Всего на сайте:
303 тыс. 117 статей

Главная | Физика

Термодинамічний аналіз поршневого ДВЗ з підведенням теплоти при сталому об’ємі (цикл Отто, цикл бензинового двигуна).  Просмотрен 1532

Принципова схема та індикаторна діаграма.

 

У 1867р. німецький механік Ніколаус Отто запропонував конструкцію і цикл ДВЗ з попереднім стиском горючої суміші в циліндрі, що дало змогу суттєво покращити ККД.

1—циліндр; 2—поршень; 3—впускний клапан; 4—випускний клапан; 5—електрична свічка.  

 

 

а-1—ізобарний впуск паливно-повітряної суміші через відкритий впускний клапан 3 в циліндр, в тому числі за рахунок тиску Ратм.. При цьому поршень рухається із ВМТ до НМТ; 1-2—політропний стиск паливно-повітряної суміші до досягнення темпе-ратури, нижчої від температури самозайман-ня палива. 2-3—ізохорне (миттєве) згоряння паливно-повітряної суміші від електричної свічки;  

3-4—політропне розширення продуктів згоряння (поршень рухається із ВМТ у НМТ)—робочий хід;

4-5—ізохорне, майже миттєве, відведення теплоти з продуктами згоряння через відкритий випускний клапан 4;

5-в—повне ізобарне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня з НМТ у ВМТ і відкритому клапані 4;

в-а—ізохорне закриття клапана 4 і відкриття клапана 3.

 


Аналіз циклу в PV і TS координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла, що відповідає стиску паливно-повітряної суміші в циліндрі по політропі;

2-3—ізохорне підведення теплоти , що відповідає миттєвому згорянню паливно-повітряної суміші, підпаленої від електричної іскри, в реальному двигуні;

3-4—адіабатне розширення робочого тіла, що відповідає робочому ходу;

4-1—ізохорне відведення теплоти з продуктами згоряння в оточуюче середовище.

Цей цикл характеризується наступними параметрами.

1. Ступінь адіабатного стиску:

.

Параметр відповідає конкретному конструкційному параметру двигуна— ступеню стиску, який для реального бензинового двигуна складає 7-16. Це число для двигуна обмежене температурою самозаймання паливно-повітряної суміші і залежить від антидетонаційних властивостей палива.

2. Ступінь підвищення тиску:

.

змінюється в межах від 1,2 до 1,8. При термодинамічному аналізі циклів визначають , вплив величин та на його ріст для подальшого аналізу, з метою підвищення цих величин і відповідною зміною в конструкції двигуна.

визначається з наступних рівнянь:

,

де .

З урахуванням рівнянь параметрів циклу і рівнянь 1-2 і 3-4 адіабатного процесу можна отримати вираз для в наступному вигляді:

,

де показник адіабати робочого тіла.

З останнього виразу можна зробити наступні висновки.

1. залежить від ступеня стиску (конструкцій двигуна) і показника адіабати (властивостей робочого тіла).

2. Із зростанням зростає , але при досягненні зростання зменшується.

При досягненні можлива детонація двигуна. Детонація—некерований процес згоряння паливно-повітряної суміші, який є вибухоподібним, тобто згоряння починається не від електричної свічки, а від температури паливно-повітряної суміші, що перевищує температуру самозаймання палива ще до приходу поршня у ВМТ. При цьому падає потужність, швидко виходять з ладу конструкційні елементи і зростають витрати палива.

За допомогою РV- і TS- діаграм ( площ фігур на них ) можна обчислити роботу, затрачену на стиск ( ), роботу, отриману при розширенні ( ), а приблизно рівна зовнішній корисній роботі, виконаній двигуном за циклом .

Термічний ККД можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах .

еквівалентна корисно використаній теплоті в даному циклі.

Існують наступні методи підвищення : зменшення кількості відведеної теплоти без зміни підвищення теплоти ; збільшення кількості теплоти без зміни відведеної теплоти ; одночасне збільшення і зменшення .

Розглянемо методи підвищення термічного ККД на TS-діаграмі.

 


Для зменшення необхідно понизити температуру робочого тіла в кінці адіабатного процесу розширення, тобто більше охолодити робоче тіло після робочого ходу. Кількість відведеної теплоти .

В реальних двигунах зниження досягається наступними конструкційними змінами—використанням теплоти продуктів згорання для підігріву паливно-повітряної суміші перед впуском.

Для підвищення необхідно підвищити температуру Т2 робочого тіла в кінці стиску, тоді . Підвищення в основному зумовлене підвищенням температури в кінці стиску , а отже, підвищенням ступеня стиску .

Одночасне збільшення і зменшення може досягатись наступним перерозподілом площ фігур в TS-координатах. Наприклад, найвища температура робочого тіла 3’ дещо зменшується до 3”, тоді кількість підведеної теплоти . Кількість відведеної теплоти стає дещо меншою .

Середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу підраховують за такими загальними формулами:

Цикл поршневого ДВЗ з підведенням теплоти при . Цикл Дизеля (компресорного дизельного двигуна)

Принципова схема та індикаторна діаграма

 

Ідея циклу двигуна Дизеля полягає в роздільному стиску повітря і палива, що сприяє зростанню ступеня стиску , а отже, збільшенню термічного ККД і підвищенню ефективності двигуна.

 

1— циліндр; 2— поршень; 3— впускний клапан; 4— випускний клапан; 5— форсунка; 6— канал підведення палива до форсунки; 7— канал підведення до форсунки стиснутого повітря від компресора.

 

в-1—ізобарний впуск по-вітря через впускний клапан 3 при русі поршня 2 із ВМТ до НМТ; 1-2—політропний стиск по-вітря до температури, біль-шої за температуру само-займання палива;  

 

 

2-3—ізобарне повільне утворення паливно-повітряної суміші та її згоряння при подачі попередньо стиснутого компресором повітря, яке розпилює паливо. В точці 2–робоче тіло повітря, в точці 3–продукти згоряння (змінились фізико-хімічні властивості робочого тіла);

3-4—продовження робочого ходу, політропне розширення робочого тіла;

4-5—ізохорне відведення теплоти з продуктами згоряння через випускний клапан 4;

5-а—повне очищення циліндра від продуктів згоряння через клапан 4 при русі поршня із НМТ до ВМТ;

а-в—ізохорне закриття клапана 4 і відкриття клапана 3.

 

Аналіз циклу в РV-і TS-діаграмах


1-2—адіабатний стиск робочого тіла; 2-3—ізобарне підведення теплоти ; 3-4—адіабатне розширення робочого тіла; 4-1—ізохорне відведення теплоти .

Цикл характеризують наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску:

.

2. Ступінь попереднього розширення:

.

3. Ступінь адіабатного розширення:

.

Термічний ККД підраховується наступним рівняння:

де .

З урахуванням параметрів циклу , а також рівнянь 1-2 і 3-4 адіабатного процесу, отримаємо вираз для термічного ККД в остаточному вигляді:

,

де показник адіабати робочого тіла, який характеризує параметри робочого тіла.

Аналогічно, як і при аналізі циклу поршневого ДВЗ з підведенням теплоти при сталому об’ємі, можна обчислити за допомогою площ фігур в TS-координатах, а також підрахувати зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за цикл з допомогою площ фігур у РV-координатах.

Існують наступні методи підвищення : збільшення кількості теплоти без зміни ; зменшення без зміни ; одночасне збільшення і зменшення .

При термодинамічному аналізі обчислюється середній індикаторний тиск робочого тіла за цикл і зовнішня корисна робота, виконана двигуном за цикл за наступними формулами:

За допомогою РV- і TS-координат можна порівняти цикли поршневих ДВЗ з підведенням теплоти при і для однакових вхідних даних. Наприклад, коли температури в точці 2 для двох циклів однакові, або коли температури в точці 3 для двох циклів однакові.

 

 

Цикл поршневого ДВЗ із змішаним підведенням теплоти (цикл Трінклера)

Принципова схема та індикаторна діаграма.

 

1
У 1904р. російський вчений Густав Васильович Трінклер запропонував цикл ДВЗ із механічним способом подачі палива у передкамеру 5 за допомогою спеціального поршенька 8. Це дало змогу позбавитись громіздкого компресора і додатково покращити показники циклу.

Проведені у німецькому місті Ганновер випробування, за участі професора Майера, продемонстрували специфічні особливості перебігу циклу, відмінні від вищевказаних циклів.

 

 

1— циліндр; 2— поршень; 3— впускний клапан; 4— випускний клапан; 5— передкамера; 6— з’єднувальний канал; 7— сопло Лаваля (розпилювач); 8— поршень подачі палива; 9—канал підведення палива.

 

а-1—ізобарне розширення повітря (заповнення через відкритий клапан 3);

1-2—політропний стиск повітря до температури, що перевищуює температуру самозаймання палива;

2-3—ізохорне підведення частини теплоти , що відповідає інтенсивному змішуванню і частковому миттєвому згорянню палива у передкамері 5;

 

 
 

3-4—ізобарне підведення решти теплоти , що відповідає згорянню паливно-повітряної суміші в камері згоряння на початку робочого ходу, при русі поршня із ВМТ до НМТ. В точці 2 робоче тіло—повітря; в точці 3—суміш палива, повітря і продуктів згоряння; в точці 4—продукти згоряння;  

4-5—політропне розширення продуктів згоряння або продовження робочого ходу;

5-6—ізохорне відведення теплоти з продуктами згоряння через клапан 4.

6-в—повне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня із НМТ до ВМТ;

в-а—ізохорне закриття клапана 4 і відкриття клапана 3.

 

 


Термодинамічний аналіз циклу РV та TS-координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла; 2-3—підведення при ;

3-4—підведення при ; 4-5—адіабатне розширення робочого тіла;

5-1—відведення при .

Параметри циклу:

  1. Ступінь адіабатного стиску:

.

 

  1. Ступінь підвищення тиску:

.

  1. Ступінь попереднього розширення:

.

  1. Ступінь адіабатного розширення:

.

Термічний ККД підраховують із наступних рівнянь:

З урахуванням рівнянь параметрів циклу і 1-2 та 4-5 адіабатного процесу можна отримати вираз для термічного ККД у кінцевому вигляді:

.

зростає із збільшенням та зменшенням .

Для таких двигунів, як правило, приймається =14-22;

можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах по формулі:

Існують наступні методи підвищення : збільшення без зміни ; зменшення без зміни ; одночасне збільшення і зменшення .

Підрахувати середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за циклом можна з допомогою приведених вище відповідних рівнянь.

Доцільно порівняти цикли поршневих ДВЗ з підведенням теплоти при V=const, при P=const, та при P=const і V=const для однакових вхідних даних.

 

Предыдущая статья:Цикли теплових двигунів. Цикли поршневих ДВЗ. Следующая статья:Лекція 12. Цикли газотурбінних установок (ГТУ) і паросилових установок (ПСУ). При..
page speed (0.0152 sec, direct)