Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

77

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Теоретические сведения

1.1 Обратные термодинамические циклы

1.2 Циклы тепловых двигателей и установок

1.3 Коэффициент избытка воздуха, степень сжатия

2. Рабочие процессы в поршневых и комбинированных двигателях

2.1 Классификация двигателей внутреннего сгорания

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

2.3 Двухтактные двигатели

3. Параметры, характеризующие поршневые двигатели

3.1Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

3.2 Коэффициенты полезного действия

3.3 Повышение удельной мощности двигателей

4. Дизельные двигатели

4.1 Особенности и применение

4.2 Смесеобразование в дизелях и типы камер сгорания0

4.3 Топливные системы

4.4 Подвод воздуха и отвод выпускных газов

4.5 Устройство двухтактных и четырехтактных двигателей

5. Расчет горения топлива

5.1 Состав топлива и его характеристики

5.2 Процессы горения топлива

6. Устройство двигателя автомобиля марки ВАЗ-2101

6.1 Основные механизмы и системы двигателя

6.2 Силы и моменты, действующие в двигателе

6.3 Кривошипно-шатунный механизм

6.4 Механизм газораспределения

6.5 Системы смазки и охлаждения

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) -- это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. На данный момент является одним из самых распространенных типов двигателей. В этой работе будет показаны основы строения ДВС, принцип работы на примере ВАЗ-2101.

Актуальность данной темы заключается в том, что двигатели внутреннего сгорания играют важную роль в жизни человечества.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: их используют в авиации, теплоходы, автомобили, тракторы и тепловозы также используют ДВС. Более мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены, например на транспорте.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Обратные термодинамические циклы

Обратный термодинамический цикл - это совокупность процессов, в результате которых рабочее тело (пар, газ) возвращается в первоначальное состояние, и при этом за счет затраты работы осуществляется передача теплоты от тел менее нагретых к более нагретым.

Теплота сама по себе не способна переходить от тел, имеющих низкую температуру, к телам более нагретым, что является отражением второго закона термодинамики. Однако при затратах энергии с помощью различного рода холодильников, кондиционеров и тепловых насосов теплота может отниматься от холодных тел и передаваться телам с более высокой температурой. Таким образом, помимо прямых циклов, которые реализуются в целях превращения тепловой энергии в механической энергии в механическую, существует целый класс круговых процессов, назначением которых может являться, в частности перенос теплоты от тел менее нагретых к телам с более высокой температурой. Формально эти циклы отличаются направлением протекания термодинамических процессов - они осуществляются против хода часовой стрелки, а не по ходу, как прямые циклы. Иными словами, по подобным циклам работают различные потребители энергии.

Обратный термодинамический цикл можно рассмотреть на примере воздушной холодильной установки.

В качестве рабочего тела в холодильной установке может использоваться воздух. В этом случае подвод и отвод теплоты осуществляется - в отличии от цикла Карно - не в изотермных процессах, а в процессах изобарных.

Нагретый в результате теплообмена с охлаждаемыми предметами воздух поступает из холодильной камеры 1 (рис. 1) в компрессор 2. Вследствие последующего быстрого сжатия температура воздуха поднимается выше температуры окружающей среды и вытесняемый в теплообменник 3 воздух при постоянном давлении отдает теплоту этой среде или охлаждающей жидкости. При этом температура воздуха понижается, оставаясь, однако в процессе теплообмена всегда выше температуры среды или жидкости. Пройдя через трубки теплообменника, воздух через клапаны попадает в расширительный цилиндр 4 (детендер). Здесь он расширяется, совершая «положительную» работу. Поскольку процесс расширения протекает относительно быстро, температура рабочего тела понижается и охлажденный подобным образом воздух в конце расширения через клапана попадает в холодильную камеру 1. Здесь при постоянном давлении он отбирает теплоту у охлаждаемых предметов, после чего вновь поступает в компрессор.

Холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки определяется как:

Где T1 - исходная температура рабочего тела, T2, T3, T4 - температуры компрессора, теплообменника и расширительного цилиндра.

Таким образом, холодильный коэффициент воздушной установки оk определяется по той же формуле, как и для обратного цикла Карно. Однако эффективность этих двух циклов оказывается различной. Различие в эффективности цикла воздушной холодильной установки и обратного цикла Карно весьма существенно, и отношение о/оk, в реальном диапазоне температур, как правило, не превосходит 0,3.

Помимо невысокой эффективности существенным недостатком воздушных холодильных установок являются и их большие габариты. Это предопредило поиск решений, позволяющих при увеличении эффективности уменьшить ее размеры. Достичь этого возможно в приближении к обратному циклу Карно, то есть в случае подвода и отвода теплоты в цикле по изотермам.

1.2 Циклы тепловых двигателей и установок

Круговой цикл (процесс) - это такой процесс, при котором газ (т.е. рабочее тело) после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

Круговые процессы осуществляются в тепловых двигателях как процессы, периодически повторяющиеся. В системе p-v координат круговые процессы всегда замкнуты.

Рассмотрим изменение состояния газа в непрерывно работающем тепловом двигателе. Допустим, что газ с начальными параметрами, характеризующимися точкой 1 (рис. 2), вводится в соприкосновение с источником тепла, в результате чего газ расширяется до конечного состояния, характеризуемого точкой 2.

В процессе расширения газ совершает работу, измеряемую площадью 1-1?-2-3-4-1. Если газ сжимать при той же температуре, при которой он расширялся, то работа, затрачиваемая на сжатие, будет равна работе, получаемой при расширении, и в результате такого процесса работа будет равна нулю.

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 2 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.

1.3 Коэффициент избытка воздуха, степень сжатия

В зависимости от организации рабочего процесса двигателя соотношение между количествами воздуха и топлива может изменяться. При теоретических расчетах получают необходимое для горения количество воздуха, но на практике подводят большее количество. Отношение действительного количества воздуха (), подводимого в процессе горения, к теоретически необходимому (), называется коэффициентом избытка воздуха

.

Он характеризует качество горючей смеси. При увеличении б смесь делается более бедной. Полным сгоранием топлива называется такое сгорание, при котором все горючие части топлива превращаются в конечные продукты окисления.

Число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания называют степенью сжатия. Степень сжатия можно найти через отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и обозначают:

,

где - полный объем цилиндра, - объем камеры сгорания, - рабочий объем.

2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРШНЕВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

2.1 Классификация двигателей внутреннего сгорания

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 газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.

В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.

В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.

Наиболее экономичными являются ДВС поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам:

1. по способу смесеобразования:

а) двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра. Примером таких двигателей служат газовые и карбюраторные.

б) двигатели с внутренним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра. Например, двигатели на дизеле и двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндр.

2. по виду применяемого топлива:

а) двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, лигроине и керосине);

б) двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (соляровом масле и дизельном топливе);

в) двигатели, работающие на газовом топливе (сжатом и сжиженном газах).

3. по способу воспламенения горючей смеси:

а) двигатели с воспламенением горючей смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и с впрыском легкого топлива);

б) двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели).

4. по способу осуществления рабочего цикла:

а) четырехтактные. У этих двигателей рабочий цикл совершается за 4 хода поршня или за 2 оборота коленчатого вала;

б) двухтактные. У этих двигателей рабочий цикл в каждом цилиндре совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

5. по числу и расположению цилиндров:

а) двигатели одно- и многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т.д.)

б) двигатели однорядные (вертикальные и горизонтальные);

в) двигатели двухрядные (V-образные и с противолежащими цилиндрами).

6. по способу охлаждения:

а) двигатели с жидкостным охлаждением;

б) двигатели с воздушным охлаждением.

7. по назначению:

а) двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, строительных машинах и других транспортных машинах;

б) двигатели стационарные;

в) двигатели специального назначения.

2.2 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. Выбор газа в качестве топлива для ДВС определяется его способностью к воспламенению и скоростью распространения пламени в газо-воздешной смеси.

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 числом -- 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 н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.

Бензин как топливо должен обладать хорошей испаряемостью, стойкостью против детонации, высокой стабильностью (т. е. способностью сохранять первоначальные свойства при длительном хранении), не содержать соединений, вызывающих коррозию металла, и не содержать смолистых отложений, а также воды и механических примесей.

Об испаряемости бензина судят по его фракционному составу.

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.

Температура начала кипения бензина должна быть не ниже 30 °С, для того, чтобы в жаркое время года не образовывались "паровые" пробки в топливопроводах и фильтрах.

Стойкость бензина против детонации оценивается октановым числом, которое присутствует в каждой марке бензина. Так, например, в марке бензина АИ-92 буква А означает, что бензин предназначен для автомобилей, буква И -- что октановое число данного бензина определяют по исследовательскому методу, а цифра 92 -- октановое число. В марке А-76, где нет буквы И -- октановое число 76 определено по моторному методу.

На слух детонация проявляется в звонких металлических стуках при работе двигателя. Кроме того, при детонации в отработавших газах периодически появляется черный дым, двигатель перегревается и его мощность падает.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность бензина к детонации, поэтому для повышения октанового числа к бензинам добавляют антидетонатор -- этиловую жидкость. Бензин, в который добавлена этиловая жидкость, называют этилированным. Этиловая жидкость ядовита, поэтому этилированные бензины тоже ядовиты и применение их требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Присутствие в бензине кислот и сернистых соединений вызывает коррозию металлов, поэтому содержание их строго ограничивается.

Вода и механические примеси в бензине не допускаются. Вода способствует коррозии топливных баков и тары, а также ускоряет осмоление бензина.

В соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей автомобилей применяют марки бензинов:

Дизельные топлива. Это топливо применяется для дизелей.

Основными свойствами дизельного топлива являются температура самовоспламенения, температура застывания и вязкость.

Цетановое число -- характеристика воспламеняемости дизельных топлив, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Температурой самовоспламенения называется температура, до которой необходимо нагреть смесь дизельного топлива с воздухом, чтобы начался процесс ее горения. Эта температура равна примерно 300--350 °С. Самовоспламеняемость дизельного топлива определяют по цетановому числу. Чтобы определить цетановое число, дизельное топливо сравнивают с эталонными топливами, цетановое число которых заранее известно. Цетановое число находится в пределах 40--45 единиц.

Температура застывания дизельного топлива оказывает влияние на работу дизеля: чем она ниже, тем надежнее работает дизель, так как при застывании топливо превращается в желеобразную массу и подача его из топливных баков в цилиндры двигателя становится невозможной. Температура застывания дизельного топлива должна быть на 10--15°С ниже температуры окружающего воздуха в районе его эксплуатации.

Выпускают следующие марки дизельного топлива: Л -- летнее, 3 -- зимнее, А -- арктическое.

Газовое топливо, используемое в газобаллонных автомобилях, может быть как естественного, так и искусственного происхождения и применяться в сжатом или сжиженном виде. К сжатым газам относят природный газ (метан) и промышленные газы. Сжиженными называют такие газы, которые переходят из газообразного в жидкое состояние при нормальной температуре и давлении до 1,6 МПа. К ним относят углеводороды, получаемые при переработке нефти.

Газ как топливо имеет ряд преимуществ: обеспечивает лучшее смесеобразование, позволяет использовать бедные горючие смеси. К недостаткам газового топлива относят меньшую теплоту сгорания горючей смеси. В результате этого мощность двигателя уменьшается на 7...20%.

К физико-химическим характеристикам топлива относят:

Страницы: 1, 2, 3, 4