Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силовые агрегаты. Курс лекций для студентов 4 курса факультета механизации сельского хозяйства, обучающихся по направлению подготовки 190600.62 - Эксп
.pdf
11
Идея сжигания топлива внутри цилиндра поршневой машины
возникла в конце XVIII в.
В 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром был создан первый практически пригодный газовый ДВС. Он работал на светильном
газе по 2-х тактному циклу (η = 4…5%).
В 1876 г. немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-х тактный газовый ДВС, который нашел промышленное
применение.
В 1889 г. - О.С. Костович в России построил первый бензиновый
двигатель с искровым зажиганием. Этот двигатель имел высокие показатели и отличался прогрессивной конструкцией.
В 1897 г. - в Германии немецкий инж. Дизель Р., предложил ДВС с
воспламенением от сжатия. Однако вследствие конструктивного несовершенства двигатель не получил широкого распространения и
был снят с производства. Усовершенствование этого ДВС на заводе
Л. Нобеля в г. Петербурге (ныне завод «Русский дизель») в 1898-99 г.
позволило применить в качестве топлива нефть. В результате чего
ДВС становится более экономичным тепловым двигателем.
В корпусах завода «Русский дизель» в окрестностях СанктПетербурга», недалеко от города Всеволожска, в настоящее время
расположился завод «Форд». Территория – 26 га, площадь корпусов
36000 м2 расположены три основных цеха: сварочный, окрасочный и
сборочный. Сегодня завод способен выпустить 25 тыс. автомобилей в
год. Планируется мощность (при дополнительных инвестициях) – 100
тыс. Число сотрудников 400 чел. Производимая модель – «ФордФокус», в России должен выпускаться с тремя типами кузова (пятидверный хэтчбек, седан и универсал). Бензиновый двигатель трех вариантов: 1,6; 1,8; 2.0 л.
В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС.
Ценный вклад в развитие бескомпрессорных дизелей внесли
разработки Г.В. Тринклера и Я.В. Мамина.
Наряду с развитием двигателестроения развивалась и теория
ДВС. Так, профессор МВТУ В.И. Гриневецкий в 1906 г. впервые разработал метод теплового расчета двигателя, развитый и дополненный в последствии в трудах Н.Р. Брилинга, Е.К. Мазина, Б.С. Стечкина, В.Н. Балтинского, Н.С. Ждановского, И.М. Ленина, М.Г. Круглова и
др.
12
Поршневые ДВС, работающие на жидком топливе нефтяного
происхождения, явились надежной основой развития машиностроения.
1.3 Классификация автотракторных двигателей
ДВС можно классифицировать по различным признакам (единой
классификации нет) [1, 2]
I. По назначению:
а) стационарные - применяются на электростанциях, насосных
установках, в с.х. и т.п.;
б) транспортные – устанавливаемые на мобильных машинах: автомобилях, тракторах, судах, самолетах и др.
II. По роду применяемого топлива.
а) легком жидком топливе (бензоле, бензине, керосине, легроине,
спирте);
б) тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом масле, дизельном топливе и газойле);
в) газовом топливе (генераторном, природном, пропан-бутановых
и др. газах);
г) смешанном топливе (основным топливом является газ, а для
пуска используется жидкое топливо);
д) различных топливах – многотопливные (бензине, керосине,
диз. топливе).
III. По способу преобразования тепловой энергии в механическую:
а) поршневые – процесс превращения энергии совершается в цилиндре;
б) газотурбинные – процесс сгорания топлива совершается в
специальной камере сгорания, а превращение тепловой энергии в
механическую происходит на лопатках колеса газовой турбины;
в) комбинированные – сгорает топливо в поршневом двигателе, а
превращение тепловой энергии в механическую совершается частично в цилиндре поршневого двигателя, а частично на лопатках колеса
газовой турбины (турбопоршневые двигатели и т.п.).
IV. По способу смесеобразования:
13
а) с внешним смесеобразованием – горючая смесь образуется
вне цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную трубу);
б) с внутренним смесеобразованием – рабочая смесь образуется
внутри цилиндра двигателя (дизели, двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива в цилиндр).
V. По способу воспламенения рабочей смеси:
а) двигатели с искровым зажиганием – воспламенение рабочей
смеси от электрической искры;
б) двигатели с воспламенением от сжатия;
в) двигатели с форкамерно-факельным зажиганием (воспламенение богатой смеси искрой осуществляется в специальной камере малого объема, а основное сгорание обедненной смеси происходит в
основной камере);
г) двигатели с воспламенением газового топлива от небольшой
порции дизельного топлива, воспламеняющегося от сжатия; – газожидкостный процесс.
