Цикл дизеля

Цикл Дизеля это:

Смотреть что такое «Цикл Дизеля» в других словарях:

цикл Дизеля — Dyzelio ciklas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. constant pressure cycle; Diesel cycle vok. Diesel Kreisprozeß, m rus. цикл Дизеля, m pranc. cycle de Diesel, m … Fizikos terminų žodynas

ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ — (Oil engine cycle) круговой процесс, по которому работают двигатели, представляющий собой замкнутую последовательность явлений, происходящих внутри рабочего цилиндра, периодически повторяющихся. Цикл Дизеля, по которому работают дизели, заключает … Морской словарь

Цикл двигателя — совокупность последовательных процессов, периодически происходящих в двигателе внутреннего или внешнего сгорания и обусловливающих его работу. Различают термодинамический и действительный Ц. д. В отличие от цикла термодинамического (См.… … Большая советская энциклопедия

Цикл термодинамический — Термодинамические циклы Статья является частью серии «Термодинамика». Цикл Аткинсона Цикл Брайтона/Джоуля Цикл Гирна Цикл Дизеля Цикл Калины Цикл Карно Цикл Ленуара … Википедия

Цикл Дизеля применяется в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива от сжатия. В идеальном цикле Дизеля (как и в цикле Отто) не рассматриваются вспомогательные процессы всасывания и выхлопа.

Для исследования цикла Дизеля необходимо задать: род рабочего тела (k. R ), его параметры Цикл дизеляв исходной точке цикла1. степень сжатия в адиабатном процессе Цикл дизеляи степень расширенияЦикл дизеля в изобарном процессе подвода теплоты qЦикл дизеля .

Найдём температуру рабочего тела в характерных точках цикла 2. 3 и 4 .

В адиабатном процессе 1-2 Цикл дизеля. откуда Цикл дизеля.

В изобарном процессе 2-3Цикл дизеля, тогдаЦикл дизеля.

В адиабатном процессе 3-4 Цикл дизеля. откуда Цикл дизеля

В изобарном процессе 2-3 к рабочему телу подводится теплота

Цикл дизеля

В изохорном процессе 4-1 от рабочего тела отводится теплота

Цикл дизеля

Тогда работа цикла Дизеля и его термический КПД равны:

Цикл дизеля, Цикл дизеля.

Видно, что термический КПД цикла Дизеля зависит от степени сжатия  и степени расширения Цикл дизеляв процессе подвода теплоты. При постоянном значенииЦикл дизеляувеличение ведёт к росту Цикл дизеля. ВозрастаниеЦикл дизеляприводит к увеличению работы цикла, но уменьшает значение термического КПД цикла.

Цикл Дизеля нашел широкое применение в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива. В таких двигателях в процессе 1-2 сжимается не топливовоздушная смесь, а чистый воздух, причём с большим значением степени сжатия (= 16…25). В результате температура воздуха в конце сжатия поднимается до 550…750 ˚С. В процессе расширения 2-3 в цилиндр впрыскивается топливо, которое при такой температуре самовоспламеняется и сгорает. Впрыск топлива дозируется так, чтобы, несмотря на увеличение объёма, давление в цилиндре оставалось практически постоянным.

Из сравнения формул термических КПД циклов Отто и Дизеля следует, что при одинаковых степенях сжатия  цикл Отто будет иметь более высокий КПД, чем цикл Дизеля. Действительно, при любых значениях k и Цикл дизелябудет выполняться соотношениеЦикл дизеля, вследствие чегоЦикл дизеля>Цикл дизеля.

Литература

Кобельков В.Н. Улас В.Д. Федоров Р.М. Термодинамика и теплопередача. Под ред. Р.М.Федорова. – М. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2012 г. 328 с.

Мелик-Пашаев Н.И. Кобельков В.Н. Воротников Б.А. Березин Г.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1983 г. 267 с.

Мухачев Г.А. Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М. Высшая школа, 1991, 480 с.

Михеев М.А. Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М. Энергия, 1973. 396 с.

Содержание

Лекция 1. Термодинамическая система и ее состояние ………………………. 3

1.1. Основные понятия и определения …………………………………………. 3

1.2. Параметры состояния системы и уравнение состояния …………………… 3

1.3. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………… 4

1.3.1. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………. 5

1.3.2. Уравнения состояния реальных газов ……………………………………. 6

Цикл Дизеля

В двигателях, работающих по циклу Дизеля, в цилиндр со сжатым воздухом через специальную форсунку впрыскивается топливо (мазут, соляровое масло, дизтопливо, керосин), т.е. смесеобразование происходит в отличие от цикла Отто не вне, а внутри цилиндра. В среде сжатого воздуха (давление 3…5 МПа и температура до 1000 К) топливо самовоспламеняется и медленно сгорает практически при постоянном давлении. Распыление топлива производят сжатым (5…6 МПа) воздухом. Сжатие воздуха создаётся специальным компрессором высокого давления.

Идеализированные замкнутые циклы осуществленные с чистым воздухом представлены в p-V и T-S диаграммах (рис.8.2)

В точке 1 происходит процесс засасывания чистого атмосферного воздуха. Кривая 1-2 показывает процесс адиабатного сжатия этого воздуха до давления p2. Обычно, степень сжатия достигает в цикле Дизеля значений

В точке 2 начинается впрыск топлива в цилиндр, которое самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивает расширение газа от V2 до V3 (при p=const).

В точке 3 процесс впрыска топлива и его сгорания оканчивается и начинается адиабатное расширение рабочего тела (процесс трансформации теплоты в работу).

В точке 4 открывается выхлопной клапан цилиндра, и давление в цилиндре понижается до атмосферного – идёт процесс изохорного теплообмена 4-1, газ высокого давления и температуры выталкивается в атмосферу. Как видно из диаграммы, идеализированный цикл Дизеля состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4), изобары 2-3, по которой осуществляется подвод тепла q1 и изохоры 4-1, по которой осуществляется отвод тепла q2 к холодному источнику.

Цикл дизеля

Рис. 8.2. Изображение идеального цикла двигателя с подводом тепла при постоянном давлении а) в рабочей диаграмме б) тепловой диаграмме

Вычислим термический кпд этого цикла. Для этого введём дополнительные обозначения – степень предварительного расширения и степень последующего расширения d.

Из общего выражения для термического кпд любого цикла

С учётом того, что в изобарном процессе 2-3

И в изохорном процессе 4-1

Аналогично методике анализа цикла Отто выразим каждую последующую температуру через предыдущую.

Для адиабатного процесса 1-2

Для изобарного процесса 2-3

Для адиабатного процесса (3-4)

Подставляя полученные значения температур в уравнение термического кпд получим

Анализ соотношения (8.8) показывает, что термический кпд цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия (как и в цикле Отто) и чем выше величина (степени предварительного расширения).

Для сравнения циклов Отто и Дизеля необходимо принимать в обоих циклах либо одинаковую величину степени сжатия , либо наивысшую температуру рабочего тела в цикле (T3 ). При этом исходные параметры рабочего тела в начальной точке цикла (p1. V1. T1 ) должны быть одинаковыми в обоих циклах.

Для случая, когда в циклах одинаковые степени сжатия из выражений (8.5) и (8.8) видно что термический кпд цикла Отто выше термического кпд Дизеля. Однако главным преимуществом цикла Дизеля является возможность работать при более высоких степенях сжатия (по сравнению с циклом Отто). Поэтому более правомерно сравнение при условии одинаковой наивысшей температуры цикла (T3 ).

Цикл дизеля

Рис. 8.3. Сравнение циклов Отто и дизеля

На рис. 8.3 в диаграмме T-S совмещены циклы Отто и Дизеля при одинаковых начальных (p1. V1. T1 ) параметрах и одинаковой максимальной температуры. Так как изохора идёт круче изобары, очевидно, что тепла, трансформируемого в работу в цикле Дизеля больше и следовательно, термический кпд цикла Дизеля выше.

При сравнении обоих циклов при равной работе и максимальном давлении видно, что тепла q2 в цикле Отто больше и, следовательно, h цикла Отто ниже.

Кроме того, двигатель Дизеля может работать на менее качественном и потому более дешевом топливе.

Известным недостатком двигателя Дизеля (по сравнению с циклом Отто) является необходимость затрат работы на привод устройства для распыления топлива.

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

1.3. Двс с воспламенением от сжатия. Цикл Дизеля

Схема одноцилиндрового ДВС с воспламенением от сжатия приведена на рис. 4. Такой ДВС включает в себя: цилиндр 1 ; подвижный поршень 2 ; механизм, который преобразует возвратно-поступательные движения поршня во вращательное 3 ; впускной клапан 4 ; выпускной клапан 5 ; форсунку для подачи жидкого топлива 6 .

За один цикл поршень совершает четыре такта.

На рис. 4 под схемой ДВС также схематично изображена индикаторная диаграмма а-1-2-3-4-5-в-а одного цикла (как экспериментально определяется индикаторной диаграммы ДВС описано в предыдущем разделе 1.2).

Рис. 4. Схема ДВС с воспламенением от сжатия и его индикаторная диаграмма

С помощью индикаторной диаграммы работу ДВС в установившемся режиме можно описать следующим образом.

Процесс а-1. Поршень движется из крайнего левого положения вправо. В цилиндре под поршнем создаётся небольшое разряжение. Впускной клапан открывается. В цилиндр начинает поступать чистый атмосферный воздух. Когда поршень достигает точки 1 (крайнее правое положение) впускной клапан закрывается.

Процесс 1-2. После точки 1 поршень начинает двигаться влево. Воздух под поршнем сжимается. Его давление и температура возрастают: давление до 30…40 бар, температура до 600…800 о С. Заканчивается процесс в точке 2 – в крайнем левом положении поршня.

Процесс 2-3. От точки 2 поршень начинает двигаться вправо. Одновременно с этим через специальную форсунку в виде мелких капель впрыскивается жидкое топливо (соляровое масло, газойль и др.). За счёт высокой температуры сжатого воздуха топливо самовоспламеняется. В ходе горения выделяется химическая энергия топлива. От этого температура газовой смеси под поршнем возрастает, однако существенного роста давления при этом не происходит. Последнее объясняется тем, что капли распыленного топлива сгорают на много медленнее, чем пары бензина, перемешанные на молекулярном уровне с воздухом.

За время сгорания капель жидкого топлива поршень успевает заметно переместиться. То есть за время горения существенно увеличивается объём газовой смеси под поршнем, что компенсирует возможный (из-за роста температуры) рост давления. Давление во время горения остаётся примерно постоянным. При таком увеличении объёма рабочего тела в процессе 2-3 совершается механическая работа, которая передаётся в окружающую среду. В точке 3 процесс горения завершается. Участок 2-3 индикаторной диаграммы носит горизонтальный характер.

Процесс 3-4. Поршень продолжает двигаться вправо. Рабочее тело под поршнем продолжает расширяться и совершать механическую работу, которая передаётся окружающей среде. Его давление и температура при этом снижается. Процесс заканчивается в точке 4 – крайнем правом положении поршня.

Процесс 4-5. В точке 4 выпускной клапан открывается. Благодаря этому значительная часть газовой смеси, находящейся под поршнем, быстро выходит из цилиндра в окружающую среду. При этом давление под поршнем резко снижается, а сам поршень не успевает заметно переместиться. На индикаторной диаграмме это отражается в том, что снижение давления в процессе 4-5 носит вертикальный характер.

Процесс 5-в. После точки 5 поршень опять движется влево. Благодаря этому давление в цилиндре остается несколько больше атмосферного и газы из цилиндра выталкиваются в окружающую среду через выпускной клапан. В точке в процесс выталкивания отработанных газов заканчивается.

Процессв-а. На индикаторной диаграмме линия в-а отражает небольшой скачок давления в цилиндре в крайнем левом положении поршня, в момент изменения направления его движения. В точке в закрывается выпускной клапан. В точке а открывается впускной клапан. Когда поршень находится в этой точке цилиндра, создается небольшое разряжение. Таким образом, точка в находится чуть выше атмосферного давления, а точка а – чуть ниже.

Чтобы иметь возможность применить для анализа эффективности ДВС метод круговых процессов индикаторную диаграмму требуется преобразовать и упростить с помощью ряда допущений.

Преобразование диаграммы заключается в следующем. Вначале представим, что вместо координаты положения поршня x по оси абсцисс будем откладывать величину, равную произведению x на площадь сечения поршня. Очевидно, что в такой системе координат вид индикаторной диаграммы не изменится. Это произведение равно объему газовой смеси в цилиндре под поршнем V. м 3 .

Далее представим, что вместо V по оси абсцисс будем откладывать величину, равную отношению V к массе одного топливного заряда (в установившемся режиме работы ДВС эта масса имеет постоянное значение, равное сумме масс воздуха и паров бензина при полном заполнение цилиндра горючей смесью). Это отношение по определению равно удельному объёму υ. м 3 /кг, всей горючей смеси, находящейся в цилиндре под поршнем в процессах 1-2, 2-3 и 3-4.

Очевидно, что в такой системе координат (по оси ординат – давление, по оси абсцисс – удельный объём) процессы на индикаторной диаграмме 1-2, 2-3 и 3-4 сохраняют свой вид.

Окончательно констатируем, что индикаторную диаграмму можно преобразовать таким образом, что вместо координаты x по оси абсцисс будем откладывать удельный объем υ газовой смеси, находящейся под поршнем. При этом вид процессов 1-2, 2-3 и 3-4 не изменится.

Далее упростим вид индикаторной диаграммы с помощью следующих шести основных допущений.

Будем считать, что химический состав газовой смеси в цилиндре под поршнем (состав рабочего тела) остается неизменным в течении всего цикла. При этом выделение химической энергии внутри цилиндра во время сгорания топлива заменяется подводом теплоты к рабочему телу из окружающей среды от некоторого фиктивного источника. (Например, химический состав можно принять таким, каким он будет после полного сгорания топлива).

В силу горизонтального характера на рис. 4 процесса 2-3 будем приближенно считать процесс подвода теплоты к рабочему телу изобарным – происходящим при неизменном значении давления рабочего тела в цилиндре.

В термодинамических циклах, как известно, все процессы протекают с постоянным количеством рабочего тела. Соответственно, для применения теории круговых процессов будем считать, что удаление отработавших газов из цилиндра не происходит. Имеющее место в реальности удаление газов заменяем на отвод от рабочего тела в окружающую среду эквивалентного количества теплоты.

Процесс отвода теплоты от рабочего тела будем считать изохорным в силу вертикального характера линии 4-5 на рис. 4.

Процессы сжатия рабочего тела 1-2 и расширения 3-4 будем приближенно считать адиабатными из-за их быстротечности. (За короткое время процессов значительного теплообмена между рабочим телом и окружающей средой не происходит).

Рабочее тело будем считать идеальным газом и для наглядности примем, что его теплоемкость не зависит от температуры.

Сказанное выше позволяет на рис. 5 в рυ -координатах схематично изобразить термодинамическую модель реальной (полученной экспериментально) индикаторной диаграммы (рис. 4). Такую модель можно считать термодинамической моделью, описывающей работу реального двигателя. Модель индикаторной диаграммы представляет собой круговой процесс, состоящий из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры. Такой круговой процесс называется циклом Дизеля .

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:

  1. 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.
  2. 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).

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.

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.

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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *