Презентация на тему "Поршневые ДВС 2020"

Учреждение «Павлодарский нефтегазовый колледж» ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Основы термодинамики и теплотехники

Лобко Ирина Николаевна

2020 год

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

• Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу.
• Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми . Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива.
• Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего сгорания.

Классификация ДВС

• По способу смесеобразования - двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров
• (карбюраторные и газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием
• (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) -дизели;

Классификация ДВС

По способу осуществления рабочего цикла:

• четырехтактные,
• двухтактные.

Классификация ДВС

По числу цилиндров –

• одноцилиндровые,
• двухцилиндровые,
• многоцилиндровые.

Классификация ДВС

• По расположению цилиндров:
• двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд,
• V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным);

Классификация ДВС

По способу охлаждения:

• с жидкостным охлаждением,
• воздушным охлаждением;

Классификация ДВС

По виду применяемого топлива:

• бензиновые,
• дизельные,
• газовые,
• Многотопливные.

Классификация ДВС

• По степени сжатия:
• высокого (E=12...18) сжатия,
• низкого (E=4...9) сжатия.

Классификация ДВС

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:

• двигатели без наддува , у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня;
• двигатели с наддувом , у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя;

Классификация ДВС

По частоте вращения :

• тихоходные,
• повышенной частоты вращения,
• быстроходные;

Классификация ДВС

По назначению:

• стационарные,
• автотракторные,
• судовые,
• тепловозные,
• авиационные и др.

Устройство поршневых ДВС

Основными частями поршневых ДВС являются

• кривошипно-шатунный механизм,
• газораспределительный механизм,
• система питания,
• система охлаждения,
• система зажигания,
• смазочная система.

Кривошипно-шатунный механизм

• преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Механизм газораспределения

• обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

Система питания

• предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.

Смазочная система

• служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

Система охлаждения

• поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.

Система зажигания

• предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.

• Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания ; ее объем обозначается через Vс;
• пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh.
• Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh.
• Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh= π Д 2 *S/4, где Д - диаметр цилиндра.
• Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя , его определяют по формуле: Vр=( π Д 2 *S/4)/4*i, где i- число цилиндров.
• Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия : E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1.

Принцип работы

•   основан на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к . давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу .

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

• состоит из пяти процессов:
• впуск,
• сжатие,
• сгорание,
• расширение
• выпуск, которые совершаются за четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

Процесс впуска

• Впуск горючей смеси осуществляется после выпуска из цилиндров отработавших газов от предыдущего цикла. Впускной клапан открывается с некоторым опережением до ВМТ, чтобы получить к моменту прихода поршня к ВМТ большее проходное сечение у клапана. Впуск горючей смеси осуществляется за два периода. В первый период смесь поступает при перемещении поршня от ВМТ к НМТ вследствие разряжения, создающегося в цилиндре. Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ в течение некотороговремени, соответствующего 40 - 70 поворота коленчатого вала за счет разности давлений, и скоростного напора смеси . Впуск горючей смеси заканчивается закрытием впускного клапана. Горючая смесь, поступившая в цилиндр, смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла и образует горючую смесь. Давление смеси в цилиндре в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура смеси в конце процесса впуска повышается до 340 - 350 К вследствие соприкосновения ее с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами, имеющими температуру 900 - 1000 К.

Процесс сжатия

• Сжатие рабочей смеси, находящейся в цилиндре двигателя, происходит при закрытых клапанах и перемещении поршня. Процесс сжатия протекает при наличии теплообмена между рабочей смесью и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале сжатия температура рабочей смеси ниже температуры стенок, поэтому теплота передается смеси от стенок. По мере дальнейшего сжатия температура смеси повышается и становится выше температуры стенок, поэтому теплота от смеси передается стенкам. Таким образом процесс сжатия осуществляется по политропе, средний показатель которой n=1.33...1.38. Процесс сжатия заканчивается в момент воспламенения рабочей смеси. Давление рабочей смеси в цилиндре в конце сжатия 0.8 - 1.5МПа, а температура 600 - 750К.

