

Процессы, в которых давления и температуры в каждый данный момент неодинаковы по всей массе газа, называются неравновесными. Изучать неравновесные процессы весьма трудно, так как их нельзя изобразить графически. Для упрощения исследования процессов в термодинамике рассматриваются равновесные процессы, в которых температуры и давления по всей массе газа в каждый момент считаются одинаковыми. При этом условии состояния газа в осях V p могут характеризоваться точками, а равновесные процессы — линией, проходящей через ряд таких точек.

Равновесные процессы обладают свойством обратимости, состоящим в том, что процесс совершается сначала в прямом, а затем в обратном направлении, причем по окончании его рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

Процессы, в которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, являются замкнутыми и называются круговыми процессами, или циклами.

В зависимости от характера протекания и способа подвода теплоты рассматриваемые в термодинамике процессы разделяются на:

а) изохорный, протекающий при постоянном объеме газа, т.е.при V=const;

б) изобарный, совершающийся при постоянном давлении, т.е.при p=const

в) изотермический, при котором температура газа остается постоянной, т. е.

Т=const;

г) адиабатный, протекающий без подвода и отвода теплоты;

д) политропный, протекающий с подводом и отводом теплоты.

Идеальным циклом двигателя внутреннего сгорания называется равновесный цикл, представляющий собой совокупность последовательных процессов, совершаемых идеальным газом в цилиндре идеального двигателя.

Эти отступления сводятся к следующему:

а) состав и количество газа за цикл остаются постоянными, т.е.предполагается, что с идеальным газом, находящимся в цилиндре, совершаются только физические изменения и что процессы наполнения и выпуска отсутствуют;

б) теплота подводится к газу извне, а не в процессе сгорания топлива в цилиндре;

в) процессы сжатия и расширения являются адиабатными, т. е. протекают без теплообмена с внешней средой; предполагается, что стенки цилиндров не теплопроводны и что потери теплоты на трение и лучеиспускание отсутствуют;

г) теплоемкость газа не зависит от температуры;

д) после адиабатного расширения производится не выпуск газа, а отдача тепла холодному источнику при постоянном объеме.

Идеальные циклы — основа изучения действительных циклов, происходящих в реальных двигателях. Результаты исследования идеальных циклов позволяют сравнивать по степени использования теплоты различные типы двигателей независимо от их конструктивного выполнения.

Единой мерой количества энергии по Международной системе единиц измерения СИ является джоуль (дж). Джоулем называется механическая работа, совершаемая силой в один ньютон на пути в один метр.

Кроме того, для измерения механической энергии применяются килограммометры (кгс_*м), а для измерения тепловой энергии — килокалории (ккал).

Соотношения между этими единицами следующие:

1 кгс_*м = 9,81 н_*м = 9,81 дж; 1

1 дж = 1/9,81 кг_*м = 0,102 кг_*м; 1

1 ккал = 427 кг_*м = 4186,8 дж.

Количество материи (вещества) измеряется массой, за единицу которой в системе СИ принят килограмм (кг). Эталоном единицы массы служит платино-иридиевый прототип, представляющий собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм.

Единица силы в системе СИ является производной величиной, определяемой вторым законом Ньютона и названной его именем.

Ньютоном (н) называется сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение, равное 1 м/сек².

В системе МКГСС за единицу силы принимается сила 1 кгс (килограмм-сила), которая массе в 1 кг сообщает ускорение 9,81 м/сек² (точно 9,80665 м/сек²). Следовательно, 1/кгс = 9,81 н = 10 н.

2. Теоретический цикл

цикл — это замкнутый круговой процесс, завершающийся возвращением рабочего тела в первоначальное состояние. В тепловых машинах циклы непрерывно повторяются. Различают прямые и обратные циклы. В прямом цикле линия сжатия расположена под линией расширения, и цикл, при графическом изображении его, совершается по часовой стрелке. Линия сжатия в обратном цикле находится над линией расширения, в связи с чем цикл протекает против часовой стрелки.

Степень совершенства каждого цикла определяется термическим к. п. д., обозначаемым η_t. η_t = Q₁- Q₂ / Q₁=1- Q₂ / Q_{1 ,} где

Q₁ — количество теплоты, подведенное к рабочему телу в течение цикла;

Q₂ — количество теплоты, отведенное от рабочего тела.

Разность Q₁- Q₂ =L является теплотой, превращенной в механическую работу.

При рассмотрении циклов двигателей в термодинамике допускается ряд отступлений от реальных условий протекания процессов, т. е. эти условия приближаются к идеальным с целью упрощения исследования циклов

Классификация циклов

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.) относятся к тепловым двигателям, в которых скрытая химическая энергия топлива трансформируется в тепловую, а затем в механическую работу. Для осуществления такого превращения в поршневых д. в. с. неза­висимо от их тактности должны быть осуществлены следующие пять термодинамических и вспомогательных процессов: 1) заполнение ци­линдров свежим зарядом (впуск); 2) сжатие этого заряда; 3) сгорание топлива; 4) расширение образовавшихся и сильно нагревшихся при сго­рании газов и 5) очистка цилиндров от продуктов сгорания (выпуск).

