Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

16 Двигатели внутреннего сгорания

16 Двигатели внутреннего сгорания

16.41 (Вариант 40) Для идеального цикла поршневого двигателя с подводом теплоты при (см. № варианта, табл.1.1) определить параметры всех основных точек, полезную работу, работу сжатия, работу расширения, удельное количество подведенной и отведенной теплоты, термический КПД цикла Карно по условиям задачи, термический к.п.д цикла, если даны (см. табл., № варианта): давление р1, температура Т1, степень сжатия ε, степень расширения ρ, степень повышения давления λ, рабочее тело — воздух, показатель адиабаты k. Теплоемкость рабочего тела принять постоянной. Циклы представить в p-υ и T-s — диаграммах.

Таблица 1.1 — Варианты заданий

циклр1, МПаТ1, Кkερλ
смешанный0,093501,3513,51,72,0

1 Рассчитать термодинамические параметры в характерных точках цикла.

2 Рассчитать полезную удельную работу цикла, работу расширения, работу сжатия.

3 Рассчитать подводимую теплоту, отводимую теплоту, теплоту цикла.

4 Рассчитать термический к.п.д. цикла и термический к.п.д. цикла Карно. Сравнить к.п.д.

5 Рассчитать энтропии.

6 Изобразить в p-υ и T-s — диаграммах рассчитанный цикл.

7 Провести сравнительный анализ рассчитанного цикла двумя из способов сравнения.

16.42 (Вариант 40) Для идеального цикла поршневого двигателя с подводом теплоты при (см. № варианта, табл.2.1) определить параметры всех основных точек, полезную работу, работу сжатия, работу расширения, удельное количество подведенной и отведенной теплоты, термический КПД цикла Карно по условиям задачи, термический к.п.д цикла, если даны (см. табл., № варианта): давление р1=0,1 МПа, температура Т1, степень сжатия ε, степень расширения ρ, степень повышения давления λ, рабочее тело — воздух, показатель адиабаты k=1,4. Теплоемкость рабочего тела принять постоянной. Циклы представить в p-υ и T-s — диаграммах.

Таблица 2.1 — Варианты заданий

циклТ1, Кερλ
смешанный35013,51,72,0

1 Рассчитать термодинамические параметры в характерных точках цикла.

2 Рассчитать полезную удельную работу цикла, работу расширения, работу сжатия.

3 Рассчитать подводимую теплоту, отводимую теплоту, теплоту цикла.

4 Рассчитать термический к.п.д. цикла и термический к.п.д. цикла Карно. Сравнить к.п.д.

5 Рассчитать энтропии.

6 Изобразить в p-υ и T-s — диаграммах рассчитанный цикл.

7 Провести сравнительный анализ рассчитанного цикла двумя из способов сравнения.

16.43 В цикле поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты (рис.59) начальное давление р1=90 кПа, начальная температура t1=67 ºC. Количество подведенной теплоты Q=1090 кДж/кг. Степень сжатия ε=10.

Какая часть теплоты должна выделяться в процессе при υ=const, если максимальное давление составляет 4,5 МПа. Рабочее тело – воздух. Теплоемкость принять постоянной.

16.44 Двигатель внутреннего сгорания работает по смешанному циклу (подвод тепла при υ=idem и при p=idem). Рабочее вещество обладает свойствами, близкими к свойствам воздуха. Начальные параметры вещества р1=1,1 бар, t1=30 ºC. Конструктивные характеристики двигателя: ε=υ12=16; λ=p3/p2=1,7; ρ=υ43=1,5.

Определить параметры p, υ, t в переходных точках цикла, работу, тепло, изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в каждом из процессов цикла, термический к.п.д. Изобразить цикл в p-υ и T-s — диаграммах. k=1,41; pυ=RT; R=8314/μ=8314/29=287 Дж/(кг·К); ср=1,01 кДж/(кг·К); сυ=0,722 кДж/(кг·К).

