Расчет циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Исходные данные для расчета могут задаваться раз­лично, но в каноническом варианте определяются:

- характеристики рабочего тела — R. к;

- параметры рабочего тела в начальной точке —p1,T1

- степень сжатия рабочего тела

(15.1)

определяющая окончание процесса адиабатного сжа­тия 1-2, рис. 15.7...15.9;

- степень повышения давления в процессе изохорного подвода теплоты

(15.2)

- степень представительного расширения в процессе изобарного подвода теплоты

ρ = ^V3/^V2- (15-3)

В результате расчета необходимо определить пара­метры рабочего тела в характерных точках цикла, ра­боту цикла, подводимое и отводимое количества теп­лоты, термический КПД.

Расчет цикла Тринклера (рис. 15.9). (Отто почти как и Тринклера, только выкидываем точку А, тоесть нет изобары A-3)

Точка 1. С помощью уравнения состояния идеально­го газа (6.2) определяется удельный объем рабочего тела

V1 =RT1/P1 (15.4)

 

Точка 2. Степень сжатия (15.1) позволяет найти удельный объем

 

v₂=_Vi/ε. (15.5)

 

Используя уравнения адиабаты (8.20), (8.22), совме­стно с (15.1) находим:

 

Р2 = P1ε^k (15.6)

 

T2 = T1ε^k-1 (15.7)

 

Точка А. Очевидно, для изохоры

^va^=v2= ^v1/ε (15.8)

 

Из уравнения изохоры (8.4) и соотношений (15.2) и (15.7), определяем:

 

Ра = Рз= P₂λ=P₁ε^kλ (15.9)

 

Tа = T₂λ=T₁ε^k-1λ (15.10)

 

Точка 3. Для изобары

 

Р3 = РА=Р₁ε^kλ (15.11)

 

Удельный объем определяется на основании (15.3),(15.8);

 

^V3=V_Aρ ^{= V}₁ρ/ε (15.12)

 

Используя уравнение изобары (8.8) и соотношение (15.10), будем иметь

 

T₃, = T_Aρ = T₁ε^k-1λρ. (15.13)

 

Точка 4. Из изохорного процесса отвода теплоты 4—1 следует v₄ = v₁. Это позволяет уравнение адиабат­ного процесса 3-4 переписать в виде

На основании последнего равенства и уравнения изохоры (8.4) определяем

 

Т₄=Т₁ P4/P1= Т₁ λρ^К. (15.15)

 

Теперь, когда рассчитаны параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла, находим энергети­ческие характеристики процессов, составляющих цикл.

Количество тепла, подводимого к рабочему телу в изохорном процессе 2-А, рассчитывается с помо­щью (8.6)

 

Работа цикла

 

L_ц = q₁-q₂

Термический КПД

η_{t = 1-} q_2/ q₁

КПД Преобразуется для Отто к виду:

 

η_{t = 1-} 1/ ε^(k-1)

Среднее индикаторное давление —условное по­стоянное давление, под действием которого за один рабочий ход поршня совершается работа, равная ра­боте цикла. Поскольку работа цикла соответствует пло­щади индикаторной диаграммы двигателя, название высоты равновеликого прямоугольника с той же вели­чиной основания получило название среднего индика­торного давления р.. Его величина, согласно определе­нию, равна отношению работы цикла к объему, описы­ваемому поршнем:

 

 

22. Двигатели с газообразным рабочим телом. Общие сведения. Поршневые ДВС и их механические циклы. Идеальный цикл Дизеля: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

Двигатель внутреннего сгорания — тепловая ма­шина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осу­ществляется за счет сжигания топлива внутри са­мого двигателя. В действительных двигателях внут­реннего сгорания совершается открытый процесс (разомкнутый цикл). Газообразные продукты сгора­ния после расширения (совершения работы) удаляют­ся из двигателя, а на их место поступает свежая порция горючей смеси. В двигателях внутреннего сго­рания рабочим телом являются воздух или смесь возду­ха с легко воспламеняемым горючим (в начале цикла) и газообразные продукты сгорания этого топлива на ос­тальных участках цикла.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания истори­чески явились первыми ДВС, и за истекшие 100 лет их конструкция оказалась наиболее доработанной. Все мно­гообразие поршневых двигателей внутреннего сгорания можно разбить на три тина: карбюраторные с изохорным сгоранием топлива, дизельные с изобарным сго­ранием и двигатели со смешанным сгоранием, когда часть топлива сгорает в изохорном процессе, часть же — в изобарном. Особенности работы поршневых ДВС удобно рассматривать с помощью индикаторной диаграммы, где отображается его механический цикл.

Описанный механический цикл называется четырехтак­тным, поскольку содержит четыре основных такта (всасы­вание, сжатие, рабочий ход, удаление газов), совершаемых за два оборота коленчатого вала. Лишь в течение рабочего хода, т.е. в течение одного такта, совершается работа.

 

На рис. 15.5 представлены принципиальная схема и индикаторная диаграмма двигателя с изобарным сго­ранием, авторам которого является немецкий инже­нер Рудольф Дизель.

 

Дизеля является четырехтактным. Отличие от карбю­раторного в том, что:

- в первых двух тактах всасывается и сжимается чистый воздух;

- топливо подается в цилиндр в начале третьего так­та с помощью топливного насоса высокого давления и форсунки. Последняя, за счет большой энергии сжато­го топлива, обеспечивает его мелкодисперсное распы­ление, что способствует более полному сгоранию;

- воспламенение топлива осуществляется за счет высокой температуры сжатого воздуха;

-горение происходит при движении поршня к НМТ при практически постоянном давлении в цилиндре в про­цессе 3-4. С прекращением подачи топлива заканчивает­ся реакция окисления его и выделения теплоты, но пор­шень продолжает (3-4) движение к НМТ. На участках цикла 3-4 и 4-5 рабочим телом совершается работа.

По достижении НМТ открывается впускной клапан, и процессы повторяют их течение в предыдущем двигателе.

 

15.2.2. РАСЧЕТ ЦИКЛОВ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Исходные данные для расчета могут задаваться различно, но в каноническом1 варианте определяются:

- характеристики рабочего тела — R. к;

- параметры рабочего тела в начальной точке —P₁, Т₁

- степень сжатия рабочего тела

e = v₁/v₂ (15.1)

определяющая окончание процесса адиабатного сжатия 1-2, рис. 15.7...15.9;

- - степень представительного расширения в процессе изобарного подвода теплоты

- p=v₃/v₂. (15.3)

- В результате расчета необходимо определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, работу цикла, подводимое и отводимое количества теплоты, термический КПД.

Точка1
с помощью уравнения состояния идеального газа определяем удельный объём

Точка2 Степень сжатия позволяет найти удельный объём

Используя уравнения адиабаты находим

Точка 3

Точка 4

Подводимая теплота

Отводимая теплота

КПД

Среднее индикаторное давление —условное постоянное давление, под действием которого за один рабочий ход поршня совершается работа, равная работе цикла. Поскольку работа цикла соответствует площади индикаторной диаграммы двигателя, название высоты равновеликого прямоугольника с той же величиной основания получило название среднего индикаторного давления р.. Его величина, согласно определению, равна отношению работы цикла к объему, описываемому поршнем. Очевидно, что чем больше среднее индикаторное давление цикла P_i тем больше мощность двигателя при прочих равных условиях: числе оборотов и размерах двигателя. Иначе, чем больше P_i, тем больше отношение мощности двигателя к его массе, получившее название Нельмой мощности двигателя — важной характеристики любого двигателя.

23 Двигатели с газообразным рабочим телом. Общие сведения. Идеальный цикл Тринклера: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

Тепловые двигатели имеют разнообразное деление по тем или иным признакам. Прежде всего их различают в зависимости от состояния рабочего тела. По этому признаку делят поршневые и газовые. В паросиловых двигателях рабочее тело испытывает фазовые переходы: из ж-ти в пар и наоборот, в газообразных – вс всех точках цикла рабочее тело находится в газообразном состоянии, более того это состояние можно считать идеально газовым. В с вою очередь двигатели с газообразным рабочим телом могут иметь внешнее и внутреннее сгорание. Внешнее сгорание используется при необходимости работы с твердым топливом, ядерным топливом. В этом случае тепловая энергия рабочему телу подводится извне через теплопередающую стенку- это газотрубные установки. Поршневые двигатели с внешним подводом теплоты называются двигателями Стирлинга. Наиболее широко распространены ДВС которые в свою очередь могут быть поршневыми, газотурбинными, реактивными. Их объединяет то, что топливо горит внутри тракта, в итоге получаются газообразные продукты сгорания, которые совершают работу и выбрасываются в ОС. Они представляют нециклические установки с установившимся потоком, имеющие разомкнутую схему. Изучение работы этих двигателей основано на экспериментальных данных. Описание физико-химических, газодинамических, термодинамических процессов представляет непростую задачу. На начальном этапе эти сложные установки нужно идеализировать, это позволяет провести анализ методами технич. Термодинамики, а затем усложняя перейти к реальным. Эти двигатели применяются на транспорте, в ракетах. Важную п\роль сегодня они играют в энергетике.
Для упрщения будем считать:

1. Количество рабочего тела неизменно в процессах

2. Состав раб. тела постоянен.

3. Процесс сгорания заменяется подводом тепловой энергии к рабочему телу от некоторого горячего источника, удаление прод. сгор. заменяется отводом теплоты к холодному источнику.

4. Рабочее тело-идеальный газ

5. Теплоемкость раб. тела не зависит от температуры

6. Сжатие и расширение раб. тела –адиабатное

Агализ циклов ДВС включает: построение циклов, расчет параметров в характерных точках, нахождение абсолютных(q₁,q₂, работа цикла, относит КПД, удельные затраты) и относительных характеристик, анализ влияния основных факторов на указанные величины и определение мощности.

 

Идеальный цикл Тринклера: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

Исходные данные: p₁, T₁
k, R, ε=v₁/v₂

λ=p_A/p₂= p₃/p₂

ρ= v₃/v_{A =} v₃/v₂

Расчет: т. 1 v₁=RT₁/p₁

т. 2 v₂= v₁/ ε, p₂=p₁ ε^k, T₂=T₁ ε^k-1

т. A v_A= v₂₌ v₁/ ε, p_A=p₃=p₁ λ ε^k, T_A=T₁ λ ε^k-1

т. 3 p₃= p₁ λ ε^k, v₃= v₁ ρ/ ε, T₃=T₁ λ ρ ε^k-1

т. 4 v_{4 =} v_1, p₄=p₃(v₃/v₁)^k= p₁ λ ε^k(ρ / ε)^k= p₁ λ ρ ^k, T₄ = T₁ λ ρ ^k

энергетические характеристики цикла:

q₂=c_v(T₄-T₁)=RT₁/k-1(λ ρ ^k-1)

q₁=q₁^(v)+q₁^(p)

q₁^(v)=c_v(T_A-T₂)=(RT₁/k-1) ε^k-1(λ-1)

q₁^(p)= c_p(T₃-T_A)= (k/k-1) RT₁ λ ε^k-1(ρ -1)

q₁=(RT₁/k-1) ε^k-1[(λ-1)+k λ(ρ -1)]

η_t=1-q₂/q₁=1-((λ ρ^k-1)/(ε^k-1[(λ-1)+ k λ(ρ -1)]))

термический КПД поршневых двигателей зависит от свойств рабочего тела(k и R) и зависит от степени сжатия ε. Чем больше ε, тем выше КПД.

l_ц=q1-q2=(p₁v₁/k-1)*{ ε^k-1[(λ-1)+ k λ(ρ -1)]- (λ ρ^k -1)}

среднее индикаторное давоение:

p_i=l_ц/(v₁-v₂)