VI. По способу осуществления рабочего цикла:
а) 4-х тактные без наддува (впуск воздуха из атмосферы) и с наддувом (впуск свежего заряда под давлением), рабочий цикл совершается за 4 такта, 2-а оборота коленвала;
б) 2-х тактные (без наддува и с наддувом) – рабочий цикл совершается за 1 оборот коленвала.
VII. По способу регулирования нагрузки:
а) двигатели с качественным регулированием – с изменением
нагрузки меняется состав смеси путем изменения количества вводимого топлива (дизельные);
б) двигатели с количественным регулированием – с изменением
нагрузки состав смеси остается постоянным и меняется только ее количество (карбюраторные);
в) двигатели со смещенным регулированием – когда изменяются
количество и качество смеси.
VIII. По конструкции: (большое обилие)
а) поршневые двигатели:
по распроложению цилиндра:
– рядные вертикальные;
– рядные горизонтальные;
– V– образные;
– звездообразные (веерообразные);
– противолежащими цилиндрами – оппозитные;
по расположению поршней:
– однопоршневые (в каждом цилиндре один поршень и одна
рабочая полость);
– с противоположно движущимися поршнями (рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном
цилиндре);
– двойного действия (рабочие полости по обе стороны
поршня);
б) роторно-поршневые двигатели:
– ротор (поршень) совершает планетарное движение в корпусе
(наибольшее применение);
– поршень неподвижен, а корпус совершает планетарное дви-
жение;
– ротор и поршень совершают вращательное движение – биро-
торные двигатели;
с) с вращающимся цилиндром и неподвижной кулачковой шайбой.
В основу конструкции двигателя, работающего по циклу Кристиансена
(циклу К), заложена идея повышения эффективности работы за счет
увеличения степени расширения газов. В двигателе обычным количеством воздуха этого сделать невозможно, не изменяя степень сжатия.
У двигателя цикла «К» коленчатого вала нет, а имеется общий
для всех цилиндров кулачковый шайба (барабан). Профиль кулачка
подобран с таким расчетом, чтобы обеспечить различный ход поршня
при разных тактах (рабочий ход и ход выпуска могут быть в 3 раза
длиннее ходов впуска и сжатия смеси), тем самым используется
большая часть энергии расширяющихся газов.
IX. По способу охлаждения:
а) жидкостное;
б) воздушное.
1.4 Термодинамические процессы.
Теория ДВС базируется на законах теплотехники и термодинами-
ки; теоретической механики и ТММ; сопротивлении материалов и де-
14
талей машин. В связи с этим необходимо рассмотреть основные за-
м
cм
cм
м
м
висимости термодинамических процессов.
Состояние рабочего тела характеризуется следующими парамет-
рами: P, v и T.
где P – давление
H
(1 бар = 10
5
= 10
2
v – удельный объем,
H
= 1,02
2
3
м
; (V – абсолютный объем, м3);
кГ
2
; 1Па =
H
; 1МПа = 10
2
H
6
);
2
кг
T – абсолютная температура, град.
Характеристическое уравнение Клайперона-Менделеева
P v = R T,
3
где R – газовая постоянная (
кг
м
;
град
Дж
кг
град
)
1.4.1 Изохорный процесс
V – сonst – (постоянная). P, T – Var (варьирующие, переменные).
Рассмотрим состояние газа в координатах P-V.
Рисунок 1.1 – Изохорный процесс
Характеристическое уравнение Клайперона-Менделеева P·v =
R·T:
В массовом выражении, для m, кг газа
P·v·m = m·R·T; P·V = m·R·T.
15
В мольном выражении, для µ, кмоль газа [молекулярная масса],
м
кг
кмоль
P·v·µ = µ·R·T; P·Vµ = R·µ·T,
3
где Vµ – объем кмоль газа,
м
;
кмоль
[килограмм-моль, или кмоль – это количество газа (масса которо-
го в кг) численно равная его молекулярной массе]
Rµ – универсальная газовая постоянная – величина постоян-
ная для любого газа,
градкмольДж
Rµ = µ·R = 8315
µ – молекулярная масса газа,
;
градкмольДж
кг
.
кмоль
Тогда для точки «1» – P1V1 = RT1;
для точки «2» – P2V2 = RT
2
т.к. v1 = v2 и рабочее тело постоянно, т.е. R= const, тогда
T
T
1
2
или
,
P
Т
Р
T
2
2
, т.е.
P
T
1
1
P
P
1
2
Рассмотрим, на что расходуется тепло.
Общее количество теплоты
Q = mCv (T2 – T1), кДж.
const
– где Сv – теплоемкость газа,
кДж
.
градкг
Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо для
нагревания на 10 единицы количества газа.
Различают теплоемкости:
кДжж
– мольную – ;
градкмоль
кДж
– массовую – ;
кг
град
кДж
– объемную –
3
град
.
Для расчетов рабочих процессов двигателей обычно пользуются
средними мольными теплоемкостями:
16
– при постоянном объеме С
v
кД
ж
градкмоль
– при постоянном давлении С
Ср – Сv =
8,315
= R,
или µСp – µCv = 8,315
c
p
k
Отношение
– показатель процесса.
c
v
кД
ж
градкг
кД
p
. Ср = Сv + R
ж
.
градкмоль
Для 2-атомного газа (воздух) – к =1,41
Для 3-, многоатомного газа – к = 1,29
Для рассматриваемого процесса на основании I закона термодинамики (I закон термодинамики - теплота сообщаемая рабочему телу
(системе), расходуется на приращение его (ее) внутренней энергии и
на совершение работы):
в абсолютном выражении для G кг газа: Q = ∆U + L,
в относительном выражении, для 1 кг газа: q = ∆u + l
[qv = cv (T2 – T1) + l – количество подведенного тепла расходуется
на увеличение внутренней энергии газа и совершения работы, т.е.
q = ∆u + l ; ∆u = cv (T2 – T1) и l = 0, тогда qv = cv (T2 – T1),
кДж
.
кг
все тепло расходуется только на изменение внутренней энергии.
В абсолютном выражении: Qv = mCv (T2 – T1), кДж.
1.4.2 Изобарный процесс
Для изобарного процесса: P – const, v, T – var
Рисунок 1.2 – Изохорный процесс
17
18
Из характеристики уравнения: P·V=R·T
T
P2 V2 = R T
P1 V1 = R T
v
v
T
2
1
2
т.е. const
T
1
Разделим первое на второе
2
имея в виду P2 = P1
1
v
.
Удельное количество теплоты:
qp = cp (T2 – T1),
кДж
кг
Общее количество теплоты
Q = m cp (T2 – T1), кДж.
Уравнение I закона термодинамики для процесса P=сonst:
q
= ∆u + l = c
p
(T
v
2
[P(v2-v1) = R(T2 – T
– T
)]
1
) + P(v
1
2-v1
),
кДж
кг
qp =( cv + R)( T2 – T1) = cp (T2 – T1).
Общее количество теплоты:
Qp = m[cv(T2 – T1)+ P(v2 –v1)] = mCp (T2 – T1).
1.4.3 Изотермический процесс
Для изотермического процесса:
Т = const, P,v = Var
Рисунок 1.3 – Изотермический процесс
Этот процесс можно осуществить, если имеется достаточно
большой емкости источник теплоты данной температуры. При этом
19
обеспечивается непрерывный подвод теплоты к телу в течение всего
процесса при неизменной (постоянной) температуре.
Из характеристического уравнения - PV = RT имеем:
P
P2V2 = P1V1, PV = const,
P
V
V
1
2
2
1
1 – 2 изотерма расширения (dq>0)
1 – 2/ изотерма сжатия (dq<0)
т.к. Т = const, то ∆U = 0
qТ = l – вся подводимая теплота затрачивается на совершение
работы.
Удельная работа при изотермическом расширении 1-2
v
2
v
)
1
v
2
lg( vP2,303 )
11
v
1
11
P
1
lg( vP2,303 )
P
2
(ln RTl
v
2
lg( RT303.2l
v
1
Полная работа
)
кДж
,
кг
v
2
v
кДж,
1
,
lgv P m2,303
11
где
v
2
ln .
v
1
v
2
lg303,2
v
1
v
2
2,303mRTlg m l L
v
1
1.4.4 Адиабатный процесс
Процесс – без теплообмена рабочего тела с внешней средой.
При адиабатном изменении состояния газа предполагается, что
рабочее тело заключено в теплоизолирующую (адиабатную) оболочку, т.е. отсутствует подвод и отвод тепла.
P1 ,V1 ,T – var, dq=0
20
Рисунок 1.4 – Адиабатный процесс
const
Tv
P
Уравнение адиабатного процесса
k
v
v
1
соотношение между
2
Pvk = const,
P
P
2
1
(P, v).
Из характеристического уравнения P1V
P2V
Pv = RT;
v
T
P
2
приравниваем правые части
P
1
v
T
1
2
v
T
2
1
2
1
T
T
2
1
2
1
T
T
T
T
vRT
12
RTv
12
k
v
1
v
1
v
2
1
1k
P
2
P
1
v
2
1k
,
P
2
P
1
1k
k
,
T
1
2
v
2
1
1k
1
k
T
T
T
k
1k
2
1
1
const
соотношение между (T, v)
1k
v
v
v
1
a,
v
2
соотношение между
= RT
1
= RT
2
1
2
1
2
1
k
P
2
P
1
(TP).
Удельная работа адиабатического процесса
т.к. q = 0 ∆u = - l
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]