В реально выполненных поршневых д. в. с. цикл может быть осуще­ствлен за один оборот коленчатого вала — два хода поршня в двухтакт­ных двигателях или за два оборота — четыре хода поршня в четырех­тактных двигателях

В настоящее время применительно к поршневым д. в. с. известны три принципиально различных цикла:

а) цикл быстрого сгорания (Отто);

б) цикл постепенного сгорания (Дизеля) и

в) смешанный цикл (Тринклера-Сабатэ).

Эффективность каждого из перечисленных циклов различна и зависит от совершенства термодинамических процессов, составляющих цикл, и условий, при которых они совершаются.

Кроме того, работа идеальных двигателей характеризуется полным отсутствием механических и гидравлических или насосных потерь при перезарядке (впуск и выпуск) цилиндров.

Цикл быстрого сгорания.

Рис. 26.1. Индикаторные диаграммы циклов Отто ( с изохорным подводом теплоты).

а — действительный; б — теоретический; в — идеальный; Va— общий объем цилиндра; Vh— полезный объем цилиндра; Vc—объем камеры сгорания; rа — впуск; ас — сжатие; cz — сгорание (подвод тепла); zb — расширение; br— выпуск; bа — в теоретическом и идеальном циклах — отвод тепла

Применительно к реальным поршневым двигателям цикл Отто ха­рактеризуется впуском горючей смеси, ее сжатием, принудительным вос­пламенением от постороннего источника и быстрым сгоранием при V=const. По этому циклу ** работают все двух и четырехтактные карбю­раторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную систему ( распределенный впрыск) или в цилиндр двигателя с электроискровым и калоризаторным воспламенением.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия и показывает,во сколько раз воздух сжимается в цилиндре.

ε = Va\ Vc

Цикл Дизеля с изобарным подводом теплоты.

Рис. 26.2. Индикаторные диаграммы циклов Дизеля:

a — действительный; б — теоретический, в — идеальный.

На рис. 26.2,а,б и в приведены диа­граммы: действительного теоретического и идеального циклов Дизеля. Характерным в работе реальных двигателей по циклу Дизеля является впуск воздуха, его сжатие до давления р_с, обеспечивающего получение высоких температур, ввод топлива в конце сжатия и его постепенное сжигание по мере поступления в цилиндр с сохранением при этом примерно давления газов р = const. В двигателях этого типа воспламенение топлива (самовоспламенение) достигается вследствие нагревания его разогретым сжатым воздухом, температура которого значительно пре­вышает температуру самовоспламенения топлива.

К двигателям, работающим по циклу постепенного сгорания, отно­сятся двух - и четырехтактные тихоходные компрессорные дизели.- двигатель внутреннего сгорания, как правило, дизельный, в котором топливо подаётся в цилиндр воздухом, сжатым до 6 Мн/м2 (60 кгс/см2).

Смешанный цикл.

Тринклер Густав Васильевич — русский инженер и изобретатель.

Сабатэ- немецкий инженер.

Рис .26.3. Индикаторные диаграммы циклов Тринклера- Сабатэ

а — действительный; б — теоретический; в — идеальный.

На рис. 26.3,а,б и в приведены диаграммы дейст­вительного, теоретического и идеального циклов Сабатэ. Характерной особенностью работы реального двигателя по этому циклу, так же как и в предыдущем случае, является впуск и сжатие воздуха, ввод топлива в конце сжатия по законам., обеспечивающим его самовоспламенение и сгорание частично при V = const и частично при р = const.

К двигателям, работающим по смешанному циклу, относятся быст­роходные бескомпрессорные, двух - и четырехтактные дизели. Этот цикл берется за основу расчета цикла реальных двигателей.

Теплота Q'₁ подводится при V=const на участке cz', а теплота Q»₁ — при постоянном давлении на участке z'z. В точке z подвод теплоты заканчивается. Далее следует адиабатное расширение по линии zb, в конце которого из всей подведенной теплоты Q₁ в газе останется количество теплоты, равное Q₂.

Вприведенных диаграммах трех идеальных циклов различными яв­ляются только процессы подвода тепла. Процессыас и zb во всех рассматриваемых циклах являются соответственно адиа­батами сжатия и расширения, а процессы bа — изохорами отвода тепла к низшему источнику, при котором газы снова достигают состояния, ха­рактеризуемого параметрами р_а, V_a и Т_а.

Поскольку площадь индикаторной диаграммы эквивалентна рабо­те, то по величинам площадей диаграмм рассмотренных выше циклов можно вынести суждение о большей или меньшей их эффективности.

Индикаторная диаграмма 2-х тактного двигателя.

Понятия и определения, которые необходимо знать:

1. какие термодинамические процессы называются круговыми или циклами.

2. что такое теоретический термодинамический цикл

3. знать диаграмму изохорного термодинамического цикла ( цикл ОТТО)

4. знать диаграмму изобарного термодинамического цикла ( цикл Дизеля)

5. знать диаграмму смешанного термодинамического цикла (цикл Тринклера – Сабатэ)

6. показать на индикаторных диаграммах объем камеры сжатия, рабочий и полный объем цилиндра,

дать определение степени сжатия

7. показать на индикаторной диаграмме точки максимального давления сжатия и сгорания.