Устройствои работа четырёхтактного карбюраторного двигателя

Устройствои работа четырёхтактного карбюраторного двигателя

Этот двигатель состоит из нескольких цилиндров 1, объединенных в единый блок. В каждом цилиндре находится поршень 2, совершающий возвратно-поступательное движение, которое шатуном 3 передается на коленчатый вал 4 и приводит его во вращение. В крышке цилиндра имеется всасывающий клапан 5, через который в цилиндр поступает смесь паров топлива с воздухом (горючая смесь), образующаяся в смесительном устройстве - карбюраторе, выхлопной клапан 6, через который из цилиндра удаляются отработавшие газы и запальное устройство (свеча) 7, искровой разряд которой поджигает в нужный момент рабочую смесь.

Характер реальных процессов в этом двигателе отражает его индикаторная диаграмма, в которой точка 1 соответствует крайнему положению поршня. Когда поршень находится а этом положении, открывается всасывающий клапан в первый ход поршня (сверху вниз) сопровождается всасыванием рабочей смеси из карбюратора в цилиндр по линии 1-2. При подходе поршня к другому крайнему положению (т2) всасывающий клапан закрывается и второй ход поршня (снизу вверх) сопровождается сжатием рабочей смеси по линии 2-3. При подходе поршня к крайнему верхнему положению (т3) в свече происходит искровой разряд, смесь поджигается и практически мгновенно сгорает с резким повышением давления и температуры (3-4). Под давлением продуктов сгорания поршень совершает третий ход (сверху вниз), который является рабочим ходом. При этом продукты сгорания расширяются по линии 4-5. Когда поршень подходит к крайнему нижнему положению (т5), открывается выхлопной клапан и последний, четвертый ход поршня сопровождается выхлопом отработавших газов по линии 5-1, которая и замыкает рабочий цикл двигателя.

Термодинамический цикл ДВС - Тринклера

В этом цикле адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре чистого воздуха с повышением его температуры выше температуры самовоспламенения топлива. Изохора 2-3 соответствует практически мгновенному сгоранию первой части порции топлива, поступающей в цилиндр в мелкодисперсном виде и уже успевшей к моменту самовоспламенения образовать с частью воздуха горючую смесь. Изобара 3-4 соответствует горению остальной части порции топлива, сгорающей постепенно по мере поступления из форсунки. Адиабата 4-5 соответствует расширению продуктов сгорания, а изохора 5-1, как и в цикле Дизеля, – смене рабочего тела.

Термический к.п.д. цикла Тринклера можно определить в общем виде из формулы

К основным характеристикам цикла Тринклера относится, помимо степени сжатия ε и степени предварительного расширения ρ, еще и степень повышения давления . Выразим термический к. п. д. цикла через указанные характеристики.

. (11.4)

Выражения для термических к. п. д. циклов Дизеля и Отто являются частными случаями этого более общего выражения. Действительно, если положить λ =1, то из него получится формула для термического к. п. д. цикла Дизеля, а при ρ =1 получится формула для термического к. п. д. цикла Отто.

Методы повышения к.п.д. ГТУ

Термический к. п. д. ГТУ со сгоранием топлива при р = соnst растет с увеличением степени повышения давлении β. Однако с ростом β увеличивается и температура газов в конце сгорания топлива Т₃, в результате чего быстро разрушаются лопатки турбин и сопловые аппараты, охлаждение которых затруднительно.

Чтобы увеличить к. п. д. ГТУ, частично изменили условия их работы. В установках стали применять регенерацию теплоты, многоступенчатое сжатие воздуха в компрессоре, многоступенчатое сгорание и т. д. Это дало значительный эффект и повысило в установках степень совершенства превращения теплоты в работу.

Рассмотрим несколько подробнее применение регенерации теплоты в ГТУ со сгоранием топлива при р = const. Сжатый воздух из турбокомпрессора направляется в регенератор 8, где получает теплоту при постоянном давлении от газов, вышедших из камеры сгорания 1 через сопло 2 в турбину 3. Подогретый воздух из регенератора 8 через форсунку 7, а топливо из топливного насоса 5 через форсунку 6 направляется в камеру сгорания 1.

На диаграмме: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подвод теплоты в регенераторе; 5-3– подвод теплоты при постоянном давлении в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 4-6 – изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе; 6-1 – изобарный отвод теплоты от газов по выходе из регенератора теплоприемнику.

Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры, воздуха, поступающего в него, т.е. от Т₄ до Т₆ = Т₂, то регенерация будет полная.

Термический к.п.д. цикла при полной регенерации, когда Т₄ -Т₆ = =Т₅- Т₂, найдем по уравнению

где

тогда

Температуры в основных точках цикла определяются так

К.п.д. цикла

η _t_рег . (11.9)

Термический к. п. д. цикла с подводом теплоты при р = const и полной регенерацией зависит от начальной температуры газа Т₁ и от температуры в конце адиабатного расширения Т₄.

Термический к. п. д. цикла ГТУ с подводом теплоты при = const в результате регенерации теплоты также возрастает. Применение регенерации позволяет уменьшить наибольшее давление в цикле без снижения его экономичности.

Цикл Ренкина

В результате замены парового компрессора насосом, подающим в котел конденсат отработавшего пара, а также введения перегрева пара перед двигателем цикл Карно превращается уже в цикл Ренкина, по которому работают все современные тепловые и атомные станции.

Схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина включает в себя паровой котел 1 с пароперегревателем (наличие последнего необязательно), паровой двигатель 2, конденсатор 3 и насос 4.

Паровой котел представляет собой устройство, в котором производится сжигание топлива и теплота образующихся газообразных продуктов сгорания используется для превращения поступающей в него воды в перегретый (или насыщенный) пар. Паровой двигатель является основным элементом всей установки, поскольку именно в нем потенциальная энергия пара используется для совершения полезной работы. Большей частью эта работа состоит во вращении ротора электрического генератора, как, например, показано на схеме. Конденсатор представляет собой трубчатый теплообменник, внутренняя поверхность трубок которого охлаждается циркуляционной водой, за счет чего на наружной поверхности их происходит конденсация отработавшего пара. Скапливающийся внизу конденсат откачивается насосом, который повышает его давление до необходимой величины и подает обратно в котел.

Цикл Ренкина, представленный в Ts-диаграмме, состоит из адиабатного процесса 1-2, соответствующего расширению пара в двигателе, изобарно-изотермического процесса 2-3, соответствующего конденсации отработавшего пара в конденсаторе, адиабатного процесса 3-4, соответствующего повышению давления воды в насосе, и, наконец, изобарного процесса 4-5-6-1, соответствующего парообразованию в котле. При этом участок 4-5 соответствует нагреванию воды до температуры кипения, изобарно-изотермический участок 5-6 – превращению кипящей воды в сухой насыщенный пар, а участок 6-1 – перегреву пара в пароперегревателе.

Термический к.п.д. цикла Ренкина

. (12.4)

Величину термического к.п.д. цикла Ренкина удобно определять графо-аналитическим методом с помощью is-диаграммы. Для этого по заданным начальным пара-метрам p₁и t₁ на is -диаграмме находится точка 1, затем от нее проводится вертикальная прямая до пересечения с изобарой в точке 2, соответствующая адиабате расширения пара в двигателе. Отрезок 1-2 представляет собой в масштабе диаграммы располагаемое теплопадение , т.е. числитель выражения для термического к. п. д. Что же касается знаменателя, то его определяют как разность между энтальпией пара i₁ в точке 1 и энтальпией кипящей воды i^/₂ при температуре изотермы t_н, проходящей через точку 3 на верхней пограничной кривой.

Помимо термического к.п.д. показателем эффективности цикла Ренкина может служить теоретический удельный расход пара, т. е. количество пара, теоретически расходуемое на единицу работы. Очевидно, что величина его определяется по формуле

, кДж/кг, или , кг/ (кВт× ч).

Теплофикационные циклы

Основной тепловой потерей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, является теплота парообразования отработавшего пара, отдаваемая охлаждающей воде конденсатора и нигде не используемая. В Ts –диаграмме эта потеря для цикла 1-2-3-4-5-1 изображается площадью прямоугольника 2-3-8-10-2. Как было показано ранее, при максимальных начальных параметрах и наиболее глубоком вакууме в конденсаторе эта потеря составляет 55% –52% всего тепла, сообщенного рабочему телу в котлоагрегате, а во всех других случаях она еще больше.

Невозможность использования теплоты охлаждающей воды конденсаторов для удовлетворения тепловых потребителей объясняется низкой температурой этой воды, составляющей обычно около 20⁰С.

Устранить эту потерю можно путем существенного повышения давления, а следовательно, и температуры отработавшего пара, что делает его пригодным для удовлетворения тепловых нужд промышленности или коммунального хозяйства.

Положим, пар расширяется до давления, близкого к атмосферному, чему на Ts-диаграмме соответствует точка 6. В таком случае количество тепла, превращенного в работу (а затем в электроэнергию), будет измеряться площадью 1-6-7-4-5-1, а тепло, полезно использованное для удовлетворения нужд тепловых потребителей, – площадью 7-6-10-9-7.

Работа 1 кг пара в этом случае будет меньше, чем при расширении до предельно низкого давления, и расход пара на получение того же количества электроэнергии будет больше. Зато теплота парообразования отработавшего пара не теряется, а полезно используется. Поэтому для оценки экономичности такого рода установок вводится понятие о степени использования тепла, под которой понимается отношение всего использованного (в виде механической и тепловой энергии) тепла к количеству тепла, затраченному на образование пара.

В цикле Ренкина и регенеративном цикле степень использования тепла есть не что иное, как термический к. п. д. цикла. Следовательно, для чисто конденсационных установок степень использования тепла может достичь лишь 52 – 53%. В теоретическом цикле комбинированной выработки электроэнергии и тепла (иначе говоря – выработки электроэнергии на базе теплового потребления) степень использования тепла составляет 100%.

Практически комбинированная выработка, электрической и тепловой энергии осуществляется с помощью паровых турбин специальной конструкции, работающих либо с противодавлением, либо с ухудшенным вакуумом, либо с одним или несколькими регулируемыми отборами пара.

Цикл теплового насоса

Для отопительных целей расходуется огромное количество ценного топлива, тогда как в природе имеются неиспользуемые или, вернее, очень мало используемые, практически бесконечные источники тепла низкой температуры (наружный воздух, вода различных водоемов).

Использование тепла низкотемпературных источников для отопления может быть осуществлено с помощью теплового насоса, представляющего собой установку, в которой температура рабочего тела (теплоносителя) повышается посредством затраты механической (или какой-либо другой) энергии до такого уровня, при котором теплоноситель способен отдать тепло в отопительную систему. Работа теплового насоса, схема которого представлена на рисунке 13.12, состоит в следующем.

В испарителе 1 за счет тепла, воспринятого от наружной среды (например, от речной воды), происходит парообразование низкокипящего теплоносителя (например, фреона); образовавшийся пар сжимается в компрессоре 2 с повышением температуры от Т₀ до Т₁ (зависящей от степени сжатия в компрессоре); затем пар поступает в конденсатор 3, в котором он, конденсируясь, отдает тепло в отопительную систему. Образовавшийся при этом конденсат теплоносителя направляется в дроссельный вентиль 4, в котором происходит понижение его давления до р₀, после чего конденсат вновь поступает в испаритель 1.

Таким образом, несмотря на внешнее сходство, между работой холодильной установки и работой теплового насоса имеется принципиальное различие. В первом случае наружная среда является теплоприемником, в который сбрасывается тепло, отнимаемое от охлаждаемого объекта, во втором случае она является источником тепла, которое передается на более высокий температурный уровень.

Это различие наглядно иллюстрируется Ts -диаграммой (рис. 13.13), на которой представлены одновременно два цикла в области влажных паров рабочего агента – цикл холодильной установки 1-2-3-4-1 и цикл теплового насоса 5-6-7-8-5. Как видно из графика, цикл холодильной установки располагается ниже горизонтали, соответствующей температуре окружающей среды Т₀, а цикл теплового насоса – выше нее.

Естественно, что и критерии оценки эффективности этих двух циклов должны быть различными. Если совершенство цикла холодильной установки определяется количеством тепла, отнимаемым от охлаждаемого объекта за счет единицы затрачиваемой энергии, т. е. ее холодильным коэффициентом е, то совершенство цикла теплонасосной установки определяется количеством тепла, передаваемым в отопительную систему за счет единицы затрачиваемой энергии. Соответственно этому эффективность его характеризуется величиной

, называемой отопительным коэффициентом.

Величина отопительного коэффициента зависит прежде всего от температур холодного источника и горячего приемника тепла. Если эти температуры заданы, то предельно высокую величину отопительного коэффициента можно получить, определив его значение для соответствующего обратного цикла Карно. Так, если температуру внешней среды Т₀ принять равной 275 °К, а температуру теплоносителя в отопительной системе Т – равной 340 °К, то для цикла Карно получаем

Естественно, что в действительности отопительный коэффициент теплонасосных установок получается меньшим, но он все же имеет значение от 3 до 4. Этим и определяется преимущество применения тепловых насосов перед непосредственным использованием электронагревательных устройств. Поэтому они и находят все более широкое применение в отопительной технике.

Устройствои работа четырёхтактного карбюраторного двигателя

12 3 4 5 Следующая ⇒