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 qотв - количество тепла, отведенное от рабочего тела и переданное холодному приемнику тепла; qподв - количество тепла, подведенное к рабочему телу от горячего источника тепла;
- среднее цикловое давление, определяемое отношением работы цикла lц к рабочему объему цилиндра двигателя vh (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.
№ п/п | Тип двигателя | Состав смеси | ε | λ | ρ | n | ||||||||
Формула (наименование) компонента и его масса, кг | ||||||||||||||
Карбюраторный(V = const) | Воздух | 5,0 | N2 | 2,0 | O2 | 2,0 | H2O | 1,0 | 1,86 | - | 1,26 | |||
- " - | Воздух | 4,0 | O2 | 2,0 | N2 | 3,0 | CO | 1,0 | 1,73 | - | 1,27 | |||
- " - | Воздух | 3,0 | CO2 | 5,0 | H2O | 0,5 | N2 | 0,5 | 1,74 | - | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 2,0 | N2 | 5,0 | CO | 1,0 | CO2 | 1,0 | 1,70 | - | 1,30 | |||
- " - | Воздух | 1,5 | N2 | 4,0 | CO2 | 3,5 | H2O | 1,0 | 1,83 | - | 1,22 | |||
- " - | Воздух | 3,5 | O2 | 2,0 | N2 | 3,5 | CO | 1,0 | 1,61 | - | 1,25 | |||
- " - | Воздух | 2,5 | CO2 | 5,0 | CO | 1,0 | H2O | 1,5 | 1,81 | - | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 5,0 | O2 | 1,5 | N2 | 2,5 | H2O | 3,0 | 1,99 | - | 1,21 | |||
- " - | Воздух | 4,0 | CO | 2,0 | CO2 | 1,0 | H2O | 4,0 | 1,71 | - | 1,25 | |||
- " - | Воздух | 3,0 | N2 | 2,5 | CO | 1,5 | CO2 | 1,5 | 1,70 | - | 1,26 | |||
- " - | Воздух | 2,0 | H2O | 4,0 | O2 | 2,5 | N2 | 3,0 | 2,15 | - | 1,23 | |||
- " - | Воздух | 1,0 | CO | 1,0 | CO2 | 4,0 | H2O | 3,0 | 1,82 | - | 1,29 | |||
- " - | Воздух | 1,5 | O2 | 2,0 | N2 | 3,0 | CO | 4,0 | 2,06 | - | 1,22 | |||
- " - | Воздух | 1,1 | CO2 | 2,4 | H2O | 2,9 | O2 | 3,8 | 1,80 | - | 1,22 | |||
- " - | Воздух | 3,0 | N2 | 1,8 | CO | 1,9 | H2O | 1,0 | 1,93 | - | 1,26 | |||
- " - | Воздух | 4,6 | CO | 3,6 | N2 | 4,1 | CO2 | 3,5 | 2,20 | - | 1,25 | |||
- " - | Воздух | 4,1 | H2O | 2,9 | N2 | 0,6 | O2 | 3,4 | 1,74 | - | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 3,9 | O2 | 1,2 | H2O | 4,7 | CO | 0,9 | 1,73 | - | 1,20 | |||
- " - | Воздух | 2,1 | O2 | 3,0 | CO | 1,6 | H2O | 3,8 | 1,69 | - | 1,30 | |||
Дизельный (P = const) | Воздух | 1,1 | CO | 0,6 | H2O | 4,1 | N2 | 4,5 | - | 1,54 | 1,28 | |||
- " - | Воздух | 4,7 | N2 | 1,8 | O2 | 3,2 | H2O | 4,3 | - | 1,59 | 1,27 | |||
- " - | Воздух | 0,5 | O2 | 2,3 | N2 | 3,3 | CO2 | 4,6 | - | 1,48 | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 3,9 | H2O | 0,7 | N2 | 5,0 | O2 | 1,0 | - | 1,51 | 1,27 | |||
- " - | Воздух | 0,7 | N2 | 3,9 | CO2 | 2,8 | H2O | 3,0 | - | 1,62 | 1,28 | |||
- " - | Воздух | 2,8 | N2 | 4,2 | CO2 | 2,6 | CO | 2,2 | - | 1,30 | 1,22 | |||
- " - | Воздух | 4,0 | H2O | 0,6 | O2 | 0,7 | N2 | 0,6 | - | 1,44 | 1,20 | |||
- " - | Воздух | 3,2 | CO2 | 3,3 | H2O | 0,7 | O2 | 4,6 | - | 1,25 | 1,20 | |||
- " - | Воздух | 3,0 | N2 | 1,9 | CO | 2,9 | H2O | 3,7 | - | 1,45 | 1,25 | |||
- " - | Воздух | 3,3 | O2 | 2,0 | H2O | 1,7 | N2 | 3,8 | - | 1,59 | 1,29 | |||
- " - | Воздух | 1,7 | N2 | 1,5 | O2 | 2,0 | CO | 3,5 | - | 1,19 | 1,30 | |||
- " - | Воздух | 1,6 | O2 | 1,3 | N2 | 3,2 | CO | 4,5 | - | 1,54 | 1,21 | |||
- " - | Воздух | 2,8 | O2 | 4,3 | CO2 | 4,7 | H2O | 1,6 | - | 1,64 | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 4,3 | H2O | 1,6 | N2 | 0,6 | CO2 | 1,6 | - | 1,49 | 1,27 | |||
