Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

Следовательно, процесс сжатия необходимо вести  при меньшей температуре, чем  процесс расширения, т.е. при сжатии газ следует охлаждать.

Работа, затраченная на сжатие, изображается площадью 2-2′-1-4-3-2. в результате кругового процесса получается полезная работа, равная разности работ расширения и сжатия, которая  изображается площадью 1-1′-1-4-3-2, ограниченной замкнутой кривой обоих процессов.

Для осуществления кругового  процесса (цикла) и получения полезной работы необходимо к газу в процессе расширения подвести тепло  , а в процессе сжатия отвести от него тепло .

Так как в круговом процессе конечное и начальное состояния  газа совпадают, то изменение внутренней энергии газа за цикл равно нулю, т.е. .

На совершение полезной работы в круговом процессе затрачивается  количество тепла q=q₁-q₂, где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно.

Процесс на рисунке 5 называют прямым, и он направлен по часовой стрелке. Прямые циклы имеют место в тепловых двигателях.

Экономичность цикла оценивается  термическим коэффициентом полезного  действия (к.п.д.), обозначаемым и равным отношению тепла, превращенного в полезную работу, к подведенному теплу, т.е.

.

где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно. Данное уравнение показывает, что к.п.д. не может быть больше или равен единице, т.к. ни q₂ ни q₁ не могут быть равны нулю.

 

 

Глава 2. Рабочие  процессы поршневых и комбинированных  двигателей.

2.1 Основные типы двигателей

 

Типы двигателей:

-двигатель внутреннего  сгорания;

-комбинированный д.в.с  с турбиной;

-тракторный комбинированный  д.в.с с турбиной;

-комбинированный судовой  д.в.с;

Двигателем внутреннего  сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и  превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

ДВС можно разделить  на:

• газовые турбины;
• поршневые двигатели;
• реактивные двигатели.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

• поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов  двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

• автономность;
• универсальность (сочетание с различными потребителями);
• невысокая стоимость;
• компактность;
• малая масса;
• возможность быстрого запуска;
• многотопливность.

Вместе с тем, двигатели  внутреннего сгорания имеют ряд  существенных недостатков, к которым относятся:

• высокий уровень шума;
• большая частота вращения коленчатого вала;
• токсичность отработавших газов;
• невысокий ресурс;
• низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршневые ДВС:

• бензиновые двигатели;
• дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего  сгорания, являются природный газ, спиртовые  топлива – метанол и этанол, водород.

Принцип работы двигателя  внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

• впуск;
• сжатие;
• рабочий ход;
• выпуск.

В настоящее время  широкое распространение получили так называемые комбинированные двигатели. Основными преимуществами

 комбинированного двигателя являются его малые объем и масса,

приходящиеся на 1 л.с. и, что не менее важно, высокая экономичность, превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.

Комбинированный двигатель состоит из поршневого двигателя внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора.

Выпускные газы из поршневого двигателя, которые имеют еще  высокие температуру и давление, отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и  под определенным давлением нагнетает  его в цилиндры поршневого двигателя.

Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем  повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность  воздуха повышается и увеличивается  количество свежего заряда, заполняющего цилиндр при впуске, по сравнению  с зарядом воздуха в том  же двигателе без наддува.

Для того чтобы топливо, вводимое в цилиндр, сгорело, требуется  определенное количество воздуха (для  полного сгорания 1 кг жидкого топлива  теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива  можно сжечь в нем, т.е. получить большую мощность.

Комбинированные двигатели  по сравнению с двигателями без  наддува характеризуются не только более высокой мощностью, но и  лучшей экономичностью вследствие использования  части энергии выпускных газов.

Судовой двигатель входит в состав судовой энергетической установки. Судовые двигатели различают  на главные судовые

двигатели (обеспечивающие движение судна) и вспомогательные судовые двигатели (для привода электрогенераторов, насосов, вентиляторов и т. п.). В качестве судового двигателя используют двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, и газовые турбины.  Основными характеристиками судовых двигателей являются: большой ресурс, возможность реверсирования, умеренная трудоёмкость технического обслуживания, проводимого в судовых условиях, использование топлива в основном тяжёлых сортов, отсутствие жёстких ограничений по массе и размерам двигателя.

Чаще  всего на судах используются ДВС  — судовые дизели, обладающие наибольшей экономичностью из всех типов судовых двигателей. На транспортных, промысловых и вспомогательных судах применяются мало-, средне- и высокооборотные дизели с наддувом. Малооборотные судовые двигатели внутреннего сгорания используются как главные двигатели судов различных типов; их агрегатная мощность составляет 2,2—35 Мвт, число цилиндров 5—12, удельный эффективный расход топлива 210—215 г/ (квт×ч), частота вращения 103—225 об / мин. Среднеоборотные судовые двигатели внутреннего сгорания используются преимущественно в качестве главных двигателей судов среднего размера; их мощность достигает 13,2 Мвт, число цилиндров 6—20, эффективный расход топлива 205—210 г/(квт×ч), частота вращения 300—500 об/мин. Высокооборотные судовые двигатели внутреннего сгорания применяются в основном как главные двигатели на малых судах, а также в качестве вспомогательных двигателей на судах всех типов; их агрегатная мощность до 2 Мвт, число цилиндров 12—16, удельный эффективный расход топлива 215—230 г/(квт×ч), частота вращения свыше 500 об/мин.

 

В качестве источника энергии тракторы используют двигатели внутреннего  сгорания. Необходимо понимать, что  параметры двигателя для трактора существенно отличаются от параметров автомобильных двигателей. Автомобильные  двигатели не подходят для трактора.

Тракторные двигатели проектируются  с учётом высокого коэффициента нагрузки, то есть номинальная эффективная  мощность может составлять от 85 до 90 % от максимальной эффективной мощности при расчётной скорости, и двигатель  может производить номинальную  мощность в течение долгого периода  времени.

Автомобильным двигателям предъявляются  требования с учётом максимальной мощности, производимой двигателем на оптимальной  скорости.

Двигатель трактора может быть горизонтальным или вертикальным, четырёхтактным или  двухтактным, с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия (дизель).

 

2.2  Тепловые процессы  в двигателях

 

Работа поршневых двигателей внутреннего  сгорания основана на использовании силы давления газов вследствие их расширения при нагреве в процессе сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. Эту смесь воспламеняют, например, электрической искрой с помощью свечи зажигания. Газы, стремясь расшириться, давят на стенки камеры сгорания и на днище поршня. Под их действием поршень движется к н.м.т. и через шатун передает воспринимаемое им давление газов коленчатому валу, сообщая последнему вращательное движение. Так, в цилиндре двигателя происходят два основных процесса: сгорание смеси и расширение продуктов сгорания, вследствие чего химическая энергия топлива превращается в тепловую, затем частично в механическую энергию.

Для обеспечения непрерывной работы двигателя в его цилиндры необходимо периодически вводить все новые  и новые порции воздуха и топлива, а продукты сгорания, соответственно, выводить в атмосферу. В двигателе  впуск смеси воздуха с топливом отработавших газов, т.е. рабочего тела в цилиндре, осуществляют с помощью  клапанов нагруженных пружинами  и управляемых кулачковым (распределительным) валом механизма газораспределения, кинематически связанным с коленчатым валом. Совместная работа кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения позволяет осуществлять необходимую для непрерывного действия двигателя последовательность в чередовании основных и вспомогательных процессов в каждом цилиндре.

Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих  непрерывную его работу, называют рабочим циклом. Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.

 

2.3 Топливо для двигателей. Свойства и физико-химические характеристики. Теплота сгорания топлива

 

Действительный рабочий  цикл ДВС осуществляется в результате выделения теплоты при химических реакциях сгорания топлива непосредственно  в цилиндре двигателя.

В качестве топлива для  двигателей используют жидкие нефтепродукты (бензин, дизтоплива, тяжелое дизельное  топливо) и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Топливо и воздух на горение  в зависимости от физических свойств  топлива вводится в цилиндр двигателя  совместно или раздельно.

При проектировании нового двигателя обязательно указывается  вид топлива. Для характеристики конструктивных особенностей двигатели  часто называют по роду используемого  топлива (газообразные, бензиновые).

В зависимости от физического  состояния и метода получения  газообразного топлива различают  сжиженный газ (смеси углеводородов, которые при 20 С и давлении 760 мм рт.ст. газообразны, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость), сжатый газ, генераторный газ и т.п.

Жидкое топливо получается в основном в результате переработки  нефти. Нефтяное жидкое топливо состоит  в основном из углерода 85-87%, водорода 12-15%, кислорода 0-0,5%. Жидкие топлива  делят на топлива для карбюраторных  двигателей и для двигателей с  воспламенением от сжатия (дизеля).

Бензин — основной вид топлива для карбюраторных двигателей. Сырьем для получения бензина служит нефть, нефтяные газы, бурый и каменный уголь, горючие сланцы.

Октановое число́ — показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания. Число равно содержанию (в процентах по объёму) изооктана(2,2,4-триметилпентана) в его смеси с гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.

Фракционный состав характеризуется  температурой выкипания 10%; 50%; 90 % топлива и температурой конца выкипания.

Температура выкипания 10% топлива характеризует его пусковые качества: чем ниже эта температура, тем легче можно пустить двигатель.

Температура выкипания 50% топлива характеризует способность его обеспечивать быстрый прогрев двигателя, устойчивость его работы на малой частоте вращения коленчатого вала и приемистость двигателя.

Температура выкипания 90 % топлива и конца выкипания характеризует полноту его испарения.