Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Двигатели внутреннего сгорания. Основные характеристики.

Тепловые двигатели предназначены для преобразования теплоты в работу. Необходимая для этого теплота получается при сжигании различных топлив. Если это сжигание производится вне машины (в специальном котлоагрегате, например), то говорят о двигателях с внешним сгоранием. В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) сжигание топлива производится непосредственно в рабочем пространстве машины, например в цилиндре поршневого двигателя.

Очень схематично устройство поршневого ДВС показано на рис. 1.63.

В рабочем цилиндре 4 с поршнем 5 происходит трансформация теплоты в работу, и поступательное движение поршня превращается во вращательное с помощью кривошипно-шатунного механизма 6.

В крышке цилиндра расположена камера сгорания и впускной 1 и выпускной 3 клапаны с принудительным приводом. Там же находится или свеча зажигания (или топливоподающая форсунка) 2

В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость. В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре. Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насосы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные механизмы приводятся в движение от коленчатого вала.

Создаваемый на этом валу крутящий момент используется для вращения рабочих элементов механизма (электродвигателя или машины), соединённого с двигателем внутреннего сгорания, или передаётся на трансмиссию.

Поршень совершает возвратно-поступательное движение в результате давления, оказываемого на него продуктами сгорания вводимого в цилиндр газового или мелкораспылённого жидкого топлива, отталкивающими при расширении поршень по направлению к валу, и под действием надетого на вал двигателя маховика, силы инерции которого заставляют поршень возвращаться в исходное положение.

У много цилиндровых двигателей на один общий коленчатый вал одновременно работают несколько связанных с ним поршней, движущихся в одинаковые моменты времени в противоположных направлениях. Крайние положения поршня называют мёртвыми точками: верхней мёртвой точкой (в. м. т.) у крышки 3 цилиндра и нижней мёртвой точкой (н. м. т.) в противоположном конце цилиндра (см. рис.). Объём V2 цилиндра двигателя, ограниченного с одной стороны крышкой, а с другой стороны - поршнем, находящимся в в. м. т., называют объёмом камеры сжатия (сгорания).

Расстояние между н. м. т. и в. м. т. называется ходом поршня (см. рис. 4).

Ход поршня от ВМТ до НМТ называют тактом. Объем, описываемый поршнем за один ход, является рабочим объемом цилиндра, V„=nD2S/4 (D — диаметр цилиндра, S — ход поршня).

Сумму рабочих объемов всех цилиндров двигателя в литрах называют литражом двигателя.


Объем Vc над поршнем, находящимся в ВМТ, называют объемом камеры сгорания. Полный объем одного цилиндра Vп= Vц + Vc; отношение t = Vn/Vc — степень сжатия.

Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива (карбюраторные и газовые). Первый газовый двигатель был построен Отто 1876 г.), а первый карбюраторный двигатель был создан моряком русского флота О. С. Костовичем 1879г.).

В цилиндр такого двигателя всасывается готовая горючая смесь, которая в нужный момент поджигается от внешнего источника  (электрической искры высокого напряжения, раскаленного шара). Время сгорания готовой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме. Как было установлено (§6.2), теоретический КПД цикла с V = const зависит только от степени сжатия.

Двигатели со сгоранием топлива при (почти) постоянном давлении (компрессорные дизели). Создание такого двигателя связано с именем Р. Дизеля A898 г.).

В цилиндре двигателя сжимается чистый воздух. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспламеняется и сгорает при р яг const.

Для распыла топлива, подаваемого в цилиндр, используют воздух, сжатый в компрессоре до давления, в 1,2—2 раза превышающего давление в цилиндре (отсюда и произошло название «компрессорные дизели»). Такие двигатели имеют ряд конструктивных недостатков (наличие компрессора для распыла топлива, сложное устройство форсунок и др.) и в настоящее время не строятся. Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизели). В цилиндре этого двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо,  сжатое насосом до давлений около 30— 40 МПа, подается в форсунку, через которую оно в мелкорасиыленном виде разбрызгивается в цилиндр в конце такта сжатия.

Топливо, попадая в воздух, нагретый в процессе сжатия до температуры, превышающей температуру воспламенения, сгорает по мере ввода его в цилиндр сначала (почти) при V = const, а затем при (почти) p = const. Наиболее целесообразным считается конструирование компрессорных дизелей с е= 13ч- 18, так как дальнейшее повышение степени сжатия незначительно увеличивает т),. Например, при увеличении е от 13 до 20 г\, повышается на 7 %, а механические напряжения деталей возрастают почти в 2 раза. Все типы двигателей могут выполняться как четырехтактными, так и двухтактными.

Задача 14. Кислород массой m = 2 кг занимает объем V1 = 1 м3 и находится под давлением р1 = 0,2 МПа. Газ был нагрет сначала при постоянном давлении до объема V2 = 3 м3, а затем при постоянном объеме до давления р3 = 0,5 МПа. Найти изменение ΔU внутренней энергии газа, совершенную им работу А и количество теплоты Q, переданное газу. Построить график процесса.

Дано:

m = 2 кг 

М = 32 кг/моль

V1 = 1 м3

р1 = р2 = 2·105 Мпа

V2 = 3 м3

р3 = 5·105 Мпа

R = 8,31·10 –3 Дж/(кмоль·К)

Решение:

Изменение внутренней энергии газа выражается формулой:

, (1)

где i – число степеней свободы молекул газа для двухатомных молекул кислорода (i = 5); М – молярная масса; R – молярная газовая постоянная. 

ΔU - ?

А - ?

Q - ?

Начальную и конечную температуры найдем, используя уравнение Менделеева - Клайперона:

. (2)

Решая его относительно Т, получим:  (3)

  

 

Подставляя в выражение (1) числовые значения входящих в него

величин, находим:

Работа расширения газа при постоянном давлении выражается формулой: . Подставив числовые значения, получим:

Работа газа, нагреваемого при постоянном объеме, равна нулю, т.е. А2 = 0. Следовательно, полная работа, совершенная газом, равна: . Согласно первому началу термодинамики количество теплоты Q, переданное газу, равно сумме изменения внутренней энергии ΔU и работы А: , следовательно: .

График процесса приведен на рисунке 2.

 


Ответ: 3,65 МДж.

Внутренняя энергия. Механическая энергия: " потенциальная (определяется взаимным положением взаимодействующих тел) " кинетическая (определяется движением тела) Потенциальная и кинетическая энергия могут превращаться друг в друга. Энергию движения и взаимодействия частиц, составляющих тело, называют внутренней энергией тела. Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела (как целого) и от положения этого тела относительно других тел.
На главную