- " - | Воздух | 2,3 | N2 | 3,9 | O2 | 3,4 | CO | 2,6 | - | 1,54 | 1,28 | |||
- " - | Воздух | 4,0 | CO2 | 3,3 | O2 | 4,9 | N2 | 2,9 | - | 1,52 | 1,30 | |||
- " - | Воздух | 1,2 | N2 | 1,9 | H2O | 1,5 | O2 | 3,6 | - | 1,56 | 1,25 | |||
- " - | Воздух | 3,5 | CO2 | 3,5 | N2 | 0,5 | H2O | 4,1 | - | 1,40 | 1,20 | |||
- " - | Воздух | 1,1 | CO2 | 2,0 | O2 | 2,8 | H2O | 1,9 | - | 1,30 | 1,23 | |||
- " - | Воздух | 2,6 | CO | 1,3 | H2O | 4,0 | N2 | 2,3 | - | 1,19 | 1,20 | |||
- " - | Воздух | 1,5 | CO | 3,5 | O2 | 3,3 | N2 | 4,3 | - | 1,28 | 1,21 | |||
Дизельный (смешанный) | Воздух | 3,0 | N2 | 3,8 | CO | 2,4 | H2O | 2,1 | 1,68 | 1,39 | 1,26 | |||
- " - | Воздух | 1,9 | CO2 | 1,4 | N2 | 2,5 | O2 | 4,2 | 1,65 | 1,53 | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 4,3 | CO | 3,2 | CO2 | 2,2 | H2O | 2,5 | 2,02 | 1,42 | 1,29 | |||
- " - | Воздух | 3,5 | O2 | 2,4 | N2 | 3,0 | CO | 3,8 | 1,93 | 1,27 | 1,28 | |||
- " - | Воздух | 4,2 | CO2 | 2,8 | H2O | 1,2 | CO | 3,7 | 1,83 | 1,43 | 1,28 | |||
- " - | Воздух | 5,0 | N2 | 2,9 | CO2 | 2,9 | H2O | 1,3 | 1,85 | 1,33 | 1,23 | |||
- " - | Воздух | 3,3 | CO2 | 3,9 | N2 | 4,4 | H2O | 3,9 | 2,08 | 1,64 | 1,28 | |||
- " - | Воздух | 2,2 | CO | 3,5 | CO2 | 4,0 | N2 | 0,6 | 1,78 | 1,30 | 1,20 | |||
- " - | Воздух | 3,4 | H2O | 0,7 | CO2 | 0,6 | N2 | 3,4 | 1,75 | 1,34 | 1,30 | |||
- " - | Воздух | 2,6 | H2O | 0,8 | CO2 | 2,3 | O2 | 3,3 | 2,17 | 1,60 | 1,21 | |||
- " - | Воздух | 4,9 | H2O | 0,5 | N2 | 1,3 | CO | 1,0 | 1,78 | 1,54 | 1,29 | |||
- " - | Воздух | 2,5 | H2O | 1,4 | N2 | 3,3 | O2 | 0,5 | 1,62 | 1,18 | 1,26 | |||
- " - | Воздух | 2,7 | O2 | 4,4 | H2O | 2,8 | N2 | 2,8 | 2,2 | 1,55 | 1,24 | |||
- " - | Воздух | 3,0 | CO | 0,6 | CO2 | 4,4 | H2O | 2,3 | 1,75 | 1,18 | 1,22 | |||
- " - | Воздух | 3,5 | H2O | 1,1 | CO | 2,2 | O2 | 0,8 | 1,92 | 1,39 | 1,26 | |||
- " - | Воздух | 4,0 | N2 | 4,3 | CO | 1,4 | H2O | 1,7 | 1,64 | 1,38 | 1,25 | |||
- " - | Воздух | 1,9 | H2O | 2,7 | CO | 1,8 | O2 | 4,4 | 2,04 | 1,59 | 1,27 | |||
- " - | Воздух | 2,0 | H2O | 3,7 | O2 | 1,4 | CO2 | 1,1 | 1,77 | 1,16 | 1,22 | |||
- " - | Воздух | 1,7 | N2 | 2,7 | CO | 0,8 | O2 | 4,9 | 1,63 | 1,29 | 1,29 | |||
- " - | Воздух | 2,6 | H2O | 2,0 | O2 | 2,0 | CO | 1,6 | 1,95 | 1,16 | 1,27 | |||
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 сp и cv 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 lц;
- количество теплоты в каждом процессе;
- суммарное количество теплоты, подведенное в цикле qподв;
- суммарное количество теплоты, отведенное в цикле qотв;
- термический кпд цикла ηt и кпд цикла Карно (ηк) в интервале температур цикла;
- среднее цикловое давление Pt.
3) Определить характер зависимости ηt и Pt от степени сжатия ε.
4) Определить характер зависимости ηt и Pt от тепловой нагрузки цикла (от количества подведенной теплоты в цикле qподв).
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 ср и сv независящими от температуры, расчет их проводим через массовый состав смеси и теплоемкости составляющих компонентов сpi и сvi с учетом их степеней свободы Ni: ,
где – Ni =3 для одноатомных газов; Ni =5 для двухатомных газов (в том числе для воздуха); Ni =6 для трехатомных газов.
Для смеси газов , кДж/кг·град; , кДж/кг·град (по уравнению Р. Майера).
Характерная точка цикла | Р, МПа | v, м3/кг | Т, К |
и т.д. |
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