Что такое степень предварительного расширения

7.2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания подразделяют на три группы:

Основными характеристиками или параметрами любого цикла теплового двигателя являются следующие безрамерные величины:

степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия)

степень повышения давления (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

степень предварительного расширения или степень изобарного расширения (отношение удельных объемов в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

1). Рассмотрим цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме на примере четырехтактного двигателя.

Диаграмма реального двигателя представлена на рис.7.3.

а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь воздуха и паров горючего (нетермодинамичемкий процесс);

1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается температура);

2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q₁);

3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа);

4-а – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр давление цилиндра падает (отводится тепло q₂).

1-а (4 такт) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов.

Затем процесс повторяется.

Описанный процесс является необратимым (наличие трения, химической реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.).

Для анализа теории тепловых машин термодинамика рассматривает идеальные циклы обратимые циклы. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего сгорания показана на рис.7.4.

Из этой диаграммы выводится формула для термического к.п.д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, который имеет следующий вид:

где: e –степень сжатия (основной показатель работы двигателя, чем выше е, тем выше экономичность ДВС);

g – показатель адиабаты.

2). Идеальный цикл ДВС со смещанным подводом теплоты при постоянном объеме (безкомпрессорные дизели). Диаграмма цикла показана на рис.7.5.

4-5 – поршень продолжает перемещаться в нижнюю мертвую точку, давление падает (адиабатное расширение);

5-1 – процесс отвода теплоты q₂ при постоянном объеме (через выпускной клапан покидают отработанные газы).

Термический к.п.д. цикла определяется по формуле:

Цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении широкое применение не нашли, так как у этих циклов очень большой коэффициент сжатия.

Источник

Определение температуры, давления и объема в конце сгорания.

В правые части уравнений сгорания входят теплоемкости, зависящие от T_z. Поэтому после подстановки численных значений эти уравнения будут полными квадратными уравнениями относительно T_z. Решив их, можно найти температуру конца сгорания.

Процесс сгорания характеризуется степенью повышения давления- отношением максимального давления сгорания к давлению сжатия:

Так как при определении T_z для цикла смешанного сгорания в уравнении после подстановки необходимых значений окажутся две неизвестных величины: T_z и λ.

Степенью повышения давления λ. следует задаться, руководствуясь допустимым для данного типа двигателя давлением в конце сгорания р_z.

При выбранном значении λ давление в конце сгорания для цикла

смешанного сгорания находят из выражения

Давление в конце сгорания для цикла быстрого сгорания определяют после вычисления T_z

Для судовых дизелей λ=1,3

Объем в цикле быстрого сгорания не увеличится, так как в расчетном цикле предполагается, что топливо сгорает при постоянном объеме, т. е. V_Z=V_C.

Степень предварительного расширения ρ— отношение объема Vz в конце подвода теплоты (или в конце горения для реальных двигателей) к объему в конце сжатия Vс p= Vz./ Vc.

Для дизелей составляет 1.2-1.6

Степень последующего расширения δ — отношение объема Vб в конце расширения к объему Vz в конце подвода теплоты (в конце горения в реальных двигателях):

• Для дизелей примерно равно———-8-10,5

Ответить на следующие вопросы:

1. от каких факторов зависит период задержки самовоспламенения.

2. на сколько фаз условно можно разделить процесс сгорания.

3. от чего зависит скорость нарастания давления во время процесса сгорания.

4.. если изменить угол опережения подачи топлива, как изменяться Pz и Tz и по каким причинам.

5.. Определение степени предварительного расширения.

Источник

Теоретические циклы поршневых ДВС

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Классификация:

2) по виду преобразования энергии:

3) по рабочему циклу:

4) по способу приготовления рабочей смеси:

— с внешним смесеобразованием (карбюраторные);

— с внутренним смесеобразованием (дизельные);

Все современные поршневые ДВС делятся на три группы:

— с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме;

— с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении;

— со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении.

Основными характеристиками цикла ДВС являются:

Принцип действия четырехтактного поршневого двигателя:

Индикаторная диаграмма показывает работу реального двигателя. В действительности термодинамика рассматривает не реальные процессы, а идеальные обратимые циклы, поэтому в термодинамических циклах поршневых ДВС такты впуска и выпуска (I и IV) не рассматриваются (основные параметры не меняются, а изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре).

Теоретические циклы поршневых ДВС

Топливо: бензин, генераторный газ, спирты.

Состоит из двух адиабат и двух изохор.

Характеристики цикла:

Степень повышения давления:

Количество подведенной теплоты:

Количество отведенной теплоты:

Термический КПД зависит от степени сжатия и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. С увеличением показателя адиабаты и степени сжатия КПД увеличивается.

Достоинство цикла: массогабаритный показатель.

Топливо: нефть, мазут.

Отличие от цикла Отто: воздух и топливо подаются в цилиндр раздельно. Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а затем впрыскивается топливо (с помощью компрессора).

Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры.

Характеристики цикла:

Степень предварительного расширения:

Количество подведенной теплоты:

Количество отведенной теплоты:

Термический КПД зависит от степени сжатия, рода рабочего тела, степени предварительного расширения. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты КПД растет, с увеличением степени предварительного расширения КПД снижается.

Недостаток: усложнение конструкции из-за компрессора, увеличение веса.

Отличие от циклов Отто и Дизеля: бескомпрессорный двигатель высокого сжатия.

Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в цилиндр в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо воспламеняется и горит в течение всего времени, пока открыта форсунка: в начале при υ = const, а затем р = const.

Состоит из двух адиабат, изобары и двух изохор.

Характеристики цикла:

;

Степень повышения давления:

;

Степень предварительного расширения:

;

Количество подведенной теплоты:

Количество отведенной теплоты:

Термический КПД зависит от рабочего тела, от степеней сжатия, повышения давления и предварительного расширения. С увеличением показателя адиабаты, степени сжатия и степени повышения давления КПД растет, а с увеличением степени предварительного расширения КПД падает.

Источник

2.2.3. Процесс сгорания

Процесс сгорания в бензиновом двигателе и дизеле существенно различен из-за особенностей топлива, способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Для каждого двигателя принято рассматривать этот процесс по диаграмме с координатами р – φ, на которой этапы процесса сгорания представлены развернуто по углу поворота коленчатого вала. Для бензинового ДВС на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы
I — III (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в бензиновом ДВС:
1 — момент искрового разряда; 2 — начало фазы интенсивного горения; 3 — окончание фазы интенсивного горения; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза начала горения, равная углу α₁ (задержка интенсивного горения); II — фаза интенсивного горения, равная углу α₂; III — фаза догорания топлива; р — давление газа; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения зажигания;——– расширение газа без сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза II, равная углу α₂, — начало интенсивного горения в точке 2 с резким повышением температуры и давления продуктов сгорания до их максимума в точке 3. Для получения большей экономичности двигателя сгорание топлива должно осуществляться вблизи ВМТ при минимальном объеме надпоршневого пространства, когда минимальны потери теплоты через стенки цилиндра.
В этот период времени сгорает основная масса топлива. Скорость распространения фронта горения 20…40 м/с, окончание этой фазы (точка 3) приходится на угол поворота коленчатого вала 12… 18° после ВМТ.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воздействию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание при определенных условиях может перейти в детонационное.

Детонационное сгорание рабочей смеси возникает при несоответствии сорта бензина степени сжатия, слишком больших углах опережения зажигания, перегрузке двигателя и его перегреве, повышенном нагарообразован и и на стенках камеры сгорания.

Скорость процесса в условиях возможной детонации многократно увеличивается (до 2ООО…2 500 м/с). При этом часть рабочей смеси самовоспламеняется раньше, чем к ней подойдет фронт основного пламени. В камере сгорания возникают и распространяются волны давления, оказывающие влияние на характер изменения давления в цилиндре. Внешним признаком детонационного сгорания является появление звонких металлических стуков. При детонационном сгорании увеличиваются тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, снижается мощность, появляется дымный выхлоп и ухудшается экономичность двигателя.

При работе двигателя с полной нагрузкой иногда наблюдается преждевременное воспламенение рабочей смеси, называемое калильным зажиганием, из-за местного перегрева стенок камеры сгорания (в результате отложения нагара на них) или электродов свечи зажигания. Такое явление может возникать при несоответствии тепловой характеристики свечи (калильного числа) степени сжатия е рабочей смеси. Это приводит к тому, что максимум давления газа достигается до прихода поршня в ВМТ, при этом снижается мощность двигателя, возможны значительный перегрев поршня и его прогорание.

Фаза III — догорание продуктов неполного окисления топлива (ниспадающая ветвь диаграммы), когда скорость выделения теплоты равна скорости теплоотвода в стенки цилиндра.

Для дизелей на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы I — IV (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в дизеле:
1— точка впрыска топлива; 2 — начало фазы быстрого горения; 3 — окончание фазы быстрого горения; 4 — окончание фазы стабильного горения топлива; р — давление газа; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза
задержки воспламенения; II — фаза быстрого горения топлива; II I — фаза стабильного горения топлива; IV — фаза догорания топлива; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения впрыска;——– расширение газа без
сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I — от начала впрыска топлива (точка I) до начала резкого повышения давления и температуры (точка 2) — представляет собой временной период задержки воспламенения, когда топливо впрыскивается, перемешивается со сжатым воздухом, нагревается и испаряется, т.е. период подготовки рабочей смеси к воспламенению. Продолжительность фазы I зависит от ЦЧ топлива, степени сжатия рабочей смеси, формы камеры сгорания, качества распыления топлива, момента подачи топлива в цилиндр (угла опережения впрыска θ_0.3), частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель. С увеличением ЦЧ, степени сжатия ε и нагрузки на двигатель продолжительность фазы I сокращается.

Фаза II — участок 2—3 быстрого горения топлива при резком нарастании давления р и температуры Т газа. При увеличении давления со скоростью более 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала отмечается жесткая работа двигателя. Чем меньше продолжительность фазы II, тем жестче работа ДВС.

Фаза III — участок 3— 4 стабильного горения топлива заканчивается достижением максимальной температуры газа. Впрыск топлива к этому моменту обычно заканчивается. Сгорание топлива происходит при увеличивающемся объеме и практически постоянном давлении, а скорость сгорания уменьшается из-за разбавления рабочей смеси продуктами сгорания, образовавшимися в период фазы II быстрого горения топлива.

Фаза IV — догорание топлива и продуктов неполного окисления (угол тем больше, чем выше нагрузка двигателя и частота вращения коленчатого вала). Температура и давление газа в конце процесса сгорания определяются при допущении смешанного цикла подведения к нему теплоты — последовательные циклы при постоянном объеме и постоянном давлении (см. участки сz’и z’z индикаторной диаграммы на рис. 2.5, б). Для смешанного цикла согласно первому началу термодинамики теплота, полученная при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг, реализуется на участке cz следующим образом:

(2.4)

где ξ — коэффициент использования теплоты на участке сz, учитывающий потери теплоты через стенки цилиндра и неполноту сгорания топлива; h_u— низшая удельная теплотворная способность топлива, кДж/кг; ΔU_cz = U_z – U_с — изменение внутренней энергии газа на участке сг процесса сгорания, кДж/кг; L_сz — работа расширения газа при сгорании, кДж/кг. Изменение внутренней энергии рабочего тела на участке сz

где С_vz, С_vc — теплоемкости соответственно продуктов сгорания в точке z и рабочей смеси в точке с, кДж/(кмоль- К); Т_z, Т_с — абсолютная температура продуктов сгорания в точке г и рабочей смеси в точке с, К; V₂, V₁ V_r — количество молекулярного вещества соответственно продуктов сгорания горючей смеси, в исходном состоянии до ее горения и остаточных газов, кмоль.

Работа, кДж, расширения газов на участке cz

В этой зависимости — степень повышения давления

Исключим из уравнения работы параметры р и V, воспользовавшись уравнением Менделеева— Клапейрона для состояния газа в точках z и с цикла дизеля, и получим

где R — универсальная газовая постоянная, равная работе 1 кг газа при нагревании его на1 К, R = 8,314 кДж/(кмоль К).

Разделим обе части уравнения (2.4) на (V₁, + V_r). Тогда с учетом

того, что получим окончательно

Так как теплоемкости С_vz и С_vc являются функциями температур соответственно Т_z и Т_с, последнее выражение представляет собой квадратное уравнение относительно T_z, решением которого является температура Т_z газа в конце процесса сгорания для дизеля.

Так как для бензиновых ДВС V_z = V_с, полученное выражение упрощается и при коэффициенте избытка воздуха α ≥ 1 имеет следующий вид:

Источник

Степень повышения давления для бензинового двигателя.

где р_z – максимальное давление сгорания, Мн/м 2

р_с – давление в конце сжатия, Мн/м 2

по опытным данным величина λ, для бензиновых двигателей λ = 3,24 – 4,2; (для сравнения)

9.1 Степень предварительного расширения для дизеля

Для дизелей ρ = 1,2-1,7 (для сравнения)

Процесс расширения и выпуска

1. Средний показатель адиабаты расширения при заданных значениях (ε; α и Тz ) определяют k₂ по графику для бензинового двигателя (см. рис. 11), для дизеля (см. рис. 12).

Рис. 11. Номограмма для определения показателя адиабаты расшире­ния k₂ для карбюраторного двигателя

2. Средние значения величины п₂, принимают,полученные из анализа индика­торных диаграмм, для различных современных автомобильных и тракторных двигателей изменяются в пределах (для номинальной нагрузки):

Рис. 12. Номограмма для определения показателя адиабаты расширения k₂

3. Значения температуры и давления в конце процесса расшире­ния определяют по формулам политропического процесса.

Для бензиновых дви­гателей, работающих по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме,

Для дизельных двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты,

Примерные значения p_b и T_b для современных двигателей без наддува (на номинальном режиме) лежат в пределах (для сравнения):

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов

Индикаторные параметры рабочего цикла

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторными мощностью и к. п. д.

Теоретическое среднее индикаторное давление.

Для бензинового двигателя с искровым зажиганием (см. рис. 15), работаю­щего по циклу с подводом тепла при V=const,

Для дизельного двигателя, работающего по циклу со смешанным подводом теплоты (см. рис. 15-б), теоретическое среднее индикаторное дав­ление

Среднее индикаторное давление.

Уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цик­ла оценивается коэффициентом полноты диаграммы φ_и и величиной среднего давления насосных потерь ∆р_i.

Коэффициент полноты диаграммы принимается:

Величина р_i для различных двигателей при работе на полной нагрузке изменяется в широких пределах (для сравнения):

Индикаторная мощность.

Индикаторная мощность двигателя N_i — работа, совершаемая газами внутри цилиндров в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя

где p_i — среднее индикаторное давление, Мн/м 2 ;

V_h — рабочий объем одного цилиндра, л (дм 3 );

i — число цилиндров;

3. Индикаторный к.п.д. и удельный индикаторный расход топ­лива.Индикаторный к. п. д. η_i характеризует степень использова­ния в действительном цикле теплоты топлива для получения полез­ной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалент­ной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

где L_i — теплота, эквивалентная индикаторной работе, Мдж/кг;

Н_и — низшая теплота сгорания топлива, Мдж/кг.

Таким образом, индикаторный к. п. д. учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Для дизельных двигателей, работающих на жидком топливе.

Для бензиновых двигателей то же самое только в знаменателе вместо ρ_к принимаем ρ_0.

Величина индикаторного к.п.д. в современных автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, имеет следующие значения (для сравнения):

4. Индикаторный удельный расход жидкого топлива определяют по уравнениям:

Удельные расходы топлива на номинальном режиме (для сравнения):

Эффективные показатели двигателя

Параметры, характеризующие работу двигателя, отличаются от индикаторных наличием необходимых затрат полезной работы на! преодоление различных механических сопротивлений (трение в кривошипно-шатунном механизме, приведение в действие вспомо­гательных механизмов и нагнетателя и др.) и на совершение про­цессов впуска и выпуска.

1. Среднее давление механических потерь.Потери на преодоление различных сопро­тивлений оцениваются величиной мощности механических потерь или величиной работы, соответствующей мощности механических потерь, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра.

Ниже даны эмпирические формулы для определения величины р_м в двигателях различного типа:

а) для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до 6 и отношением S/D>1

б) для карбюраторных восьмицилиндровых двигателей с отно­шением

Источник