Двигатели внутреннего сгорания

С внутренним подводом теплоты
Паровые
Стирлинга
Эриксона
С внешним подводом теплоты
Поршневые
Газотурбинные
Реактивные
Ракетные
Типы тепловых двигателей:

Термин «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС) говорит о том, что процесс сгорания топлива происходит внутри цилиндра двигателя. Этот процесс подвода тепла посредством сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя позволяет поднять верхнюю температуру цикла. Тем самым, при большем температурном перепаде, как следует из анализа прямого цикла Карно, увеличивается термический КПД цикла.

Идеальные циклы ДВС
Рабочим телом в ДВС являются смесь воздуха с топливом и продукты сгорания топлива.
Преобразование тепловой энергии в механическую энергию в ДВС осуществляется посредством передачи работы расширения продуктов сгорания через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя.
Они классифицируются по следующим признакам:
1) по способу осуществления рабочего цикла:
• 4-хтактные (последовательность явлений происходит в 4 хода поршня или 2 оборота вала);
• 2-хтактные (двигатели, у которых отсутствуют такты всасывания и выхлопа и рабочий процесс совершается за два хода поршня или одного оборота вала);
2) по способу воспламенения рабочей смеси:
• с воспламенением топлива от сжатия рабочего тела (дизели без компрессорные и компрессорные);
• с воспламенением топлива от искры (карбюраторные, газовые);
3) по роду топлива:
• ДВС, работающие на газообразном топливе;
• ДВС, работающие на жидком топливе;
4) по назначению:
• стационарные;
• передвижные;
• автотракторные;
• авиационные;
• судовые;
• для ж/д транспорта и т. д.;
5) по конструктивному исполнению:
• с вертикальным расположением цилиндров;
• с горизонтальным расположением цилиндров;
• с расположением цилиндров под углом.

Основные допущения, принимаемые при рассмотрении термодинамических циклов ДВС
1. Рабочее тело обладает свойствами идеального газа.
2. Сжатие и расширение рабочего тела протекают без теплообмена между рабочим телом и окружающей средой.
3. Химический состав рабочего тела остается неизменным в течение всего цикла. Этим допущением исключается из рассмотрения процесс сгорания, который условно заменяется процессом подвода теплоты к рабочему телу от «источника теплоты».
4. Цикл протекает с неизменным количеством рабочего тела. Этим допущением исключаются из рассмотрения процессы впуска и выпуска, причем последний условно заменяется процессом отвода теплоты от рабочего тела к «приемнику теплоты».
5. Отсутствуют гидравлические и механические потери в узлах и механизмах двигателя.

Основные циклы ДВС:
со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении (комбинированный цикл, цикл Тринклера-Сабатэ) – отражает процесс дизеля без компрессора, который наиболее близок к реальным условиям сгорания топлива;
с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) – отражает процесс тихоходного дизеля;
с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) – отражает процесс двигателя быстрого сгорания (карбюраторного и газового).
Теоретические циклы, давая максимально возможное превращение теплоты в работу при приведенных выше условиях, схематизируют действительные явления и позволяют изучать эти явления, отмечая главные факторы, которые влияют на экономику этих явлений.

Бескомпрессорные дизели
Цикл со смешанным (комбинированным) подводом теплоты
Густав Васильевич
Тринклер
(1876-1857 гг.)
Яков Васильевич
Мамин
(1873-1955 гг.)

В этом виде цикла в процессе 1-2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела, после чего подводится теплота сначала при v =const (линия 2-3), а затем при р = const (линия 3-4). Далее происходит адиабатное расширение (линия 4-5) и, наконец, отвод теплоты при v =const (линия 5-1).
Процессы всасывания (линия 0-1) и выхлопа (линия 1-0) в термодинамике не рассматриваются, так как это механические процессы.

Характеристики цикла:
Степень сжатия Степень повышения давления Степень предварительного
при сгорании топлива расширения при р = const

Термический КПД цикла

Компрессорные дизели
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении
В таких двигателях топливо распыляется сжатым воздухом.
Если сжимать один воздух, а топливо вводить в цилиндр после сжатия, то степень сжатия может быть значительно большей. Такая схема применяется в дизель-моторах, и была предложена инженером Дизелем в 1897 г.

В цикле с подводом тепла при р = const первоначальное состояние рабочего тела в pv-координатах характеризуется точкой 1.
В течение первого хода справа налево совершается сжатие воздуха, которое происходит без теплообмена с внешней средой (линия 1-2). На участке 2-3 к рабочему телу подводится тепло q1 таким образом, что давление при этом остается постоянным (так как увеличивается объем), что приближенно соответствует реальным условиям сгорания трудно сгораемого топлива.
Дальнейшее расширение рабочего тела (линия 3-4) происходит без теплообмена с внешней средой (по адиабате). Для приведения рабочего тела в первоначальное состояние 1, от него отводится тепло q2 при v =const(линия 4-1). Теоретический цикл – (1-2-3-4).Процессами 0-1(процесс всасывания) и 1- 0 (процесс выхлопа)– пренебрегают, считая, что в цилиндре находится
постоянное количество газа (механические процессы).

Характеристики цикла:
Степень сжатия Степень повышения давления Степень предварительного
при сгорании топлива расширения при р = const

Термический КПД цикла

Двигатели с искровым зажиганием
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме
К ДАННОМУ ТИПУ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТНОСЯТСЯ ДВИГАТЕЛИ С ВНЕШНИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ
Николаус Август Отто (1832-1891 гг.)

Цикл с подводом тепла при v = const начинается от состояния рабочего тела в pv и Ts-координатах (рисунок 3), характеризующего точкой 1, сжатием рабочего тела, которое происходит при движении поршня справа налево (сверху вниз) до точки 2 этот процесс происходит без теплообмена с внешней средой, то есть по адиабате. Затем осуществляется подвод теплоты при постоянном объеме – по изохоре 2-3, что приближенно соответствует условию подвода тепла при сгорании горючей смеси в реальных двигателях, использующих легкоиспаряющееся топливо.
От состояния, характеризуемое точкой 3, начинется процесс расширения рабочего тела при отсутствии теплообмена с окружающей средой, то есть по адиабате 3-4. Поршень при этом придет в первоначальное положение. Для того, чтобы рабочее тело пришло в первоначальное состояние, от него отводится теплота (процесс 4-1).
Процессы всасывания и выхлопа в термодинамическое не рассматриваются.

Характеристики цикла:
Степень сжатия Степень повышения давления Степень предварительного
при сгорании топлива расширения при р = const

Термический КПД цикла

Сравнительная оценка энергетических характеристик циклов ДВС

1 - объем камеры
сгорания;
2 - рабочий объем
цилиндра;
3 - полный объем
цилиндра;
S - ход поршня;
D – диаметр
цилиндра
Мертвая точка поршня – положение поршня в момент, когда изменяется направление его движения (скорость поршня равна нулю);
Верхняя мертвая точка (ВМТ) – максимальное удаление поршня от оси вращения коленчатого вала.
Нижняя мертвая точка (НМТ) – минимальное удаление поршня от оси вращения коленчатого вала.
.
Рабочим (действительным) циклом двигателя называют совокупность повторяющихся во внутрицилиндровом пространстве тепловых, хими-ческих и газодинамических процессов, в результате которых термохи-мическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Рабочие циклы поршневых ДВС

Индикаторная диаграмма – это графическая зависимость давления газов в цилиндре от поло-жения поршня (т.е. от изменения объема рабочего тела) или от угла поворота коленчатого вала
Свернутая индикаторная диаграмма – графическая зависимость давления газов в цилиндре от положения поршня (т.е. от изменения объема рабочего тела)
Развернутая индикаторная диаграмма – графическая зависимость давления газов в цилиндре от угла поворота коленчатого вала

Рабочий процесс реального двигателя внутреннего сгорания принципиально отличается от теоретического цикла идеального двигателя.
Идеальный цикл – замкнутый круговой процесс, составленный из отдельных термодинамических процессов.
Рабочий цикл не замкнут – после совершения работы, в результате расширения, рабочее тело удаляется из двигателя, а на его место поступает свежая порция горючей смеси. Процессы всасывания и выхлопа рабочего тела не являются термодинамическими процессами.
В реальном двигателе рабочий процесс теплового двигателя – совокупность отдельных процессов, протекающих последовательно за два или один полный оборот коленчатого вала.

Четырехтактный двигатель. Первый такт (впуска) поршень в близи к ЛМТ (точка 1|). Камера сгорания заполнена продуктами сгорания. При перемещении поршня к ПМТ (точки 6-6|-1) распределительный механизм открывает впускные клапаны. Предпоршневое пространство сообщается с выпускной системой, цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). Вследствие сопротивления впускной системы давление в цилиндре в конце впуска давление меньше, чем на выпуске (точка 1).
Второй такт сжатия поступившего свежего заряда (процесс 1-2) происходит при перемещении поршня к ЛМТ. Давление и температура в цилиндре при этом повышаются, при некотором перемещении поршня от ПМТ давление в цилиндре, и становится равным с давлением в точке 1||. До этого момента впускные клапаны остаются открытыми (запаздывание закрытия клапанов) – для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом.
После закрытия клапанов при дальнейшем перемещении поршня к ЛМТ давление и температура при сжатии повышаются (процесс 2-3) и зависят от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от значения давления и температуры в точке 1 (в начале сжатия).
Третий такт – сгорание и расширение (процессы 2-3 и 3-4), то есть при ходе поршня от ЛМТ к ПМТ. Происходит интенсивное сгорание топлива и выделение теплоты, вследствие чего давление и температура в цилиндре резко повышается с некоторым увеличением внутрицилиндрового объема. Под действием давления происходит перемещение поршня к ПМТ и расширение газов (процесс 4-5|-5). При расширении газы совершают полезную работу, поэтому этот такт называется рабочим ходом.
Во время четвертого такта – такта выпуска осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания (процесс 5-1|-6|-6). Поршень перемещается от ПМТ к ЛМТ и вытесняет газы через открытые выпускные клапаны, которые открываются несколько раньше, чем поршень достигнет положения ЛМТ – для улучшения выпуска продуктов сгорания.
После завершения выпуска все такты повторяются.

Двухтактный двигатель. Цикл совершается за один оборот коленчатого вала, то есть в два раза чаще, чем в четырехтактном двигателе при одинаковой частоте вращения вала. Это объясняется тем, что очистка цилиндра в нем от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом происходит только при движении поршня в близи ПМТ. Очистка цилиндра осуществляется предварительно сжатым воздухом до определенного давления или горючей смесью. Предварительное сжатие происходит в специальном компрессоре или в небольших двигателях используется внутренняя полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.
Первый тактсоответствует ходу поршня от ЛМТ к ПМТ. В цилиндре только что произошло сгорание топлива (процесс 2-3 и 3-4) и начался процесс 4-5 расширения газов – рабочий ход. Выпускные клапаны открываются несколько раньше момента прихода поршня прихода к выпускным окнам, и продукты сгорания вытекают из цилиндра в выпускной патрубок. Давление в цилиндре резко падает (процесс 5-6). Когда давление становится примерно равным в ресивере или немного ниже его, поршень открывает впускные окна. Воздух, предварительно сжатый, поступает через впускные окна в цилиндр, вытесняя из него продукты сгорания, и вместе с ними попадает в выпускной патрубок (процесс 6-7).
Второй тактсоответствует ходу поршня от ПМТ к ЛМТ (процесс 8-1-2). В начале хода поршня продолжается процесс газообмена. Его конец (точка 1) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. С момента окончания процесса газообмена начинается сжатие воздуха. При движении поршня в близи ЛМТ (точка 2) в цилиндр через форсунку подается топливо. Подача заканчивается во время процесса сгорания топлива.

z
а
b
b
d
d
b
r
а
а
c
p
V
ВМТ
НМТ
p
0
Свернутая
индикаторная диаграмма четы-
рехтактного пор- шневого ДВС с
искровым зажиганием
y