Теплосиловые газовые циклы циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ГАЗОВЫЕ ЦИКЛЫ Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания Как видно из самого названия, двигатель внутреннего сгорания представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняемым топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива (бензин, керосин, соляровое масло и др.). Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей: Во-первых, благодаря тому, что у них горячий источник тепла находится как бы внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему телу. Это приводит к большой компактности двигателей. Во-вторых, в двигателях внутреннего сгорания предельное значение температуры рабочего тела, получающего тепло не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела, может существенно превосходить предел прочности конструкционного материала. При этом стенки цилиндра и головки двигателя имеют принудительное охлаждение, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический к.п.д. Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасывание рабочего тела, а через другое - выброс его по завершении цикла. Различают три основных вида циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания: Цикл Отто (сгорание при V=const); Цикл Дизеля (сгорание при р=const); Цикл Тринклера (сгорание при V=const и затем р=const). Цикл Отто Н.А. Отто – немецкий конструктор, осуществивший этот цикл в 1876 г. Поршень I совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженным всасывающим (III) и выхлопным (IV) клапанами. В процессе а-1 поршень движется слева направо, в цилиндре создается разряжение, открывается всасывающий клапан III и в цилиндр подается горючая смесь (воздух с парами бензина), приготовленная в специальном устройстве – карбюраторе. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения, процесс заполнения цилиндра горючей смесью заканчивается и всасывающий клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении – справа налево. После того как давление смеси в цилиндре достигает определенной величины, соответствующей точке 2 на индикаторной диаграмме, с помощью электрической свечи V производится поджигание горючей смеси. Процесс сгорание смеси происходит практически мгновенно, поршень не успевает переместиться и поэтому процесс сгорания можно считать изохорным. В процессе сгорания выделяется тепло, за счет которого рабочее тело, находящееся в цилиндре, нагревается и его давление повышается до величины, соответствующей точке 3. под действием этой силы поршень вновь перемещается вправо, совершая при этом работу расширения, отдаваемую внешнему потребителю. После того как поршень дойдет до правой мертвой точки, с помощью специального устройства открывается выхлопной клапан IV и давление в цилиндре снижается до значения, несколько превышающего атмосферное (4-5); при этом часть газа выходит из цилиндра. Затем поршень вновь движется влево, выталкивая из цилиндра в атмосферу оставшуюся часть отработавших газов. После этого начинается новый цикл – всасывание следующей порции горючей смеси и т. д. Таким образом, поршень в цилиндре двигателя в течении одного цикла совершает четыре хода – всасывание, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продуктов сгорания в атмосферу. Цикл Дизеля Назван по имени немецкого инженера Р. Дизеля, постригшего в 1897 г. двигатель, работавший по этому циклу. Если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее, степень сжатия в цикле может быть повышена. На этом принципе основан цикл Дизеля. В процессе а-1 всасывается чистый атмосферный воздух, в процессе 1-2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха до давления р2. затем начинается процесс расширения воздуха, и одновременно через специальную форсунку впрыскивается топливо (керосин, соляровое масло). За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от V2 к V3 при р=const. поэтому цикл Дизеля называют циклом со сгоранием при постоянном давлении. После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение происходит по адиабате 3-4. В точке 4 открывается выхлопной клапан, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-5), и затем газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (5-b); таким образом, цикл Дизеля – это четырехтактный цикл. Цикл Тринклера Своего рода «гибридом» циклов Отто и Дизеля является цикл со смешанным сгоранием, или цикл Тринклера (по имени русского инженера Г.В. Тринклера, впервые предложившего его в 1904 г.). Двигатели, работающие по этому типу, имеют так называемую форкамеру, соединенную с рабочим цилиндром узким каналом. В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкого топлива, подаваемого в форкамеру (1-2). Форма и расположение последней способствует наилучшему смешению топлива с воздухом, в результате чего происходит быстрое сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (2-5). Благодаря возрастанию давления в форкамере образовавшаяся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкиваются в рабочий цилиндр, где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся перемещением поршня слева направо при приблизительно постоянном давлении (5-3). По окончании сгорания топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания (рабочий ход) происходит адиабатически (3-4), после чего отработавшие газы удаляются из цилиндра (4-1). Особенность двигателя со смешанным сгоранием состоит в том, что в отличие от двигателя Дизеля он не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто – часть процесса сгорания осуществляется при постоянном давлении.

Похожие: