Вопрос №1. Термодинамический цикл карбюраторного двигателя.

Рис. 4. Термодинамические циклы поршневых ДВС

а — цикл Отто; б — цикл Дизеля; в — цикл Тринклера,

где Vс — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем; Q₁— подведенная теплота; Q₂— отведенная теплота; L — полезная работа цикла;

Цикл Отто (рис.4, а). По этому циклу работают современные бензиновые и газовые двигатели. Цикл состоит из 4-х термодинамических процессов. Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁,T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты Q₁. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема V₄=V₁. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты Q₂ в теплоприемник.

 Характеристиками цикла являются:

ε = V₁/ V₂ - степень сжатия;

λ = p₃/p₂ - степень повышения давления;

Термодинамический анализ процессов, составляющих данный цикл, позволяет получить выражение, определяющее термический КПД цикла:

          Термический КПД цикла Отто:  ξ_t = 1 – 1/ε^k-1 ,………………….(4)

откуда видно, что с повышением степени сжатия ε КПД цикла возрастает.

Вопрос №2. Термодинамические циклы дизельных двигателей.

Рис. 4. Термодинамические циклы поршневых ДВС

а — цикл Отто; б — цикл Дизеля; в — цикл Тринклера,

где Vс — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем; Q₁— подведенная теплота; Q₂— отведенная теплота; L — полезная работа цикла;

Цикл Дизеля. Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут и проч.

      В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ε =20 ), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.

Цикл Дизеля (рис.4, б) осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты  Q₁. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты Q₂. Характеристиками  цикла являются :

степень сжатия -  ε = V₁/V₂;

степень предварительного расширения - ρ = V₃/V₂.

Термический КПД цикла Дизеля: ξ_t = 1 – (ρk – 1)/ kε^k-1(ρ – 1)……………(5)

Отсюда следует, что с увеличением ε и k КПД увеличивается, а с увеличением ρ - уменьшается.

Вопрос №3. Индикаторная диаграмма ДВС.

Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис.5. Площадь индикаторной диаграммы характеризует собой работу, которую совершают газы за рабочий цикл двигателя. Работа, затрачиваемая на осуществление тактов впуска и выпуска (работа насосных ходов) , составляет всего около 1-2% от общей работы цикла, поэтому диаграмму действительного цикла обычно строят только для тактов сжатия и расширения. Работу насосных ходов принято относить к механическим потерям двигателя.

        



Вопрос №4. Принцип работы ДВС с внешнем смесеобразованием.

По способу смесеобразования и воспламенения топлива двигатели внутреннего сгорания подразделяют на две группы с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от электрической искры — карбюраторные бензиновые и газовые с внутренним смесеобразованием и воспламенением впрыскиваемого под давлением топлива от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре в результате высокого сжатия,— дизельные.

В двигателях с зажиганием от электрической искры, т. е. в основном в карбюраторных и газовых двигателях, можно выделить три фазы сгорания топлива. Первая фаза — от момента проскакивания электрической искры до момента образования очага сгорания. Этот период физико-химической подготовки топлива к сгоранию представляет собой период задержки воспламенения. В течение этого периода, включая и образование небольших очагов сгорания около свечи зажигания, давление в цилиндре почти не изменяется. Вторая фаза — распределение пламени по основной части камеры сгорания. В этот период сгорает наибольшая масса топлива и давление в цилиндре достигает максимального значения. Третья фаза — догорание несгоревшего топлива в процессе расширения газов. В период догорания выделяется от 5 до 25% тепла, получаемого при сгорании топлива в цилиндре двигателя. Учитывая наличие задержки воспламенения, для получения максимума давления непосредственно после прохождения поршнем в. м. т. зажигание следует производить до прихода поршня в в. м. т. (вмт – верхняя мертвая точка).

Вопрос №5. Принцип работы ДВС с внутреннем смесеобразованием.

Вопрос №6. Принцип работы 2-х тактных и 4-х тактных ДВС.

Принцип работы двухтактного двигателя достаточно прост. Весь рабочий цикл в таких устройствах состоит всего из 2 тактов, а именно из сжатия и расширения. 4 тактный агрегат отличается от данной модели тем, что в нем впуск  выпуск смеси осуществляется в виде отдельного рабочего процесса. Здесь же, эти два действия совмещены со сжатием и расширением. Сам принцип работы заключается в следующем:

1. Сначала происходит движение поршня, направленного от нижней, так называемой мертвой точки, в верхнюю. Этот процесс совмещен еще с одним, который заставляет через продувочное окно доставлять в камеру горючее с воздухом. Так же в это самое время приоткрывается выпускное окно. Через него выходят все отработанные газы. Именно так начинается процесс сжатия.

2. Одновременно со стартом процесса сжатия начинает образовываться разреженное воздушное пространство в кривошипной камере. Это способствует тому, что сюда из карбюратора начинает поступать свежая порция горючего. Когда поршень достигает верхней мертвой точки, смесь начинает воспламеняться от свечей зажигания, соответственно, выполняется полезная работа, которая толкает его вниз.

