Устройство, принцип действия и классификация ДВС

ДВС состоит из следующих основных частей: цилиндра 1 (рис.2.1), в котором перемещается поршень 2, всасывающего и выпускного клапанов 3, размещенных на головке 4 цилиндра, картера 5, коленчатого вала 6, соединенного шарнирно с шатуном 7.

Рабочим циклом ДВС называется совокупность последовательных и периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя.

Положения коленчатого вала, при которых поршень достигает крайних уровней во время перемещения в цилиндре, называются верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвыми точками.

Объем пространства, заключенного между головкой цилиндра и днищем поршня при его положении в верхней мертвой точке, называется объемом камеры сгорания V _c, а объем пространства между ВМТ и НМТ – рабочим объемом цилиндра V _h. Полный объем цилиндра V является суммой его рабочего
объема и объема камеры сгорания.

 

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия: .

По способу подвода теплоты ДВС подразделяются на двигатели со сгоранием топлива при v = const, p = const и со смешанным сгоранием топлива (при v = const и p = const).

2.1.2. Двигатели внутреннего сгорания с подводом теплоты при v=const (карбюраторные двигатели)

Характерными особенностями их являются:

1) низкая степень сжатия смеси (e = 6 … 10);

2) приготовление горючей смесииз легкого топлива и воздуха вне цилиндра двигателя в особом устройстве – карбюраторе;

3) зажигание смеси в конце процесса сжатия электрической искрой;

4) неполнота сгорания топлива (при недостатке кислорода проявляется главным образом в появлении в отработанных газах оксида углерода).

При движении поршня от ВМТ к НМТ, через впускной клапан в цилиндр двигателя при атмосферном давлении поступает горючая смесь (рис.2.2, процесс 0–1 на диаграмме в p – v координатах). При обратном ходе поршня смесь адиабатически сжимается (процесс1–2). В ВМТ в момент окончания сжатия система зажигания воспламеняет смесь. Сгорание смеси происходит мгновенно при постоянном объеме (процесс 2–3), поршень остается практически на месте, давление в цилиндре резко возрастает. Образующиеся в результате сгорания топлива продукты сгорания адиабатически расширяются при перемещении поршня к НМТ (процесс 3–4). Открывается выпускной клапан, и часть отработавших газов удаляется при неподвижном поршне (процесс 4–1); в точке 1 давление равно атмосферному, и дальнейшее удаление продуктов сгорания из цилиндра производится поршнем, движущимся к ВМТ (процесс 1–0).

Характеристикой цикла является степень сжатия связанная со степенью повышения давления . Полагая, что теплоемкость с_v и показатель адиабаты k постоянны, определим термический КПД цикла:

Количества подведенной теплоты в процессе 2-3 и отведенной в процессе 4–1 равны

, .

Тогда

.

Выразим T ₂, T ₃, T ₄ через T ₁, e и l. Для адиабатного процесса 1-2

.

Из уравнения изохорного процесса 2-3

Используя уравнение адиабатного процесса 3-4, получаем

.

Подставляя найденные значения температур, получим

.

Из этого уравнения следует, что термический КПД цикла с подводом теплоты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты. С ростом ε и k величина h_t увеличивается. Для бензиновых двигателей степень сжатия ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси и определяется в основном сортом применяемого бензина.

 

Лекция 3

2.1.3. Двигатели внутреннего сгорания с подводом теплоты при p=[U7] const (цикл Дизеля)

В этих двигателях в цилиндре сжимается только воздух, что исключает опасность самовоспламенения. Топливо подается таким образом, чтобы давление в цилиндре в период горения сохранялось постоянным, поэтому и цикл называется ДВС с подводом теплоты при p = const.

Характерные особенности этого цикла:

1) высокая степень сжатия воздуха (ε= 14…20);

2) впрыскивание тяжелого топлива внутрь цилиндра двигателя в конце процесса сжатия;

3) самовоспламенение топлива вследствие высокой температуры сжатого воздуха;

4) неполнота сгорания, характеризующаяся содержанием в отработанных газах сажи и небольшого количества оксида углерода.

p - v диаграмма цикла представлена на рис.2.3.

В процессе 0–1 в цилиндр двигателя поступает атмосферный воздух, в процессе 1–2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха. Затем при давлении p ₂ через форсунку впрыскивается топливо. За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении (процесс 2-3). Дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит по адиабате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-1), и затем продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень предварительного расширения .

Определим термический КПД цикла, полагая постоянными теплоемкости c_p и c_v, а также показатель адиабаты k = c_p / c_v:

.

Количества подведенной теплоты в процессе 2-3 и отведенной в процессе равно 4–1 равны

, .

Подставив значения q ₁ и q ₂ в формулу для h _t, получим

.

Выразим T ₂, T ₃ и T ₄ через e, r и k. Из уравнения адиабаты 1–2 следует

Для изобары 2-3

, .

Из уравнения адиабаты 3-4

.

или

Подставляя полученные значения температур в уравнение для термического КПД цикла, получим

Из уравнения следует, что КПД зависит от степени сжатия ε, степени предварительного расширения ρ и показателя адиабаты k. С увеличением e и k h_t увеличивается, а с увеличением r– уменьшается.