Процесс сгорания

• Сгорание рабочей смеси начинается раньше прихода поршня к ВМТ, т.е. когда сжатая смесь воспламеняется от электрической искры. После воспламенения фронт пламени горящей свечи от свечи распространяется по всему объему камеры сгорания со скоростью 40 - 50 м/с. Несмотря на такую высокую скорость сгорания, смесь успевает сгореть за время, пока коленчатый вал повернется на 30 - 35 .При сгорании рабочей смеси выделяется большое количество теплоты на участке, соответствующим 10 - 15 до ВМТ и 15 - 20 после НМТ, вследствие чего давление и температура образующихся в цилиндре газов быстро возрастают. В конце сгорания давление газов достигает 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К.

Процесс расширения

• Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре двигателя, происходит после окончания процесса сгорания при перемещении поршня к НМТ. Газы, расширяясь, совершают полезную работу. Процесс теплового расширения протекает при интенсивном теплообмене между газами и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале расширения происходит догорание рабочей смеси, вследствие чего образующиеся газы получают теплоту. Газы в течение всего процесса теплового расширения отдают теплоту стенкам. Температура газов в процессе расширения уменьшается, следовательно, изменяется перепад температуры между газами и стенками. Процесс теплового расширения, заканчивающийся в момент открытия выпускного клапана,. Процесс теплового расширения происходит по политропе, средний показатель которой n2=1.23...1.31. Давление газов в цилиндре в конце расширения 0.35 -0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.

Процесс выпуска

• Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в НМТ. Выпуск газов из цилиндра осуществляется за два периода. В первый период выпуск газов происходит при перемещении поршня до НМТ за счет того, что давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного .В этот период из цилиндра удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня от НМТ до закрытие выпускного клапана за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов. Выпуск отработавших газов заканчивается в момент закрытия выпускного клапана, т. е. через 10 – 20 после прихода поршня в ВМТ. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К .

ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ

• Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность;
• Эффективная мощность и средние эффективные давления;
• Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива;
• Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива;
• Тепловой баланс двигателя.

Среднее индикаторное давление

• Pi - отношение индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра Vh, т.е. Pi=Li/Vh.

Индикаторная мощность

• Индикаторной мощностью Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени.
• Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi*Vh.
• Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*10 -3 ,
• где n - частота вращения коленчатого вала, 1/с,
• T - тактность двигателя - число
• тактов за цикл (T=4 – для четырехтактных двигателей и T=2 – для двухтактных).
• Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров i

Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*i*10 -3 .

Эффективная мощность

• Ne - мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы.
• Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.
• Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД η m , которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е. η m =Ne/Ni=(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni.
• Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 - 0.9.
• Зная величину механического КПД можно определить эффективную мощность Ne= η m *Ni.
• Аналогично индикаторной мощности определяют мощность механических потерь
• Nm=2/T*Pm*Vh* η m *10 -3 ,
• где Pm - среднее давление механических потерь.

Среднее эффективное давление

• Разность между средним индикаторным давлением Pi и средним давлением механических потерь Pm называют средним эффективным давлением Pe, т.е. Pe=Pi-Pm.
• Эффективная мощность двигателя Ne=(2/T)*Pe*Vh* η i *10 -3 , откуда среднее эффективное давление
• Pe=10 3 *Ne*T/(2Vh* η i ).

Тепловой баланс двигателя

• Уравнение теплового баланса имеет вид

Q=Qe+Qг+Qн.с+Qост, где

• Q - теплота топлива, введенная в двигатель;
• Qe - теплота, превращенная в полезную работу;
• Qохл - теплота, потерянная охлаждающим агентом (водой или воздухом);
• Qг - теплота, потерянная с отработавшими газами;
• Qн.с - теплота, потерянная вследствие неполного сгорания топлива,
• Qост - остаточный член баланса, который равен сумме всех неучтенных потерь.