3. В это время в кривошипной камере начинает создаваться избыточное давление. Оно действует на горючее, которое начинает сжиматься. Когда верхняя точка поршня достигает выпускного окна, то оно открывается, и выпускает все отработанные газы. Отсюда они попадают напрямую в глушитель. Двигаясь дальше, поршень постепенно открывает продувочное окно. То горючее, которое находилось до этого времени в кривошипной

камере, постепенно подается внутрь цилиндра. Когда рабочий орган опускается до нижней мертвой точки, то можно говорить о том, что работа 2 такта завершена, а это означает, что все начинается с самого начала. По сути, двухтактный двигатель по принципу работы сильно отличается от того, что нам предлагает 4 тактный.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.  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. Пoршень снабжен металлическим стержнем - пальцем, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

1. Впуск - четырёхтактный двигатель

В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, - в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.

2. Сжатие - четырёхтактный двигатель

Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с б́ольшей степенью сжатия требуется топливо с б́ольшим октановым числом, которое дороже.

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) - четырёхтактный двигатель

Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда пoршень будет находиться в ВМТ. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.

4. Выпуск - четырёхтактный двигатель

После НМТ такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала.

Таким образом 1 рабочий цикл 4-х тактного двигателя происходит за 2 оборота коленчатого вала (720° его поворота). Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов. 

7. Принцип работы газовой турбины.

Газовая турбина, как тепловой двигатель, объединяет харак­терные особенности паровой турбины и двигателя внутреннего сго­рания, в котором энергия топлива при его горении превращается непосредственно в механическую работу. Рабочим телом газовых турбин, работающих по открытому циклу, являются продукты сгорания топлива, а рабочим телом газовых турбин, работающих по закрытому циклу,— чистый воздух или газ, непрерывно цирку­лирующий в системе. На судах применяют газотурбинные уста­новки (ГТУ), работающие по открытому циклу, со сгоранием топ­лива при постоянном давлении (р = const) и ГТУ, работающие по закрытому циклу.

В настоящее время судовые ГТУ выполняют двух типов: 1) турбокомпрессорные и 2) со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ).

Схема простейшей турбокомирессорной газотурбинной уста­новки, работающей при постоянном давлении сгорания топлива представлена на рис. 101. Компрессор 9 засасывает чистый атмо­сферный воздух, сжимает его до высокого давления и подает по воздухопроводу 3 в камеру сгорания 2, куда одновременно через форсунку 1 поступает топливо. Топливо, смешиваясь с воздухом, образует рабочую смесь, которая сгорает при р = const. Образо­вавшиеся продукты сгорания охлаждаются воздухом и направля­ются в проточную часть турбины. В неподвижных лопатках 4 про­дукты сгорания расширяются и с большой скоростью поступают на рабочие лопатки 5, где происходит преобразование кинетиче­ской энергии газового потока в механическую работу вращения вала. По патрубку 6 отработавшие газы уходят из турбины. Газо­вая турбина приводит во вращение компрессор 9 и через редук­тор 7 гребной винт 8. Для запуска установки используется пуско­вой двигатель 10, который раскручивает компрессор до минималь­ной частоты вращения.

На этом же рисунке изображен теоретический цикл рассмот­ренной ГТУ в координатах р — ? и S — Т: AВ — процесс сжатия воздуха в компрессоре; ВС—сгорание топлива при постоянном давлении в камере сгорания; СД— расширение газа в турбине, ДА — отвод тепла от отработавших газов.

Для повышения экономичности работы ГТУ применяют реге­неративный подогрев воздуха, поступающего в камеру сгорания, либо ступенчатое сгорание топлива в нескольких последователь­ных камерах сгорания, которые обслуживают отдельные турбины. Из-за конструктивной сложности ступенчатое сгорание применяют редко. С целью повышения эффективного к. п. д. установки наряду с регенерацией используют двухступенчатое сжатие воздуха, при этом между компрессорами включают промежуточный охладитель воздуха, что сокращает потребную мощность компрессора высо­кого давления.

На рис. 102 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при р = const и регенерацией тепла. Воздух, сжатый в компрессоре 1, проходит через регенератор 2 в камеру сгорания 3, где подогревается за счет тепла отработавших газов, покидающих турбину 4 со сравнительно высокой температурой. Действительный цикл этой установки показан на диаграмме S—Т (рис. 103): процесс сжатия воздуха в компрессоре 1—2; нагрев воздуха в регенераторе, сопровождаемый падением давления от р₂ до р₄ 2 — 3; подвод тепла в процессе сгорания топлива 3 — 4; действительный процесс расширения газа в турбинах 4—5; охлаж­дение газов в регенераторе, со­провождаемое потерей давле­ния р₅—р₁ 5—6; выпуск га­зов— отвод тепла 6—1. Коли­чество тепла, полученное воз­духом в регенераторе, изобра­жается площадью 2'—2—3—3', а количество тепла, отданного отходящими газами в регенераторе, площадью 6'—6—5—5'. Эти площади равны между собой.

В ГТУ закрытого цикла отработавшее рабочее тело не посту­пает в атмосферу, а после предварительного охлаждения вновь направляется в компрессор. Следовательно, в цикле циркулирует рабочее тело, не загрязненное продуктами сгорания. Это улуч­шает условия работы проточных частей турбин в результате чего повышается надежность работы установки и увеличивается ее мо­торесурс. Продукты сгорания не смешиваются с рабочим телом и поэтому для сжигания пригодно топливо любого вида.