Основные положения. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механическую работу.

ДВС отличаются высокой экономичностью, компактностью, надежностью в эксплуатации, хорошей приспособляемостью к потребителю. К недостаткам ДВС по сравнению с паровыми и газовыми турбинами следует отнести ограниченную мощность, относительно высокий уровень шума, большую частоту вращения коленчатого вала при пуске, токсичность отработанных газов и ряд других. Однако, достаточно большой срок службы, малая масса ДВС, возможность соединения его практически с любым потребителем энергии позволяет широко использовать двигатели, как в стационарной теплоэнергетике, так и в транспортных установках, в сельскохозяйственных машинах, в авиации, на строительно-дорожных машинах.

Задачей термодинамического исследования цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПДВС) является анализ зависимости основных показателей работы цикла от степени сжатия, природы рабочего тела, количества подводимой теплоты и способа ее подвода.

Основными циклами ДВС являются: цикл Отто (рис. 1), цикл Дизеля (рис. 2) и цикл Тринклера (рис. 3).

Параметрами цикла являются:

- степень сжатия рабочего тела (рис. 1,2,3);

- степень повышения давления (рис. 1,3);

(рис. 2) и (рис. 3) – степень предварительного расширения.

Важнейшими показателями работы ДВС, зависящими от параметров цикла и природы рабочего тела () являются:

- термический коэффициент полезного действия (КПД) (1), где q_отв - количество тепла, отведенное от рабочего тела и переданное холодному приемнику тепла; q_подв - количество тепла, подведенное к рабочему телу от горячего источника тепла;

- среднее цикловое давление, определяемое отношением работы цикла l_ц к рабочему объему цилиндра двигателя v_h (рис. 3) (2), где ; .

Задание на расчетно-графическую работу

Четырехкомпонентная газовая смесь совершает один из циклов ДВС (рис. 1,2,3) по преобразованию теплоты в механическую работу. Начальные параметры рабочего тела (состояние 1): Р₁ = 0,1 МПа, Т₁ = 300 К.

Исходные данные к расчету цикла ДВС.

Требуется выполнить

1) Провести расчет газовой смеси:

- определить массовый состав смеси;

- определить удельную газовую постоянную смеси R и ее кажущуюся молекулярную массу ;

- определить удельные массовые теплоемкости с_p и c_v и показатель адиабаты .

2) Провести расчет термодинамических процессов, составляющих цикл. Определить:

- параметры состояния газовой смеси (P,v,T) в характерных точках цикла;

- количество работы в каждом процессе;

- суммарное количество работы за цикл l_ц;

- количество теплоты в каждом процессе;

- суммарное количество теплоты, подведенное в цикле q_подв;

- суммарное количество теплоты, отведенное в цикле q_отв;

- термический кпд цикла η_t и кпд цикла Карно (η_к) в интервале температур цикла;

- среднее цикловое давление P_t.

3) Определить характер зависимости η_t и P_t от степени сжатия ε.

4) Определить характер зависимости η_t и P_t от тепловой нагрузки цикла (от количества подведенной теплоты в цикле q_подв).

5) Построить цикл в vP и sT координатах.

Пояснения к расчетам

1. В качестве рабочего тела в ДВС используется четырехкомпонентная смесь идеальных газов, подчиняющаяся уравнению Клапейрона-Менделеева

P·v = R·T (3) (для 1кг газа) или P·V = m·R·T (для m кг газа),

где – удельная газовая постоянная смеси, Дж/кг·град; m – «кажущаяся» молекулярная масса смеси, кг/кмоль.

Численные значения R и m находят через массовый (или объемный) состав смеси. В нашем случае: , Дж/кг·град; где - массовая доля i-го компонента; , кг – масса смеси; , Дж/кг·град – удельная газовая постоянная i-го компонента; , где - объемная доля i-го компонента.ё

Считая удельные массовые теплоемкости газовой смеси с_р и с_v независящими от температуры, расчет их проводим через массовый состав смеси и теплоемкости составляющих компонентов с_pi и с_vi с учетом их степеней свободы N_i: ,

где – N_i =3 для одноатомных газов; N_i =5 для двухатомных газов (в том числе для воздуха); N_i =6 для трехатомных газов.

Для смеси газов , кДж/кг·град; , кДж/кг·град (по уравнению Р. Майера).

2. Параметры состояния P,v,T для смеси в характерных точках цикла находятся через параметры цикла (согласно варианта) и уравнение состояния (3). Результаты расчетов представить в таблице

­ количество работы в процессах цикла определяется по соотношению , Дж/кг с учетом уравнения процесса;

­ количество теплоты в процессах цикла определяется по соотношению .

При (не зависит от температуры, но является функцией процесса) , Дж/кг;

­ термический к.п.д. цикла и цикловое давление находятся, соответственно, по формулам (1) и (2);

­ к.п.д. цикла Карно в интервале температур цикла находится по соотношению .

3. Для определения характера зависимости термического коэффициента полезного действия и среднего циклового давления цикла от степени сжатия необходимо преобразовать формулы (1) и (2), выразив и через параметры цикла. После преобразований получим: для цикла Отто () (4), (5);

для цикла Дизеля () (6), (7);

для смешанного цикла () (8),

(9).

Результаты зависимостей и представить таблично и графически. Сделать выводы.

4. Тепловую нагрузку в цикле Отто отражает параметр , а в циклах Дизеля и Тринклера – параметр .

Так как в реальных двигателях процесс расширения сопровождается теплоподводом, то его нельзя считать адиабатным. При расчете термического к.п.д. и циклового давления этот процесс рассматривается политропным с показателем политропы .

Обозначим термический к.п.д. и среднее цикловое давление в цикле с политропным расширением рабочего тела, соответственно, и . Тогда:

а) для цикла с изохорным и политропным подводом тепла (рис.4)

(10),

(11).

Для сравнения полученных результатов с показателями цикла Отто по формулам (4) и (5), осуществленного с тем же количеством подведенной теплоты , уточнить численное значение степени повышения давления (12),

рассчитать (Отто) и (Отто) и сделать выводы.

б) для цикла с изобарным и политропным подводом тепла (рис.5)

(13),

(14).

Для сравнения полученных результатов с показателями цикла Дизеля по формулам (6) и (7), осуществленного с тем же количеством подведенной теплоты , уточнить численное значение степени предварительного расширения (15), рассчитать (Дизеля) и (Дизеля) и сделать выводы.

в) для цикла со смешанным и политропным подводом тепла (рис.6)

(16),

(17).

Для сравнения полученных результатов с показателями цикла Тринклера по формулам (8) и (9), осуществленного с тем же количеством подведенной теплоты , уточнить численное значение степени предварительного расширения (18),

рассчитать (Тринклера) и (Тринклера) и сделать выводы.

5. Построение циклов в и диаграммах провести на миллиметровой бумаге (либо MS EXCEL) с расчетом и указанием на графиках промежуточных точек в каждом процессе.

При построении цикла в диаграмме рекомендуется значение энтропии в состоянии 1 условно принять равным 0 (). Тогда состояние 2 на диаграмме находится по значению температуры и величине (с учетом знака изменения энтропии). Расчет промежуточных точек для построения процесса производится по произвольно выбранной температуре в интервале и изменению энтропии . Аналогично строятся остальные точки и процессы.

Литература:

1. Теплотехника. Учебник для вузов, под редакцией д.т.н. А.М.Архарова, д.т.н. В.Н.Афанасьева. М., изд. МГТУ им. Баумана, 2004 г. - 711 с.

2. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П.Баскаков, Б.В.Берг, О.К.Витт и др.; под ред. А.П.Баскакова - М.: Энергоиздат, 1982 - 264 с: ил.

3. Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Учебное пособие для студентов неэнергетических специальностей втузов. Изд. 2-е, перераб. и доп.Л.,«Машиностроение»,1973. - 304 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания, В 3 кн. Кн. 1 Теория рабочих процессов: Учеб./ Луканин В.М., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др.; под ред. В.Н.Луканина - М.: Высшая школа, 1995. - 368 с: ил.

5. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей, Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др.; под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 372с: ил.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Поиск по сайту: