Презентация, доклад по дисциплине ГПС на тему Двигатели внутреннего сгорания, 3 курс

теплопередачи и гидравлики. – Л.: Машиностроение, 1988, §9.1, 9.2.
Лепешкин А.В. Гидравлические и пневматические системы. – М.: Издательский центр «Академия», 2004, §9.2 (обобщение).
Кузовлёв В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. – М.: Высшая школа, 1983. §10.1 и 10.3.
Ерохин В.Г., Маханько М.Г., Самойленко П.И. Основы термодинамики и теплотехники. - М.: Машиностроение, 1980. §85, 86.

тепловой энергии топлива, сгорающего внутри цилиндра, в механическую работу.

ДВС благодаря высокой экономичности, небольшой массе, быстрому запуску нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно на транспорте, в авиации и на судах речного и морского флота.
ДВС относятся к тепловым двигателям, в которых рабочие процессы протекают внутри рабочих цилиндров.
Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива.
Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, а остальная часть отдается окружающей среде.

Двигатели внутреннего сгорания ДВС

движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма (кривошип 7 и шатун 6).
В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива).

Основные элементы любого поршневого ДВС

Расстояние между мёртвыми точками называют ходом поршня h.
Внутренний объём цилиндра в пределах хода поршня h называют рабочим объёмом цилиндра Vh.
Часть объёма цилиндра, заключенного между крышкой и торцом поршня, находящегося в ВМТ, называют камерой сгорания Vс.
Полный объём цилиндра V равен сумме рабочего объёма и объёма камеры сгорания:

цилиндра к объёму камеры сгорания:

Характеристики ДВС

Другой важной характеристикой ДВС является степень повышения давления, представляющая собой отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты, т.е. показывающая, во сколько раз повысилось давление рабочего тела в цилиндре после сгорания топлива

где рк и рн – соответственно давления в конце и начале изохорного процесса.

за 1 оборот коленчатого вала

рабочий цикл совершается за 4 хода (такта) поршня, т.е. за 2 оборота вала

Перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот – такт.

двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндр. Внутри цилиндра движется поршень - металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем - пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Из рисунка видно, что топливная смесь (желтый цвет) попадает и в кривошипную камеру двигателя (это та полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.

к верхней мертвой точке поршня, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окна. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

Принцип работы
двухтактного ДВС

Второй такт - рабочий ход
При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает высокое давление в кривошипной камере (сжимая топливо-воздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор. Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов. Далее цикл повторяется.

момент кулачок давит на клапан впускного канала тем самым позволяет заполнить цилиндр горючей смесью из карбюратора.
 
Второй такт - сжатие
После прохода НМТ поршень начинает движение вверх, при этом оба клапаны закрыты. За счёт большого давление горючая смесь нагревается и в момент когда поршень достигает ВМТ (Поршень проектируют так, что над ним остаётся пространство — камера сгорания.) температура рабочей смеси достигает 450-500ºС, а давление 0.8-1.2 МПа.
 
Третий такт - рабочий ход
Когда поршень достигает ВМТ искра в свечи воспламеняет рабочую смесь. Опять таки надо оговориться, что искра подаётся до того как поршень будет находиться в ВМТ из за специфики горения рабочей смеси. В результате теплового расширения газы начинают толкать поршень вниз — тем самым осуществляя рабочий ход.
 
Четвёртый такт - выпуск.
Поршень после достижения НМТ, по инерции маховика, начинает движение вверх. Одновременно с этим кулачок открывает выпускной клапан и отработанные газы выпускаются из цилиндра.

Принцип работы
четырехтактного ДВС

ДВС подразделяются на 3 группы:

при движении поршня 2 из ВМТ в НМТ через впускной клапан 5. Давление всасывания несколько ниже атмосферного из-за гидравлического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода.
Период сжатия (кривая 1-2). При движении поршня из НМТ в ВМТ (клапаны 4 и 5 закрыты) происходит уменьшение объёма смеси от v1 до v2 , вследствие чего её давление и температура возрастают, соответственно от р1 до р2 и от Т1 до Т2. Т.к. этот процесс сжатия протекает очень быстро, то считают, что теплообмен с окружающей средой не успевает произойти, т.е. процесс адиабатный.
Период горения рабочей смеси (линия 2-3). В конце такта сжатия происходит воспламенение смеси от искры свечи зажигания 3. В цилиндре топливо сгорает настолько быстро, что поршень практически не успевает переместиться и кривая 2-3 приближается к изохоре. Т.о., к рабочему телу подводиться теплота q1, вызывающая возрастание его температуры и давления, соответственно от Т2 до Т3 и от р2 до р3.
Период расширения (кривая 3-4). Сжатые газы расширяются и, передвигая поршень из ВМТ в НМТ, совершают механическую работу, (поршень делает рабочий ход). Вследствие быстроты протекания этот процесс также принимают адиабатным. Давление и температура отработавшей смеси понижаются соответственно от р3 до р4 и от Т3 до Т4., а объём увеличивается от v2 до v1.
Период выхлопа (линия 4-5). Выпускной клапан 4 открывается с некоторым опережением, поэтому выхлоп основной массы продуктов сгорания из цилиндра происходит до момента прихода поршня в НМТ. В связи с этим действительный процесс выхлопа 4-5 несколько отличается от теоретически принимаемого изохорного процесса. С отработавшим газом, выброшенным в атмосферу вследствие разности давлений, отводиться теплота q2. После выхлопа давление р5 в цилиндре из-за сопротивления в выпускном клапане 4 и отводящей трубе несколько выше атмосферного.
Период выталкивания (линия 5-6). Придвижении поршня из НМТ в ВМТ происходит выталкивание из цилиндра оставшихся отработавших газов при открытом выпускном клапане 4.

Цикл Отто в pv-диаграмме

Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме V=Const

двигателей:
В качестве рабочего тела принимается идеальный газ, теплоёмкость которого не зависит от температуры;
Цикл замкнут, и на всех его стадиях качественный и количественный состав рабочего тела остаётся неизменным;
Теплота к рабочему телу подводится от внешнего горячего источника, а не за счёт сжигания топлива, а отводится к внешнему холодному источнику, а не выбросом в атмосферу;
Процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают без теплообмена с внешней средой (адиабатно);
Отсутствуют трение между элементами шатунно-поршневой группы и гидравлическое сопротивление в клапанах и подводящих трубопроводах;
Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно мала.

Из описания работы ДВС видно, что процессы, протекающие в нём, необратимы, т.е. имеются трение, изменение качественного и количественного состава рабочего тела при его сгорании и т.п., а цикл работы даже не замкнут, т.к. рабочее тело поступает извне и выбрасывается в атмосферу по окончании цикла.

Допущения при анализе ДВС

3-4)
двух изохор (2-3, 4-1).

3

Определение параметров рабочего тела

Полный объём цилиндра

Даны: степень сжатия ε, степень повышения давления λ объём камеры сгорания Vc, давление р1 (атмосферное) и температура Т1 в точке 1

Процесс 1-2 - адиабатное сжатие

Процесс 2-3 - изохора, к телу подводиться теплота q1

Процесс 3-4 - адиабатное расширение

2-3-b-a под линией изохорного процесса 2-3 представляет собой подведённую теплоту

площадь 4-1-a-b под линией изохорного процесса 4-1 представляет собой отведённую теплоту

Теплота, эквивалентная совершённой полезной работе цикла изображается площадью 1-2-3-4

Термический КПД цикла Отто

Т.О., КПД зависит от степени сжатия. Именно по пути увеличения ε шло развитие и совершенствование ДВС. Однако оказалось, что увеличение степени сжатия рабочей смеси ограничивается температурой конца сжатия, при которой возникает опасность самовоспламенения горючей смеси ещё до прихода поршня в крайнее верхнее положение (ВМТ), что нарушает нормальную работу двигателя.

циклом Отто:
более высокий КПД;
отсутствует карбюратор;
нет запального устройства;
используется дешевое низкосортное топливо (мазут, соляровое масло и др.)

Цикл Дизеля

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении Р=Const

Был создан новый двигатель – дизель, в цилиндре 1 которого поршнем 2 сжимается чистый воздух до высокого давления (3-4МПа), а топливо (дизельное или моторное) через форсунку 4 впрыскивается в камеру сжатия 5 специальным топливным насосом 3 в конце процесса сжатия. Это позволило исключить преждевременное самовоспламенение смеси и повысить КПД двигателя. Рабочая смесь воспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха (600-6500С), намного превышающей температуру самовоспламенения топлива. Причём топливо в цилиндр поступает постепенно, а не сразу, что обуславливает его постепенное, а не мгновенное сгорание. При этом давление в цилиндре несколько повышается, но остается более или менее постоянным за счет постепенного увеличения объёма камеры сгорания при движении поршня.

состоит из
двух адиабат (1-2 и 3-4)
изобары (2-3)
изохоры (4-1)

при P=Const

состоит из
двух адиабат (1-2 и 3-4)
двух изохор (2-5 и 4-1)
одной изобары (5-3).

В этих двигателях, как и в дизелях, сжатие топлива и смеси производиться раздельно. Двигатели Тринклера в верхней части цилиндра имеют специальную камеру 1 (форкамеру), соединённую с цилиндром узким каналом. Воздух с параметрами P1, V1, Т1 адиабатно сжимается в цилиндре (процесс 1-2) до давления P2, соответствующего температуре, которая на 200-3000С выше температуры самовоспламенения топлива.

Топливо, распыляемое в форкамере форсунками 2, подаётся к ним под большим давлением плунжерным насосом. Часть топлива (меньшая) почти мгновенно (при V=Const) сгорает в форкамере (2-5). При этом к рабочему телу подводиться теплота g1/. Образовавшимся давлением большая часть несгоревшего топлива и воздуха выталкивается из форкамеры в цилиндр и догорает в нём при движущемся слева направо поршне 3 (процесс 5-3). Давление в процессе горения изменяется незначительно, приближаясь к линии P=Const. К рабочему телу подводиться теплота g1//. Дальнейшее адиабатное расширение продуктов сгорания (3-4) обеспечивает рабочий ход поршня, по окончании которого происходит удаление отработавших газов (выхлоп) в атмосферу (4-1), с ними отводится теплота g2.

Все современные ДВС с воспламенением рабочей смеси от теплоты сжатия работают по циклу со смешанным сгоранием топлива, что объясняется более высокими значениями КПД по сравнению с другими рассмотренными циклами.

цикла, давление и температуру в каждой характерной точке цикла (1,2,3,4), а также подведенную и отведенную теплоту, работу цикла), если дано: Vc=1,5л; t1=900C; р1=0,1МПа; ε=5; λ=1,6; k=1,4. Рабочее тело – воздух.

Домашнее задание

Контрольные вопросы
Какие машины называются двигателями внутреннего сгорания?
Перечислите основные характеристики ДВС.
Охарактеризуйте основные типы ДВС, назовите их такты.
Назовите основные циклы ДВС. Какие способы подвода теплоты к рабочему телу им характерны?