Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя. Циклы двигателей двс


13. Циклы двигателей внутреннего сгорания

В поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) в качестве рабочего тела используются продукты сгорания органического топлива. Цилиндры этих двигателей выполняют функции камеры сгорания и устройств для сжатия и расширения рабочего тела. В качестве холодного источника теплоты в ДВС используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания в атмосферу).

Для упрощения термодинамического анализа циклов ДВС принимается ряд допущений.

1. Количество рабочего тела в цикле ДВС будем считать неизменным и равным расходу воздуха. Это допущение объясняется малым процентным массовым расходом топлива по отношению к расходу воздуха.

2. Свойства рабочего тела будем считать соответствующими свойствам идеального двухатомного воздуха с постоянными изобарными и изохорными теплоемкостями.

3. Процессы выхлопа отработавших газов и процесс забора новой порции воздуха взаимно компенсируют друг друга (их нет). Это возможно, т.к. оба эти процесса идут практически при постоянном давлении окружающей среды в противоположных направлениях.

4. Процесс отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду заменяется изохорным процессом охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды. То есть условно считается цикл замкнутым, а охлаждение рабочего тела осуществляется прямо в цилиндре при закрытых клапанах до температуры окружающей среды.

5. Процессы расширения и сжатия рабочего дела соответствуют адиабатным процессам. Эти процессы быстротечны, поэтому можно считать их адиабатными.

6. Процессы подвода теплоты к рабочему телу считаются в зависимости от типа двигателя изохорными или изобарными.

Цикл двс с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме соответствует карбюраторному двигателю. В этом двигателе в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь, которая сжимается и за счет искры в электрической свече воспламеняется. Процесс горения топлива быстротечен и происходит практически при постоянном объеме.

Исходя из принятых допущений идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме можно показать в T,s - диаграмме в виде рис. 13.1.

Для термодинамического анализа экономичности таких циклов ДВС используются следующие отношения объемов и давлений рабочего тела:

–степень адиабатного сжатия;

–степень повышения давления.

Эти относительные величины позволяют по известным параметрам рабочего тела в точке 1 (состояние равновесия с внешней средой) определить все термические параметры в характерных точках цикла ДВС.

Используя данные соотношения, определяются основные величины, характеризующие экономичность цикла:

количество удельной теплоты, подведенной к рабочему телу,

; (13.1)

количество удельной теплоты, отведенной от рабочего тела,

; (13.2)

удельная работа цикла

; (13.3)

термический КПД цикла

. (13.4)

Цикл двс с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном давлении

Увеличить степень сжатия в ДВС можно путем сжатия в цилиндре только воздуха с последующим впрыскиванием в него топлива. При сжатии воздуха отсутствует ограничение на температуру самовоспламенения топлива, а высокая температура воздуха в конце процесса сжатия позволяет осуществить самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, без электрической свечи. Такой ДВС был предложен Дизелем (Германия), поэтому в настоящее время эти двигатели называют дизелями. Цикл дизельного ДВС показан в T,s - диаграмме на рис. 13.2.

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия и степень предварительного расширения.Используя эти характеристики и параметры первой точки, можно определить остальные параметры цикла в характерных точках.

Термический КПД цикла

, (13.5)

где – коэффициент Пуассона.

Выразив температуры в выражении (13.5) через Т1 и характеристики цикла , , термический КПД ДВС

. (13.6)

studfiles.net

Рабочие циклы ДВС.

Что такое рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания - расскажем в этой сатье.

Что такое рабочие циклы? Это строгое последовательное выполнение тактов, они повторяются всеми цилиндрами двигателя с четкой периодичностью и являются составляющей частью цикла. Двигатели всех автомобилей сейчас четырехтактные. Значит один цикл, будет состоять из 4 тактов, а каждый из тактов выполняется за 1 ход поршня. Это может быть как крайнее верхнее, так и крайнее нижнее положение («мертвые» точки). Не будет лишним дополнить, что цикл в таком моторе совершается за 2 оборота коленвала.

Музыка или такты в двигателе:

  • Впуск – здесь работа цикла начинается, когда поршень начинает движение вниз, создавая вакуум в цилиндре сверху поршня. Клапан впуска открывается и под действием силы всасывания в него всасывается порция топливной смеси. Если дополнительно установлен нагнетатель, то смесь будет подаваться под давлением.
  • Сжатие – движение поршня в этом такте устремлено вверх. Клапана впуска и выпуска в этот момент закрыты, содержимое цилиндра сжимается. Во время сжатия смесь хорошо перемешивается и на пике сжатия запускается процесс воспламенения с помощью свечи зажигания. На свече зажигания генерируется высоковольтный электрический импульс. Получает его свеча от катушки зажигания. Для двигателя с четырьмя цилиндрами используют четыре свечи, по одной на каждый цилиндр. По аналогии в трех, шести, восьми, десяти и двенадцати цилиндровом двигателе.
  • Рабочий ход – поршень опускается к нижней точке под огромным давлением увеличивающихся газов. В этот момент впускной и выпускной клапан остаются закрытыми. Коленчатый вал приводит в движение шатун, соединенный посредством поршневого пальца с поршнем.
  • Выпуск – это конечный такт из всего рабочего цикла. По достижению поршнем крайней нижней точки он готов устремиться вверх. Под давлением эксцентрика распредвала клапан выпуска откроется, а поднимающийся поршень выдавливает отработанные газы, освобождая цилиндр. Отвод газов происходит очень быстро и только в момент достижения поршнем верхней крайней точки.