16.45 Рабочее тело поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты обладает свойствами воздуха. Известны начальные параметры р1=0,1 МПа, t1=30 ºC и следующие характеристики цикла: ε=7; λ=2,0 и ρ=1,2.

Определить параметры в характерных для цикла точках, количество подведенной теплоты, полезную работу и термический к.п.д. цикла. Рабочее тело – воздух. Теплоемкость считать постоянной.

16.46 Для цикла двигателя внутреннего сгорания с комбинированным подводом тепла расход топлива составляет 0,035 кг на 1 кг рабочего тела. Начальные параметры: р1, t1. Степень сжатия ε. Максимальное давление в цикле 29,4·10 5 Н/м². Определить термический к. п. д. и долю тепла топлива, подведенного в процессе p=const. Теплота сгорания топлива Qн р =29260 кДж/кг. Рабочее тело обладает свойствами воздуха.

Таблица 5 – Исходные данные

Вариантр1, МПаt1, ºСε
60,2306

16.47 Определить параметры рабочего тела в характерных точках идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания если известны давление р1 и температура t1 рабочего тела в начале сжатия.

Степень сжатия ε, степень повышения давления λ, степень предварительного расширения ρ — заданы индивидуально.

Определить работу, получаемую от цикла, его термический КПД и изменение энтропии отдельных процессов цикла. За рабочее тело принять воздух, считая теплоемкость его в расчетных интервалах температур постоянной, построить на миллиметровой бумаге в масштабе этот цикл в координатах р-υ и T-s. Дать к полученным графикам соответствующие пояснения.

Дано:Определить:
р1=0,095 МПа;
t1=40 ºС;
ε=14;
λ=1,6;
ρ=2,0
υ1, υ2, υ3, υ4, υ5;
р2, р3, р4, р5;
Т2, Т3, Т4, Т5;
l, ηt;
Δs1-2, Δs2-3, Δs3-4, Δs4-5, Δs5-1

16.48 Определить индикаторную мощность четырехтактного шестицилиндрового дизеля 64Н15/16, имеющего диаметр цилиндра d=0,15 м и ход поршня h=0,18 м. Частота вращения вала 1200 об/мин. Индицированием двигателя получена индикаторная диаграмма площадью 0,002 м² при масштабе давлений 0,012 м/МПа. Длина индикаторной диаграммы 0,18 м.

Ответ: Ni=172 кВт.

16.49 (Вариант 79) Рабочее вещество поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты обладает свойствами воздуха. Известны начальные параметры р1, t1 и следующие характеристики цикла: ε, λ и ρ. Определить параметры в характерных точках цикла, количество подводимой и отведенной теплоты, полезную работу и термический КПД цикла. Рабочее тело – воздух. Теплоемкость считать постоянной. Данные, необходимые для решения задачи взять из табл.2.

Таблица 2

р1, МПаλt1, ºСερ
0,71,52091,1

Варианты задачи: 42, 55, 74, 76, 81, 09, 34, 25, 97, 50.

16.50 (Вариант 21) Для идеального цикла внутреннего сгорания с изохорным (изобарным) подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р1, t1, степень сжатия ε и степень повышения давления λ (степень предварительного расширения ρ), рабочее тело – воздух. Сравнить данный цикл с изохорным (изобарным) процессом подвода теплоты с циклом Дизеля (Отто) при условии равенства отведенной теплоты q2 сравниваемых циклов и степени сжатия ε циклов (Pmax, Tmax). Изобразить циклы в υp и sT- координатах.

ШЕСТИТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом техническом решении продукты сгорания не выпускаются в атмосферу, а претерпевают дополнительный такт сжатия и, в зоне достижения поршнем верхней мертвой точки, в камеру сгорания впрыскивается дозированная струя воды. При этом за счет еще очень высокого теплосодержания продуктов сгорания вода испаряется и создается дополнительное рабочее тело (продукты сгорания плюс пары воды), которое совершает второй полноценный (аналогичный первому) рабочий ход. И только по завершении второго рабочего хода отработавшее рабочее тело выпускается в атмосферу (шестой такт). Отличительная особенность описываемого шеститактного двигателя состоит в том, что камера сгорания каждого цилиндра выполнена цилиндроконической и дополнительно снабжена форсункой для впрыскивания в камеру сгорания воды при помощи насоса высокого давления. 3 ил.

Шеститактный двигатель внутреннего сгорания, включающий, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем и шатуном, скрепленным с коленчатым валом, головку блока цилиндров с газораспределительным механизмом и камерами сгорания, отличающийся тем, что каждая камера сгорания выполнена цилиндроконической и снабжена, по меньшей мере, одной свечой зажигания и, по меньшей мере, одной форсункой для впрыска в камеру сгорания воды, двигатель дополнительно снабжен емкостью с водой и импульсным насосом высокого давления для подачи воды через форсунку в продукты сгорания, сжатые после рабочего хода от горения бензовоздушной смеси для совершения дополнительного рабочего хода, причем свеча зажигания вмонтирована в цилиндрической части камеры сгорания, а форсунка вмонтирована в конической части камеры.

Читать еще:  Что охлаждает двигатель при перегреве

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области автомобилестроения, и может использоваться в других отраслях промышленности, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и предназначено существенно повысить их эффективность.

Поиск аналогов технических решений выполнен по источникам патентной и технической информации России (СССР), США, Германии, Франции, Великобритании, Японии, Европейского патентного ведомства за период с 1929 по 2014 год. Выявлены оригинальные технические решения по совершенствованию ДВС.

Наиболее близким техническим решением является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по заявке №2009123674/06, опубл. 27.12.2010, бюл. №36. Данный ДВС имеет спаренные цилиндры — основной и дополнительный, причем выходная труба основного цилиндра является одновременно входной трубой дополнительного цилиндра. Рабочий процесс этого ДВС организован таким образом: отработавшие продукты горения основного цилиндра не выпускаются в атмосферу, а поступают в дополнительный цилиндр и используются в качестве составной части рабочего тела вместе с парами воды, впрыскиваемой в дополнительный цилиндр. Впрыск воды в дополнительный цилиндр производят в конце такта сжатия в дополнительном цилиндре. В последнем реализуется четырехтактный цикл, как и в основном цилиндре за исключением того, что в основном цилиндре рабочий цикл осуществляется за счет сгорания бензино-воздушной смеси и образовавшегося при этом рабочего тела в виде продуктов горения, а в дополнительном — за счет рабочего тела, полученного как сумма продуктов горения и паров воды, впрыскиваемой в дополнительный цилиндр и испарившейся за счет высокого теплосодержания продуктов горения, поступивших из основного цилиндра. Дозирование массы впрыскиваемой воды осуществляется из расчета создания в дополнительном цилиндре давления, равного давлению в основном цилиндре при совершении в нем такта рабочего хода.

Таким образом, в известном ДВС, который является прототипом заявляемого, рабочий процесс организован с использованием дополнительного цилиндра. Несмотря на его положительные качества, в том числе: уменьшение удельного расхода горючего практически в два раза по сравнению с лучшими современными образцами ДВС; снижение токсичности продуктов горения; снижение тепловой нагрузки на двигатель; снижение шумности работы; повышение термодинамического КПД двигателя, он имеет недостаток, заключающийся в усложненной по сравнению с существующими двигателями конструкции.

Основной задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции ДВС при сохранении всех остальных качеств прототипа.

Данная задача решается изменением организации рабочего процесса в двигателе и конструктивными изменениями двигателя. Организация рабочего процесса состоит в том, что после завершения такта рабочего хода продукты горения не выпускаются в атмосферу, а претерпевают дополнительное сжатие и в зоне достижения поршнем верхней мертвой точки в камеру сгорания впрыскивают струю воды, которая за счет еще очень высокого теплосодержания продуктов горения испаряется, создавая дополнительное рабочее тело в виде парообразной воды. Суммарное рабочее тело (продукты горения и пары воды) совершают дополнительный рабочий ход и только потом последний такт — выпуск охлажденных продуктов сгорания с парами воды в атмосферу.

Рабочий процесс реализуется в шеститактном двигателе внутреннего сгорания, включающем, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем и шатуном, скрепленным с коленчатым валом, головку блока цилиндров с газораспределительным механизмом и камерами сгорания, при этом каждая камера сгорания выполнена цилиндроконической и снабжена, по меньшей мере, одной свечой зажигания и, по меньшей мере, одной форсункой для впрыска в камеру сгорания воды, двигатель дополнительно снабжен емкостью с водой и импульсным насосом высокого давления для подачи воды через форсунку в продукты сгорания, сжатые после рабочего хода от горения бензовоздушной смеси для совершения дополнительного рабочего хода, причем свеча зажигания вмонтирована в цилиндрической части камеры сгорания, а форсунка вмонтирована в конической части камеры.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом.

На фиг. 1 показана схема головки блока цилиндров (ГБЦ).

Позицией 1 обозначен корпус цилиндра, позицией 2 — камера сгорания, позицией 3 — шаровой клапан, позицией 4 — входная труба, позицией 5 — выходная труба, позицией 6 — форсунка, позицией 7 — свеча зажигания, позицией 8 — поршень, позицией 9 — выемка в шаровом клапане.

Последовательность работы элементов двигателя показана на фиг. 2.

При впуске бензино-воздушной смеси полость входной трубы через выемку в шаровом клапане соединяется с полостью цилиндра, который заполняется горючей смесью при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), при этом выпускная труба закрыта. При обратном движении поршня (от НМТ к ВМТ) происходит такт сжатия (Сж.-1).

В момент достижения поршнем зоны ВМТ происходит зажигание горючей смеси и поршень совершает такт рабочего хода (Рх.-1) за счет горения горючей смеси. После завершения Рх.-1 поршень поднимается к ВМТ и происходит второй такт сжатия (Сж.-2). В момент достижения поршнем зоны ВМТ (завершение такта Сж.-2) происходит впрыск воды в камеру сгорания, вода испаряется, создается смесь рабочего тела (продукты горения и водяной пар), который создает второй рабочий ход поршня (Рх.-2). При этом выпускная и впускная трубы закрыты. При обратном движении поршня (к ВМТ) выпускная труба открывается и продукты горения вместе с парами воды выпускаются в атмосферу — это шестой такт рабочего цикла двигателя по данному изобретению.

Термодинамическое обоснование работоспособности такого двигателя подобно обоснованию работоспособности ДВС прототипа [9].

Температура выхлопных газов по предлагаемому техническому решению существенно ниже, чем у существующих четырехтактных двигателей, а термодинамический КПД существенно выше и может превышать 70%. Снижение температуры выхлопных газов определяется расходом теплоты продуктов горения на парообразование впрыскиваемой воды для совершения второго полноценного рабочего хода (Рх.-2). Токсичность выхлопных газов снижается за счет разбавления их парами воды примерно в два раза. Шумность работы двигателя снижается за счет существенного снижения скорости истечения выхлопных газов по сравнению с современными четырехтактными ДВС. Тепловые нагрузки на двигатель снижаются также за счет расхода тепла на парообразование воды.

Сравнение заявляемого с другими техническими решениями не выявило в них признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень»

На фиг. 3 приведена P, V — диаграмма шеститактного цикла ДВС по предлагаемому изобретению. Исходное состояние соответствует точке 0 на диаграмме. В этой точке P = 1 ат; V = Vкс (где Vкс — объем камеры сгорания). В такте «впуск» горючая смесь заполняет объем всего цилиндра Vц. На диаграмме это т. 1. Переход из состояния 0 в состояние 1 процесс изобарный (P = const). В т. 1 давление P = 1 ат; V = Vц (объем цилиндра включает объем рабочего хода цилиндра и объем камеры сгорания, т.е. Vц = Vр.х. + Vкс). Следующий такт «сжатие» (Сж-1) происходит в изотермических условиях (T = const) и система переходит в состояние, соответствующее т. 2 диаграммы (поршень достигает верхней мертвой точки). В этой точке происходит зажигание горючей смеси, давление возрастает при постоянном объеме (V = const-изохорный процесс) и система приобретает состояние, соответствующее точке 3 на диаграмме. Далее совершается такт «рабочий ход» за счет продуктов сгорания горючей смеси (Рх-1). При этом в цилиндре падает давление до некоторого остаточного, а объем, занимаемый продуктами горения, увеличивается до значения Vц. Система приобретает состояние, соответствующее точке 4 на диаграмме.

В современных четырехтактных двигателях точка 4 на диаграмме соответствует выпуску продуктов горения в атмосферу. Но согласно сформулированному нами способу организации рабочего процесса ДВС продукты горения после завершения рабочего хода (Рх.-1) не выбрасываются в атмосферу, а претерпевают дополнительное сжатие. Этот процесс описывается кривой 4-5 диаграммы (Сж.2). В т. 5 продукты горения сжимаются до объема камеры сгорания (V = Vкс) и в этот момент происходит впрыск воды, вода испаряется и за счет смешанного рабочего тела (продукты сгорания + пары воды) давление в камере сгорания повышается до уровня, необходимого для совершения полноценного рабочего хода, т.е. система принимает состояние, соответствующее т. 6 диаграммы, эквивалентное состоянию 4. Далее совершается такт второго рабочего хода (Рх.-2). По завершении Рх-2 система приходит в состояние, соответствующее т. 7 диаграммы. Здесь происходит истечение продуктов горения и паров воды, система приходит в исходное состояние.

Читать еще:  Датчик холостого хода дизельного двигателя

В описании изобретения использованы примеры ДВС с нетрадиционным газораспределительным механизмом (ДВС по патенту РФ №2333368 от 10.09.2008, в котором вместо тарельчатых клапанов использованы шаровые клапана). Однако предлагаемая организация рабочего процесса ДВС в равной мере применима для любого газораспределительного механизма, в том числе традиционного, используемого в современных ДВС.

1. Патент США №1719116 МПК F01L 7/10 от 2.07.1929.

2. Патент США №4513568 от 30.04.1985.

3. Патент США №4809511 от 7.03.1989.

4. Патент РФ №2333368 от 10.09.2008.

5. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/под ред. В.Н. Луканина, — 2-е изд. — М.: Высшая школа, 2005.

6. Большая российская энциклопедия. Т. 8, М.: 2008.

7. Техническая термодинамика. Под ред. В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1991.

8. Блинов М.В., Блинов В.И. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Заявка №2009123674/06, публ. 27.12.2010, бюл. №36.

9. Блинов В.И., Блинов М.В. Организация технической системы с использованием энергии отработавших газов. Сб. научных трудов МАДИ. М., 2011.

Что такое рабочее тело двигателя внутреннего сгорания

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 1). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 1.
Круговой процесс на диаграмме (p, V).
abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия.
Работа A в круговом процессе равна площади
фигуры abcd.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики, ΔU = Q – A = 0.
Отсюда следует: A = Q = Q1 – |Q2|.
Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:
А Q1 – |Q2|
η = — = ———
Q Q1

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η 0, A > 0, Q2 T2.

В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы. На рис. изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рисунок 3 Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 4).

Рисунок 4. Цикл Карно

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника: η Карно = ηmax.
Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Энергетическая схема холодильной машины. Q1 0, T1 > T2.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы.

Двигатель с внешним подводом теплоты

При современном развитии техники остро стоит вопрос о необходимости создания энергетических установок, в которых могут быть использованы различные источники тепловой энергии, не загрязняющие окружающую среду и имеющие низкий уровень шума и вибрации. К перспективным силовым установкам можно отнести новый двигатель с внешним подводом теплоты. Изобретение может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта. Кроме того, его можно использовать в качестве привода электрических генераторов.

Конструктивно двигатель содержит четыре расширительных и четыре компрессионных цилиндра. Цилиндры расположены поочередно и параллельно, вокруг оси рабочего вала двигателя. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения выполнен в виде косой шайбы, как привод аксиально-поршневого насоса. Сгорание топлива происходит в теплообменной камере. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через теплообменные трубки. При сжатии рабочего тела осуществляется отвод теплоты через теплообменные трубки и охлаждение рабочего тела в охладителе (радиаторе). Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемо. Рабочее тело находится под большим давлением, порядка 40‑200 атм.

Читать еще:  Все схемы обмотки статора асинхронного двигателя

Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель.

К особенностям нового двигателя следует отнести:

1. Высокий КПД. Возможность получения высокого КПД, а следовательно, и большой экономичности является важной особенностью двигателя. Это связано с полным использованием перепада температуры и давления в цикле. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности, а также трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.

2. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе, позволяет применять различные тепловые источники без каких‑либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива, от твердых до газообразных, могут быть непосредственно использованы в двигателе. Для этого двигатель оборудуют камерой сгорания с рекуперативным теплообменником для подогрева воздушного заряда теплотой отработавших газов.

В городах с высокой интенсивностью движения для применения на транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель с тепловым аккумулятором.

3. Двигатель может работать не только на разнообразных топливах, но и дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве – как на подводных лодках, так и на спутниках.

4. Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и испарения его из системы питания. Двигатель работает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продуктов сгорания, и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.

Испарение топлива в атмосферу в двигателе значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как используется топливная система закрытого типа. Практически единственный источник токсичных веществ – продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.

Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода. Камеры сгорания двигателя подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгорания в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воздух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специальном подогревателе отработавшими газами.

Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя не имеют запаха и практически не содержат сажи.

Даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателя значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.

5. Низкий уровень шума и вибрации. Основными источниками шума в двигателях внутреннего сгорания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска и выпуска, механизм газораспределения, кривошипно-шатунный и вспомогательные механизмы (из‑за наличия зазоров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т.п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источники шума в двигателе отсутствуют, поэтому уровень шума, производимого работающим двигателем, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется.

Кроме того, давление в цилиндрах двигателя изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20‑30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.

6. Низкий расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгорания попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к выгоранию масла, а с другой – к его старению вследствие соприкосновения с горячими газами и деталями двигателя.

В предлагаемом двигателе масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкасается ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмоления масла. Вследствие этого в двигателе отпадает необходимость в периодическом добавлении масла. В принципе двигатель может проработать в течение всего моторесурса с первоначально заправленным маслом (если оно с течением времени не изменяет своих качеств под воздействием окружающей среды), которое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей большой и средней мощности это является важнейшим экономическим преимуществом (стоимость смазочного масла в 10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.

Попадание масла в рабочие полости двигателя крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как изменяются свойства рабочего тела и, как следствие, эффективный КПД двигателя. Поэтому в двигателе применяются несмазываемые поршневые кольца. Смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агрегатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применяются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.

7. Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой температуре. Предлагаемый двигатель, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко запускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсункой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.

8. Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как рассматриваемое устройство – двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из‑за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного заряда) и в ее распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначительна.

9. Работа с кратковременными перегрузками. Моторесурс двигателей определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления предела ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные перегрузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.

В общем случае любой двигатель может гарантированно выдерживать кратковременную 50‑80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности.

10. Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в двигателе замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом он должен происходить при возможно более низких температурах. Поэтому количество теплоты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных КПД. Следовательно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector