ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого» Факультет технологий и бизнеса Кафедра технологии и сервиса Лабораторная работа «ИЗУЧЕНИЕ ЦИКЛА ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» Разработал профессор кафедры технологии и сервиса, доктор технических наук Радченко Сергей Анатольевич Тула - 2012
• Цель работы: ознакомится с устройством и принципом действия двигателей внутреннего сгорания. • Оборудование и материалы: модель двигателя внутреннего сгорания, комплект материалов в электронном виде и печатном виде.
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - это тип двигателя, тепло-вая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно при-меняется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сго-рающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются несовершенным типом теп-ловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит го-раздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДВС Поршневые двигатели - камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. По типу используемого топлива делятся на: Бензиновые - смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Делятся на: Дизельные - специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Горючая смесь образуется (и сразу же сгорает) непосредственно в цилиндре по мере впрыска порции топлива. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере. Газовые - двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях: смеси сжиженных газов - хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм. ). Испарённая в испарителе
жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый сме-ситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Газодизельные – основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не Двухтактный цикл. В двухтактном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю. Роторно-поршневые - за счёт вращения в камере сгорания многогранного ротора динамически формируются объёмы, в которых происходит обычный цикл ДВС. Газотурбинные двигатели - энергия расширяющихся продуктов горения передаётся на лопатки газовой турбины. ДВС с впрыском воды. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания - двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий. Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75000 КВт (судовые двигатели). В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются: жидкости - бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель; газы - природный газ. Двигатели внутреннего сгорания отличаются друг от друга рабочим циклом, по которому они работают. Рабочий цикл - это комплекс последовательных рабочих процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре при работе двигателя. Рабочий процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом. По числу тактов, составляющих рабочий цикл, двигатели делятся на два вида: четырехтактные - цикл совершается за четыре хода поршня, двухтактные цикл совершается за два хода поршня.
Бензиновый ДВС Классификация бензиновых двигателей: 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) - двигатели с непосредственным впрыском; По способу осуществления рабочего цикла - четырехтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизованных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. Следует заметить, что дизели также могут быть четырёхтактными или двухтактными; двухтактные дизели лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей, однако применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках).
По числу цилиндров - одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые; По расположению цилиндров - двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (т. н. "рядный" двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным); По способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением; Блок двигателя
ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ПОРШНЕВОГО (ДВС). Основными частями ДВС являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и 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.
Одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания а) «стакан» в «стакане» ; б) поперечный разрез: 1 – головка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 - поршневые кольца; 5 – порш-невой палец; 6 - шатун; 7 – коленчатый вал; 8 маховик; 9 - кривошип; 10 – распределительный вал; 11 – кулачок распределительного вала; 12 – рычаг; 13 – клапан; 14 - свеча зажигания ПРИНЦИП РАБОТЫ Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано 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. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически
заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива. Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
РАБОЧИЙ ЦИКЛ БЕНЗИНОВОГО ЧЕТЫРЁХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ а)Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. б)Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ
называется степенью сжатия. Степень сжатия - очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже. в)Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда поршень будет находиться в ВМТ. При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.
г) Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала. Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов. Ход поршня и объемы цилиндра двигателя а) поршень в нижней мертвой точке б) поршень в верхней мертвой точке,
РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджег, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в Рабочий цикл выпускной коллектор. Через некоторое время двухтактного двигателя поршень открывает также
впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработанные газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх часть свежей смеси вытолкнутой из выпускного коллектора засасывается назад в кривошипную камеру. Двигатель автомобиля BMW M 6
ПРЕИМУЩЕСТВА 4 -ТАКТНЫХ И 2 -ТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Преимущества четырёхтактных двигателей: Больший ресурс. Большая экономичность. Более чистый выхлоп. Не требуется сложная выхлопная система. Меньший шум. Преимущества двухтактных двигателей: Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения у двухтактных вариантов. Большая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма. Проще и дешевле в изготовлении.
• Цикл Отто - рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, цикл бензинового двигателя. • Идеальный цикл Отто состоит из четырёх процессов: • Адиабатное сжатие рабочего тела; • Изохорный процесс к рабочему телу; • адиабатное расширение рабочего тела; • изохорное охлаждение рабочего тела. • Изохорический или изохорный процесс от др. греч. - «ровный» , и chora - «пространство, занятое место» ) - это термодинамический процесс, который происходит при постоянстве объема. В газах и жидкостях осуществляется очень просто: для этого достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма. • При изохорическом процессе давление идеального газа прямо пропорциально его температуре ). В реальных газах закон Шарля не выполняется, так как часть теплоты, которую получает система, расходуется на увеличение энергии взаимодействия частиц. • На графиках изображается линиями, которые называются изохоры. Для идеального газа они являются прямыми во всех диаграммах, которые связывают параметры: T (температура), V (объем) и P (давление).
• Цикл Карно - идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадает соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. • Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году. • Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется. Описание цикла Карно Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой TH, холодильника с температурой TX и рабочего тела. Цикл Карно состоит из четырёх стадий: Изотермическое расширение (на рисунке - процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке - процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
Изотермическое сжатие (на рисунке - процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке - процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя. При изотермических процессах температура остается постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия (поскольку при δQ = 0). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия). КПД тепловой машины Карно
Цикл Карно в координатах P и V Цикл Карно в координатах T и S
Форма отсчета о работе 1. Схематичное изображение рабочих и термодинамических процессов на p. V- диаграмма четырехтактного карбюраторного ДВС, идеаль-ного цикла (цикла Отто), индикаторной диаграммы. 2. Расчетная формула и численные значения термического коэффициента полезного действия ηt. 3. Расчетная формула для эффективной мощности Ne и ее численные значения, к. Вт. 4. Расчетная формула и численные значения индикаторной мощности Ni, к. Вт. 5. Расчетная формула и численное значение эффективного К. П. Д. ηe. 6. Расчетная формула численного значение эффективного расхода Be, кг/(к. Вт. ч. ).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется двигателем внутреннего сгорания? Как классифицируются ДВС? 2. Как устроен четырехтактный карбюраторный ДВС? 3. Какие рабочие процессы происходят внутри цилиндра четырехтактного ДВС? 4. Какие термодинамические процессы соответствуют рабочим процессам в ДВС? 5. Какими уравнениями описываются термодинамические процессы идеального газа четырехтактного ДВС? 6. Как изображается идеальный цикл четырехтактного ДВС на p. V- диаграмме? 7. Как графически изображается на p. V- диаграмме полезная работа цикла Li, среднее индикаторное давление pi, рабочий объем цилиндра Vp? 8. Что такое индикаторная мощность Ni и эффективная мощность Ne ДВС и как они расчитываются? 9. Что называется эффективным К. П. Д двигателя ηe? 10. Что называется эффективным расходом топлива be?
Скачать презентацию ФГБОУ ВПО Тульский государственный педагогический университет им Л
ЛР ''Изучение циклов ДВС''.ppt