А затем весь процесс будет повторяться в такой же последовательности циклично, до того момента пока вы не выключите зажигание (нажмете кнопку EngineStart/Stop).

В заключении можно сказать, что в тактах двигателя нет ничего сложного. Достаточно попробовать визуализировать прочитанное и все вопросы, непонимания уйдут на второй план. Помните, что только в такте рабочего хода совершается полезная работа. Остальные являются сопутствующими или подготовительными. Так как запускаются за счет инерции маховика.

Рабочие циклы четырехтактного двигателя (видео):

 

 

autoportal.pro

Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) — МегаЛекции

ГЛАВА 7. КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ГАЗОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

 

Первые поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) работали на газообразном топливе, используя светильный газ. Значительный вклад в развитие таких двигателей внес немецкий изобретатель Н.Отто, разработавший двигатель с предварительным сжатием и искровым зажиганием.

Несколько позднее Рудольф Дизель разработал двигатель, до сих пор носящий его имя, в котором используется специальное дизельное топливо. Благодаря высокой концентрации энергии в единице объема, оно практически вытеснило газообразное топливо в двигателях внутреннего сгорания.

Рассмотрим следующие основные циклы ДВС, работающие на жидком топливе при различных способах воспламенения топлива или при различных способах подвода теплоты.

Различают следующие циклы ДВС. Двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (Р = const) и двигатели, работаю-

щие по смешанному циклу.

Идеальный цикл ДВС при подводе теплоты V = const (цикл Отто) в P-V и T-S диаграммах представлен на рис.7.1.

 

Рис.7.1. Идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при V = const в P-V и T-S диаграммах

 

В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламеняемого от электрической искры и подводу теплоты q1. Рабочий ход поршня осуществляется при адиабатическом расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты q2 осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей выхлопу отработанных газов в атмосферу.

Термический КПД рассматриваемого цикла, характеризующий эффективность использования теплоты сжигаемого топлива, вычисляется следующим образом:

. (7.1)

Сравнение адиабат 1-2 и 3-4 позволяет сделать вывод, что

(7.2)

и, следовательно, получить

. (7.3)

Отношение всего объема рабочего цилиндра V1 к объему камеры сжатия V2 называется степенью сжатия и является основной характеристикой цикла Отто

. (7.4)

Для адиабатического процесса справедливо следующее соотношение, устанавливающее связь между V и Т:

, (7.5)

которое позволяет записать уравнение для термического КПД в следующем виде:

. (7.6)

Из последнего соотношения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия и с ее увеличением возрастает. При этом температура в конце сжатия Т2 не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10 и зависит от характеристик применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле может быть повышена, ес­ли сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем, полу­чив высокие давление и температуру, обеспечить само­воспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеальный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеляи осуществляется следую­щим образом (рис. 7.2). Рабочее тело (воздух) сжи­мается по адиабате 1-2, изобарный процесс 2-3 соот­ветствует процессу горения топлива, т.е. подводу теп­лоты q1 а рабочий ход выражен адиабатным расшире­нием продуктов сгорания 3-4. Наконец, изохора 4-1характеризует отвод теплоты q2, заменяя для четырех­тактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и вса­сывание новой порции воздуха.

Формула для расчета термического КПД в этом слу­чае принимает вид

. (7.7)

Кроме степени сжатия , у цикла Дизеля имеется еще одна характеристика - степень предварительного расширения :

. (7.8)

 

Рис.7.2. Идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при Р = const (цикл Дизеля) в P-V и T-S диаграммах

 

Для изобары 2-3 можно записать V3/V2=Т3/Т2. Рас­сматривая изохору 4-1 и учитывая, что P4Vk4=P3Vk3, P1Vk1=P2Vk2 и V4=V1 , получаем

. (7.9)

Окончательно с учетом соотношения (7.9) формула для расчета термического КПД цикла Дизеля имеет вид:

. (7.10)

Выражение (7.10) показывает, что основным факто­ром, определяющим экономичность двигателей, рабо­тающих по циклу Дизеля, также является величина степени сжа­тия , с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Как указывалось, нижний предел опреде­лен необходимостью получения в конце сжатия темпе­ратуры, значительно превышающей температуру само­воспламенения топлива. Верхний предел (до 20) огра­ничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увели­чению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения вызывает снижение термиче­ского КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать наряду с другими обстоятельствами при определении оптималь­ного режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные беском­прессорные дизели (рис.7.3), осуществляется по сле­дующей схеме. Адиабата 1-2соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей тем­пературу самовоспламенения топлива. Изохора 2-3 со­ответствует процессу горения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки. Расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5, а изохора 5-1соответствует выхлопу отработавших газов в атмосферу. Таким образом, теп­лота q1подводится в двух процессах 2-3 и 3-4.

q1= q11 + q12 . (7.11)

 

 

Рис.7.3. Идеальный цикл Тринклера со смешанным подводом теплоты в P-V и T-S диаграммах

 

Выражение для термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты записывается в следующем виде:

. (7.12)

Параметр называется степенью повышения давления в изохорном процессеи рассчитывается по формуле

= Рз/Р2 . (7.13)

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, рас­пыление топлива производится топливным насосом высоко­го давления, а компрессор, применяемый при пневма­тическом распылении топлива, отсутствует. Степень сжатия в рассматриваемом цикле может достигать 18.

Выражение (7.12) является об­щим для циклов поршневых ДВС и при =1 и =1 пе­реходит в соответствующие формулы для термического КПД циклов с подво­дом теплоты при постоян­ном давлении или посто­янном объеме. Сравнение эффектив­ности рассмотренных цик­лов проведем с помощью T-S диаграммы (рис. 7.4), пред­положив, что в каждом из них достигается одинако­вая максимальная темпе­ратура Т3. Одинаковы и количества отведенной теплоты q2в каждом цикле (площадь 14ав). При таких условиях полезно используемая теплота цикла, равная полезной ра­боте цикла, будет наибольшей для цикла Дизеля 12'34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 1dс34занимает промежуточное положение.

 

Рис.7.4. Идеальные циклы ДВС при V=const, P=const и цикл Тринклера с одинаковой температурой Т3

 

Таким образом, термический КПД, характеризую­щий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла с под­водом теплоты при постоянном объеме.

 

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru

11 циклы двигателей внутреннего сгорания

11. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Идея использования в качестве рабочего тела продуктов сгорания органического топлива принадлежит Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным техническим возможностям того времени создание такой машины реализовать было нельзя.

Первый поршневой ДВС без предварительного сжатия был создан в 1857 г. французским изобретателем Э. Ленуаром. Этот двигатель имел малый КПД по сравнению с паровыми машинами и не нашел дальнейшего распространения.

В 1862 г. во Франции был запатентован двигатель Бо-де-Роше со сжатием топливно-воздушной смеси и со сгоранием ее при постоянном объеме. Двигатель, работающий на таком принципе, впервые был построен в Германии инженером Отто. В таких двигателях топливно-воздушная смесь образуется вне цилиндра сжатия: для бензинового двигателя смешение происходит в карбюраторе, для газового – непосредственно перед цилиндром сжатия.

В 1895 г. в Германии инженер Р. Дизель построил двигатель с внутренним смешением воздуха и жидкого топлива. В таком двигателе сжимается только воздух, а потом в него через форсунку впрыскивается топливо. Благодаря раздельному сжатию воздуха в цилиндре такого двигателя получалось большое давление и температура, а впрыскиваемое туда топливо самовозгоралось. Такие двигатели получили название дизельных в честь их изобретателя.

В настоящее время поршневые ДВС получили большое распространени практически на всех видах транспорта и на передвижных энергетических установках.

Основными преимуществами поршневых ДВС по сравнению с ПТУ является их компактность и высокий температурный уровень подвода теплоты к рабочему телу. Компактность ДВС обусловлена совмещением в цилиндре двигателя трех элементов тепловой машины: горячего источника теплоты, цилиндров сжатия и расширения. Поскольку цикл ДВС разомкнутый, то в качестве холодного источника теплоты в нем используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания). Малые размеры цилиндра ДВС практически снимают ограничения на максимальную температуру рабочего тела. Цилиндр ДВС имеет принудительное охлаждение, а процесс горения быстротечен, поэтому металл цилиндра имеет допустимую температуру. КПД таких двигателей весьма высок.

Основным недостатком поршневых ДВС является техническое ограничение их мощности, находящееся в прямой зависимости от объема цилиндра, о чем будет сказано ниже.

11.1. Принцип работы поршневых ДВС

Рассмотрим принцип работы поршневых ДВС на примере четырехтактного карбюраторного двигателя (двигатель Отто). Схема цилиндра с поршнем такого двигателя и диаграмма изменения давления газа в его цилиндре в зависимости от положения поршня (индикаторная диаграмма) показаны на рис. 11.1.

Первый такт двигателя характеризуется открытием впускного клапана 1к и за счет перемещения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) втягиванием воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр. На индикаторной диаграмме это линия 0-1, идущая от давления окружающей среды Рос в область разряжения, создаваемую поршнем при его движении вправо.

Второй такт двигателя начинается при закрытых клапанах движением поршня от НМТ до ВМТ. При этом происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и температуры (линия 1-2). Перед тем как поршень достигнет ВМТ, происходит воспламенение топлива, в результате чего происходит дальнейшее увеличение давления и температуры. Сам процесс сгорания топлива (линия 2-3) завершается уже при прохождении поршнем ВМТ. Второй такт двигателя считается завершенным при достижении поршнем ВМТ.

Третий такт двигателя характеризуется перемещением поршня от ВМТ до НМТ, это рабочий такт. Только в этом такте получается полезная механическая работа. Полное сгорание топлива завершается в точке 3 и на линии 3-4 происходит расширение продуктов сгорания.

Четвертый такт двигателя начинается при достижении поршнем НМТ и открытии выхлопного клапана 2к. При этом давление газов в цилиндре резко падает и при движении поршня в сторону ВМТ газы выталкиваются из цилиндра. При выталкивании газов в цилиндре давление больше атмосферного, т.к. газам необходимо преодолеть сопротивление выхлопного клапана, выхлопной трубы, глушителя и т.п. в выхлопном тракте двигателя. Достигнув поршнем положения ВМТ, клапан 2к закрывается и цикл ДВС начинается заново с открытия клапана 1к и т.д.

Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой 0-1-2-3-4-0, соответствует двум оборотам коленчатого вала двигателя (полных четыре такта двигателя). Для расчета мощности ДВС применяется среднее индикаторное давление двигателя Рi. Это давление соответствует площади 0-1-2-3-4-0 (рис. 11.1), деленной на ход поршня в цилиндре (расстояние между ВМТ и НМТ). Используя индикаторное давление, работу ДВС за два оборота коленчатого вала можно представить в виде произведения Рi на ход поршня L (площадь заштрихованного прямоугольника на рис. 11.1) и на площадь сечения цилиндра f.

Индикаторная мощность ДВС в расчете на один цилиндр в киловаттах определяется выражением

, (11.1)

где Рi – среднее индикаторное давление, кПа;

f – площадь поперечного сечения цилиндра, м2;

L – ход поршня, м;

n – число оборотов коленчатого вала, с-1;

V=fL – полезный объем цилиндра (между ВМТ и НМТ), м3.

Коэффициент ½ в уравнении (11.1) соответствует четырехтактному двигателю, в котором один рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала.

Из уравнения (11.1) следует, что мощность ДВС прямо пропорциональна среднему индикаторному давлению, объему цилиндра и числу оборотов коленчатого вала. Максимальное число оборотов у большинства ДВС одинаково, это объясняется прочностными характеристиками металла в двигателе. Среднее индикаторное давление у одинаковых типов ДВС тоже одинаково. Поэтому объем цилиндра ДВС практически определяет его мощность, что и используется в бытовой практике для оценки мощности ДВС.

11.2. Термодинамический анализ циклов ДВС

Действительный цикл ДВС очень сложный по своим физико-химическим превращениям рабочего тела и разомкнут.

Для упрощения термодинамического анализа циклов ДВС примем ряд допущений.

1. Количество рабочего тела в цикле ДВС будем считать неизменным и равным расходу воздуха. Это допущение объясняется малым процентным массовым расходом топлива по отношению к расходу воздуха.

2. Свойства рабочего тела будем считать соответствующими свойствам идеального двухатомного воздуха с постоянными изобарными и изохорными теплоемкостями.

3. Будем считать, что процесс выхлопа отработавших газов и процесс забора новой порции воздуха взаимно компенсируют друг друга (их нет). Это возможно, т.к. оба эти процесса идут практически при постоянном давлении окружающей среды в противоположных направлениях.

4. Процесс отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду заменим изохорным процессом охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды. То есть условно будем считать цикл замкнутым, а охлаждение рабочего тела осуществляется прямо в цилиндре при закрытых клапанах до температуры окружающей среды.

5. Процессы расширения и сжатия рабочего дела соответствуют адиабатным процессам. Эти процессы быстротечны, поэтому можно считать их адиабатными.

6. Процессы подвода теплоты к рабочему будем считать в зависимости от типа двигателя изохорными или изобарными.

11.3. Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом

теплоты к рабочему телу при постоянном объеме

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме соответствует карбюраторному двигателю. В этом двигателе в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь, которая сжимается и за счет искры в электрической свече воспламеняется (рис. 11.2). Процесс горения топлива быстротечен и происходит практически при постоянном объеме.

Исходя из допущений, принятых в разделе 11.2, идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме можно показать в T,s - диаграмме в виде рис. 11.3.

В термодинамическом анализе экономичности циклов ДВС используются отношения объемов и давлений: – степень сжатия и – степень повышения давления. Эти относительные величины позволяют по известным параметрам рабочего тела в точке 1 (состояние равновесия с внешней средой) определить все термические параметры в характерных точках цикла ДВС. Так, при известных v1, P1 и T1 остальные параметры определяются соотношениями:

; ; ;

; ;

;

; ;

.

Используя данные соотношения, определяются основные величины, характеризующие экономичность цикла:

количество удельной теплоты, подведенной к рабочему телу

; (11.2)

количество удельной теплоты, отведенной от рабочего тела

; (11.3)

удельная работа цикла

; (11.4)

термический КПД цикла

; (11.5)

где , т.к. для адиабатных процессов 1-2 и 3-4, проходящих в интервале одинаковых объемов v1 и v2, справедливо соотношение .

Термический КПД цикла можно выразить через степень сжатия 

. (11.6)

Из уравнения (11.6) следует, что термический КПД ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме определяется показателем адиабаты и степенью сжатия. Чем больше степень сжатия и показатель адиабаты, тем больше КПД цикла (рис. 11.4).

Показатель адиабаты зависит от вида топлива и для реальных ДВС находится в диапазоне от к=1,33 до к=1,35.

Степень сжатия в ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме ограничена температурой самовоспламенения топливовоздушной смеси. В зависимости от вида топлива максимальные значения  находятся в диапазоне от 7 до 10. При превышении степени сжатия этих значений самовоспламенение и сгорание топлива происходит раньше, чем поршень достигнет ВМТ. Это явление детонации связано с разрушением цилиндра.

Термический КПД таких двигателей составляет 50 – 55 %. Это весьма большие значения. Однако в реальном цикле таких ДВС необратимости в адиабатных и ряде других процессов (принудительное охлаждение цилиндра, выхлоп и забор рабочего тела и т.д.) снижает их КПД до 25 – 30 %.

11.4. Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом

теплоты к рабочему телу при постоянном давлении

Увеличить степень сжатия в ДВС можно путем сжатия в цилиндре только воздуха с последующим впрыскиванием в него топлива. При сжатии воздуха отсутствует ограничение на температуру самовоспламенения топлива, а высокая температура воздуха в конце процесса сжатия позволяет осуществить самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, без электрической свечи. Такой ДВС был предложен Дизелем (Германия) поэтому в настоящее время эти двигатели называют дизелями (рис. 11.5).

Воздух поступает в цилиндр двигателя и сжимается до 30 – 36 бар, в конце сжатия температура воздуха достигает 600 – 800 оС. Впрыск топлива осуществляется при достижении поршнем ВМТ. Для распыления топлива используется форсунка, куда компрессором подается сжатый воздух. Топливо самовоспламеняется, а процесс его горения идет одновременно с движением поршня в сторону НМТ.

Условно такой процесс подвода теплоты к рабочему телу считается изобарным. После полного сгорания топлива расширение продуктов сгорания топлива приводит к перемещению поршня в НМТ. Далее осуществляется выхлоп продуктов сгорания и перемещение поршня в ВМТ.

Условный идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении показан на рис. 11.6.

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия и степень предварительного расширения . Используя эти характеристики и параметры первой точки, остальные параметры цикла определяются соотношениями:

; ; ;

; ; ;

; ; .

Термический КПД цикла определяется выражением

. (11.7)

Выразив температуры в выражении (11.7) через Т1 и характеристики цикла, получим выражение КПД в виде

. (11.8)

Из уравнения (11.6) видно, что чем больше степень сжатия и меньше степень предварительного расширения, тем больше КПД. Снижение КПД за счет увеличения степени предварительного расширения объясняется тем, что изобара Р2 более пологая, чем изохора v1. При увеличении  точка 3 стремиться к точке 4, что приводит к большему возрастанию q2 по отношению к q1.

Зависимость КПД идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении от степени сжатия и степени предварительного расширения показана на рис. 11.7.

Из рис. 11.7 видно, что несмотря на большую степень сжатия, дизельный двигатель имеет практически такой же термический КПД, как и цикл карбюраторного двигателя. Внутренний относительный КПД этих двигателей также практически одинаков. При этом необходимо отметить, что нулевые значения КПД дизельного двигателя соответствуют степеням сжатия больше единицы, возрастающим с увеличением значения .

Основным преимуществом дизельного двигателя является отсутствие карбюратора и возможность использования низкосортного жидкого топлива.

Основным недостатком дизельного двигателя является необходимость больших затрат работы на привод топливного насоса и компрессора по сравнению с карбюраторным двигателем.

Этот недостаток вызван большим давлением воздуха в цилиндре, куда впрыскивается топливо, и необходимостью его распыливания воздухом через форсунку (она имеет значительное гидравлическое сопротивление). К недостатку дизельного двигателя относится и его тихоходность (малые обороты коленчатого вала), что определяет медленный процесс сгорания топлива в двигателе.

11.5. Термодинамический анализ цикла ДВС со смешанным

подводом теплоты к рабочему телу

В 1904 г. русский инженер Г.В. Тринклер предложил бескомпрессорный двигатель со смешанным подводом теплоты к рабочему телу. Усовершенствованные двигатели, работающие по предложенному Тринклером принципу, работают во многих современных «дизельных» двигателях (рис 11.8).

Воздух, сжатый до температуры самовоспламенения топлива в основном цилиндре двигателя (поршень в положении ВМТ), через узкое отверстие поступает в малую камеру (форкамеру), куда через механическую форсунку впрыскивается топливо. Топливо в форкамере самовоспламеняется и создает давление газов большее, чем давление воздуха в основном цилиндре. За счет разности давлений газы и несгоревшее топливо из форкамеры выбрасываются с большой скоростью через узкое отверстие в основной цилиндр. В основном цилиндре происходит интенсивное перемешивание газов и топлива с воздухом и окончательное сгорание топлива при одновременном перемещении поршня в цилиндре в сторону НМТ. Дальнейшее перемещение поршня до НМТ осуществляется за счет расширения продуктов сгорания топлива.

В таком двигателе процесс сжигания топлива (рис. 11.9) состоит из двух стадий: 1) частичное сгорание топлива в форкамере при постоянном объеме (процесс 2-3), 2) окончательное сгорание топлива при постоянном давлении в основном цилиндре (процесс 3-4).

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия , – степень повышения давления и степень предварительного расширения . Используя эти характеристики и параметры первой точки, могут быть определены остальные параметры цикла. Кроме этого, через данные характеристики можно выразить соотношения температур в характерных точках цикла, что позволит оценить их влияние на термический КПД цикла:

для адиабаты 1-2 справедливо соотношение ;

для изохоры 2-3 – ; для изобары 3-4 – .

Количество удельной теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле, определяется выражением

; (11.9)

количество удельной теплоты, отведенной от рабочего тела

. (11.10)

Термический КПД цикла ДВС можно представить уравнением

, (11.11)

где , т.к. для адиабатных процессов 1-2 и 4-5 справедливы соотношения и , при делении которых одно на другое получается равенство , в котором Р4=Р3, v5=v1, v2=v3 , следовательно, ;

соотношение температур , , .

Из уравнения (11.11) следует, что термический КПД будет увеличиваться с возрастанием значений  и  и с уменьшением .

При величине =1 выражение (11.11) превращается в уравнение для КПД компрессорного цикла, а при =1 – в уравнение для КПД дизельного цикла.

Для сопоставления термодинамической экономичности ДВС со смешанным подводом теплоты, с карбюраторными циклами и дизельными циклами необходим анализ всех параметров, определяющих эти циклы. Основные методики такого анализа рассматриваются в следующем разделе.

11.6. Сравнение термодинамической экономичности

циклов ДВС

Сравнение термодинамической экономичности различных циклов ДВС необходимо проводить с учетом выбора определенных реальных условий сравнения. В качестве таких условий могут быть выбраны реальные значения степеней сжатия  или максимально-допустимые давления газов в цилиндрах ДВС Рmax.

Рассмотрим наиболее типичные примеры сравнения экономичности циклов ДВС.

Сравнение экономичности ДВС при одинаковых значениях

q1 и допустимых величинах 

В этом варианте сравнения принимаются одинаковые значения величин q1 и реальные величины  для всех типов ДВС.

Для карбюраторных двигателей допустимые значения =510, для дизельных и двигателей со смешанным подводом теплоты – =1220. Приняв равными величины  для дизельных двигателей и двигателей со смешанным подводом теплоты (величина  должна обеспечить условия самовоспламенения топлива), изобразим все три цикла ДВС при одинаковых q1 в T,s- диаграмме (рис. 11.10).

Из рис. 11.10 видно, что у карбюраторного ДВС (цикл 1-2-3-4-1) наибольшее значение потерь теплоты q2, которое соответствует площади под процессом 4-1. У дизельного двигателя (цикл 1-5-6-7-1) потери теплоты меньше, чем у карбюраторного на величину q2’ (площадь под процессом 4-7). У ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл 1-5-8-9-10-1) потери теплоты меньше, чем у дизельного двигателя на величину q2” (площадь под процессом 7-10). Следовательно, термический КПД ДВС со смешанным подводом теплоты наибольший, а КПД карбюраторного двигателя наименьший:

.

При данных условиях сравнения ДВС со смешанным подводом теплоты будет самым экономичным.

Сравнение экономичности ДВС при одинаковых

значениях q1 и Рмах

В этом варианте сравнения принимаются одинаковые значения величин q1 и одинаковые значения максимального давления в цилиндрах для всех типов ДВС. При таком сравнении величина  для двигателя со смешанным подводом теплоты должна быть меньше, чем у дизельного двигателя.

Изображение циклов ДВС при данных условиях сравнения в T,s- диаграмме приведено на рис. 11.11.

Из рис. 11.11 видно, что наибольшие потери теплоты q2 у карбюраторного цикла 1-2-3-4-1 (площадь под процессом 4-1). У ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл 1-8-9-10-11-1) потери q2 меньше, чем у карбюраторного двигателя на величину q2’ (площадь под процессом 4-11). У дизельного двигателя (цикл 1-5-6-7-1) потери q2 наименьшие, они меньше, чем у ДВС со смешанным подводом теплоты на величину q2” (площадь под процессом 11-7). Следовательно, термический КПД дизельного двигателя наибольший, а КПД карбюраторного ДВС наименьший:

.

При данных условиях сравнения дизельный ДВС будет самым экономичным. Из данных примеров сравнения экономичности ДВС видно, что условия, при которых сравнивается экономичность ДВС, могут играть определяющую роль.

Необходимо отметить, что термические КПД ДВС не полностью характеризуют экономичность двигателей. Внутренние абсолютные КПД ДВС, учитывающие необратимости в реальных процессах: сжатия и расширения рабочего тела, принудительного охлаждения цилиндра, забора и выхлопа рабочего тела и т.п., – намного меньше термических КПД. Средние значения эффективных КПД (с учетом механического трения в коленчатом вале) современных ДВС приведены в таблице.

Эффективность современных ДВС

Тип двигателя

Эффективный КПД е

Степень сжатия 

Карбюраторный

0,25 0,30

6 10

Дизельные *

0,30  0,34

12  18

Со смешанным подводом теплоты **

0,33  0,42

13  20

* В настоящее время редко встречаются

** Этот тип двигателей часто называют дизелями, т.к. большинство современных бескарбюраторных ДВС работает со смешанным подводом теплоты

В настоящее время широко используются и карбюраторные двигатели, и двигатели со смешанным подводом теплоты. Последние называют дизелями, поскольку настоящие дизельные ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении сейчас практически не изготавливают. Необходимость установки воздушного компрессора усложняет конструкцию дизельного ДВС и приводит к увеличению его стоимости и снижению надежности работы.

Окончательные выводы о целесообразности установки карбюраторных или дизельных ДВС для привода конкретных устройств (автомобиль, самолет, теплоход, передвижная электростанция и т.п.) требуют технико-экономических расчетов. На практике оба типа ДВС имеют применение, поскольку они вполне конкурентно-способны.

Вопросы для самоподготовки к главе 11

1. Какие основные преимущества у ДВС по сравнению с турбинными двигателями ?

2. Покажите в индикаторной диаграмме основные процессы, соответствующие четырехтактному ДВС.

3. Перечислите основные величины, характеризующие мощность четырехтактного ДВС.

4. Покажите схему и основные процессы цикла в Т,s- диаграмме карбюраторного (с подводом теплоты при v=const) ДВС.

5. Какие величины характеризуют термический КПД карбюраторного ДВС и какие ограничения существуют в технической реализации его увеличения ?

6. Покажите схему и основные процессы цикла в Т,s- диаграмме дизельного (с подводом теплоты при Р=const) ДВС.

7. Какие величины характеризуют термический КПД дизельного ДВС ?

8. Какие основные недостатки имеют дизельные ДВС ?

9. Покажите схему и основные процессы цикла в Т,s- диаграмме ДВС со смешанным подводом теплоты (с подводом теплоты при v=const и Р=const).

10. Какие величины характеризуют термический КПД ДВС со смешанным подводом теплоты ?

11. Какие основные преимущества имеют ДВС со смешанным подводом теплоты по сравнению с дизельными ДВС ?

12. Покажите с помощью изображения карбюраторного, дизельного и со смешанным подводом теплоты циклов ДВС в T,s- диаграмме какой из них имеет наибольший термический КПД при условии их сравнения с одинаковыми значениями q1 и допустимыми значениями  .

13. Покажите с помощью изображения карбюраторного, дизельного и со смешанным подводом теплоты циклов ДВС в T,s- диаграмме какой из них имеет наибольший термический КПД при условии их сравнения с одинаковыми значениями q1 и Рmax.

14. Какой тип современных ДВС имеет наибольший КПД (при учете необратимостей их реальных процессов) и каких значений у этого ДВС достигает степень сжатия рабочего тела в цилиндре ?

12. ЦИКЛЫ ВОЗДУШНЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В реактивном двигателе сила тяги обусловлена силой реакции потока газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих с большой скоростью из сопла двигателя во внешнюю среду.

Идея создания реактивного двигателя принадлежит Н.И. Кибальчичу (1880 г.), а фундаментальное теоретическое обоснование принципа работы таких двигателей было сделано К.Э. Циалковским в 1903 г.

Появление таких двигателей было вызвано необходимостью создания самолетов, а в последствии и ракет, имеющих большие скорости движения. Для достижения больших скоростей самолета или ракеты необходим двигатель с малой удельной массой на единицу его мощности.

Существует два основных типа реактивных двигателей: ракетные, использующие в качестве топлива водород, озон, перекись водорода и т.п., окислитель – кислород; воздушные реактивные двигатели, использующие жидкое топливо, окислитель – атмосферный воздух (это двигатели для самолетов).

Остановимся на рассмотрении циклов воздушных реактивных двигателей (ВРД).

12.1. Цикл прямоточного ВРД

В этом двигателе используется скоростной напор воздуха летательного аппарата для предварительного сжатия воздуха в диффузоре (рис. 12.1).

textarchive.ru

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя и его рабочие циклы.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации)

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье «».

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Подробнее про работу дизеля в статье «».

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

portalvaz.ru

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Идея использования в качестве рабочего тела продуктов сгорания органического топлива принадлежит Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным техническим возможностям создание такой машины реализовать было нельзя.

В 1895 г. в Германии инженер Р. Дизель построил двигатель с внутренним смешением воздуха и жидкого топлива. В таком двигателе сжимается только воздух, а потом в него через форсунку впрыскивается топливо. Благодаря раздельному сжатию воздуха в цилиндре такого двигателя получалось большое давление и температура, а впрыскиваемое туда топливо самовозгоралось. Такие двигатели получили название дизельных в честь их изобретателя.

Основными преимуществами поршневых ДВС по сравнению с ПТУ является их компактность и высокий температурный уровень подвода теплоты к рабочему телу. Компактность ДВС обусловлена совмещением в цилиндре двигателя трех элементов тепловой машины: горячего источника теплоты, цилиндров сжатия и расширения. Поскольку цикл ДВС разомкнутый, то в качестве холодного источника теплоты в нем используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания). Малые размеры цилиндра ДВС практически снимают ограничения на максимальную температуру рабочего тела. Цилиндр ДВС имеет принудительное охлаждение, а процесс горения быстротечен, поэтому металл цилиндра имеет допустимую температуру. КПД таких двигателей высок.

Основным недостатком поршневых ДВС является техническое ограничение их мощности, находящееся в прямой зависимости от объема цилиндра.

Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом

Теплоты к рабочему телу при постоянном объеме

 
 
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме соответствует карбюраторному двигателю. В этом двигателе в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь, которая сжимается и за счет искры в электрической свече воспламеняется (рис. 11.2). Процесс горения топлива быстротечен и происходит практически при постоянном объеме.

Степень сжатия в ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме ограничена температурой самовоспламенения топливовоздушной смеси. В зависимости от вида топлива максимальные значения e находятся в диапазоне от 7 до 10. При превышении степени сжатия этих значений самовоспламенение и сгорание топлива происходит раньше, чем поршень достигнет ВМТ. Это явление детонации связано с разрушением цилиндра.

Термический КПД таких двигателей составляет 50 – 55 %. Это весьма большие значения. Однако в реальном цикле таких ДВС необратимости в адиабатных и ряде других процессов (принудительное охлаждение цилиндра, выхлоп и забор рабочего тела и т.д.) снижает их КПД до 25 – 30 %.

 

 

Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом

Термодинамический анализ цикла ДВС со смешанным

Подводом теплоты к рабочему телу

 

В 1904 г. русский инженер Г.В. Тринклер предложил бескомпрессорный двигатель со смешанным подводом теплоты к рабочему телу. Усовершенствованные двигатели, работающие по предложенному Тринклером принципу, работают во многих современных «дизельных» двигателях (рис 11.8).

Воздух, сжатый до температуры самовоспламенения топлива в основном цилиндре двигателя (поршень в положении ВМТ), через узкое отверстие поступает в малую камеру (форкамеру), куда через механическую форсунку впрыскивается топливо. Топливо в форкамере самовоспламеняется и создает давление газов большее, чем давление воздуха в основном цилиндре. За счет разности давлений газы и несгоревшее топливо из форкамеры выбрасываются с большой скоростью через узкое отверстие в основной цилиндр. В основном цилиндре происходит интенсивное перемешивание газов и топлива с воздухом и окончательное сгорание топлива при одновременном перемещении поршня в цилиндре в сторону НМТ. Дальнейшее перемещение поршня до НМТ осуществляется за счет расширения продуктов сгорания топлива

 
 
В таком двигателе процесс сжигания топлива состоит из двух стадий: 1) частичное сгорание топлива в форкамере при постоянном объеме, 2) окончательное сгорание топлива при постоянном давлении в основном цилиндре.

Цикл прямоточного ВРД

В этом двигателе используется скоростной напор воздуха летательного аппарата для предварительного сжатия воздуха в диффузоре (рис. 12.1).

 
 

 

Воздух со скоростью набегающего потока поступает в первую часть ВРД – диффузор, где за счет уменьшения скорости потока происходит увеличение давления воздуха. Далее воздух поступает в камеру сгорания двигателя, куда впрыскивается топливо и осуществляется его воспламенение за счет электрической искры. Процесс сгорания топлива организуется таким образом, чтобы давление и скорость потока газов не изменялись, поэтому канал камеры сгорания имеет небольшое расширение (учитывается увеличение объема газов с увеличением температуры в процессе сгорания топлива). После камеры сгорания газы поступают в сопловой канал, где они расширяются до атмосферного давления. В сопловом канале скорость потока газов возрастает, а при выходе газов из сопла с большой скоростью в атмосферу возникает реактивная сила, за счет которой и происходит движение летательного аппарата.

Схема, приведенная на рис.12.1, соответствует ВРД для дозвуковых скоростей самолетов (600 – 800 км/ч). При сверхзвуковых скоростях движения самолетов ВРД должен иметь сверхзвуковой диффузор и сверхзвуковое сопло (рис. 12.3).

 
 

 

 

Внутренний относительный КПД ВРД весьма низок и не превышает 2 – 4 % для дозвуковых скоростей, при сверхзвуковых скоростях КПД может увеличиваться более чем в 2 раза.

Необходимо отметить, что современные сверхкритические ВРД имеют на входе в сопло конусные обтекатели воздуха (рис.12.4).

 
 
Обтекатель организует газодинамическую перестройку потока воздуха от сверхзвуковой скорости до дозвуковой скорости еще до входа в диффузор. Такая конструкция заменяет суживающуюся часть сверхзвукового диффузора, что позволяет избежать скачков уплотнения потока в канале диффузора и, соответственно, снижает необратимость адиабатного процесса сжатия воздуха, т.е. приводит к увеличению давления на выходе из диффузора по сравнению с конструкцией ВРД рис. 12.3.

Для запуска ВРД требуется набегающий поток воздуха, поэтому их запуск осуществляется с помощью специальных устройств: пороховые заряды для ракет, баллоны со сжатым воздухом или стартовые жидкостные реактивные двигатели для самолетов и вертолетов и т.п.

 

 

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Идея использования в качестве рабочего тела продуктов сгорания органического топлива принадлежит Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным техническим возможностям создание такой машины реализовать было нельзя.

В 1895 г. в Германии инженер Р. Дизель построил двигатель с внутренним смешением воздуха и жидкого топлива. В таком двигателе сжимается только воздух, а потом в него через форсунку впрыскивается топливо. Благодаря раздельному сжатию воздуха в цилиндре такого двигателя получалось большое давление и температура, а впрыскиваемое туда топливо самовозгоралось. Такие двигатели получили название дизельных в честь их изобретателя.

Основными преимуществами поршневых ДВС по сравнению с ПТУ является их компактность и высокий температурный уровень подвода теплоты к рабочему телу. Компактность ДВС обусловлена совмещением в цилиндре двигателя трех элементов тепловой машины: горячего источника теплоты, цилиндров сжатия и расширения. Поскольку цикл ДВС разомкнутый, то в качестве холодного источника теплоты в нем используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания). Малые размеры цилиндра ДВС практически снимают ограничения на максимальную температуру рабочего тела. Цилиндр ДВС имеет принудительное охлаждение, а процесс горения быстротечен, поэтому металл цилиндра имеет допустимую температуру. КПД таких двигателей высок.

Основным недостатком поршневых ДВС является техническое ограничение их мощности, находящееся в прямой зависимости от объема цилиндра.

lektsia.com