![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания
Исследование этих циклов занимает в теории двигателей важное место, что объясняется простотой их расчетов, наглядностью изображения в р-v - координатах и достаточной близостью их процессов к процессам действительных циклов. При рассмотрении термодинамических циклов поршневых двигателей делаются следующие допущения: 1. Масса рабочего тела одинаковая во всех процессах. 2. Теплоемкость рабочего тела (газа) на протяжении всего цикла принимается постоянной, не зависящей от температуры и состава смеси газов. 3. Процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника. 4. Процесс выпуска отработавших газов заменен мгновенным изохорным отводом теплоты в холодный источник при постоянном объеме. 5. Процессы сжатия и расширения рабочего тела считают адиабатными. 6. Рабочим телом является идеальный газ. 7. Процессы подвода и отвода теплоты начинаются при достижении поршня в.м.т. и н.м.т. соответственно. Существующие теоретические циклы д.в.с. различаются между собой по характеру процессов подвода теплоты и отдачи ее холодному источнику. Рассмотрим основные теоретические циклы: 1. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания). 2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. 3. Цикл с подводом части теплоты при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении. Такой цикл называется смешанным. Отвод теплоты у этих циклов осуществляется при постоянном объеме. Термодинамический расчёт любого теплового двигателя включает в себя: а) вычисление параметров рабочего тела в характерных точках цикла pk, Tk, vk; б) вычисление удельных количеств подведенной q 1 и отведенной q 2 телоты в цикле и работы l 0 цикла; в) вычисление термического КПД цикла h t; г) вычисление расхода рабочего тела по заданной мощности N; д) вычисление расхода топлива по заданной теплотворной способности топлива Q нр; е) графическое изображение цикла в термодинамических диаграмме р-v. Здесь под характерными точками цикла понимаются моменты начала и конца отдельных процессов изменения состояния рабочего тела в цикле. Обычно при термодинамическом расчёте теплового двигателя считаются заданными параметры атмосферного воздуха, мощность двигателя, максимальные параметры рабочего тела, некоторые конструктивные характеристики, о которых речь будет идти ниже. Точный термодинамический расчёт процессов изменения состояния рабочего тела в цикле и вычисление количеств теплоты и работы в цикле, строго говоря, не представляются возможными, так как эти процессы в самом общем случае сложны, необратимы, сопровождаются изменением химического состава и требуют привлечения методов химической термодинамики, неравновесной термодинамики, аэродинамики и т.д. Тем не менее, во многих случаях с достаточной для практики точностью термодинамический расчёт тепловых двигателей в первом приближении может быть проведён достаточно просто с использованием ниже перечисленных допущений, справедливость которых оправдывается приемлемой сходимостью расчётных величин с экспериментально наблюдаемыми. Теоретический цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)
Это цикл четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием Для двигателя, работающего по циклу Отто, допущения следующие: а) процессы всасывания и выталкивания (см. рисунок) считаются изобарными с давлением, равным атмосферному, т.е. пренебрегается гидравлическими сопротивлениями всасывающего и выхлопного трактов; б) процессы сжатия и рабочего хода (расширения) считаются обратимыми адиабатическими;
Таким образом, идеальный термодинамический цикл Отто состоит (см. рисунок) из адиабатного процесса сжатия: 1®2, изохорного ввода теплоты Q 1: 1®3, адиабатического расширения газов: 3®4 и изохорического отвода теплоты Q 2: 4®1. Цикл характеризуется степенью сжатия ε = V 2/ V 1 и степенью повышения давления λ = р3/р2.
Количество подведенной теплоты в процессе 2-3 определяется
Q 1 = c v M (T 3 - T 2),
а отведенная теплота в процессе 4-1
Q 2 = c v M (T 3 – T 2). Тогда
Выразим Т 2, Т 3, Т 4 через Т 1, ε и λ. Для адиабатного процесса 1-2
Из уравнения изохорного процесса 2-3 Используя уравнение адиабатного процесса 3-4, получим Для расчета параметров рабочего тела в характерных точках цикла Отто удобно использовать таблицу
Подставляя найденные значения температур в уравнение (а), получаем
Из уравнения следует, что термический КПД цикла с подводом тепла при V = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты. С ростом ε и k η t увеличивается. В таблице приведены величины термического КПД цикла при различных значениях ε и k.
Для бензиновых двигателей степень сжатия ограничивается опасностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси и определяется в основном октановым числом. Ориентировочные значения степени сжатия для двигателей с искровым зажиганием в зависимости от октанового числа бензина даны в табл.ниже.
Для упрощения расчётов и углубления понимания физики протекающих в двигателе процессов вводят понятие так называемого среднего давления цикла р 0 Среднее давление цикла определяется по формуле:
р 0= L 0/ Vh. Очевидно, что произведение среднего индикаторного давления и рабочего объёма цилиндра двигателя, т.е. объёма, «обметаемого» поршнем в цилиндре, будет представлять собой работу цикла. Работа в данном цикле совершается лишь в адиабатических процессах: 1®2- сжатие (работа L 1®2) и 3®4 -расширение (работа L 3®4 ). Поэтому L 0= L 3®4 + L 1®2. Величины работ выразятся уравнением:
После подстановок и преобразований получим следующее расчетное уравнение
Теоретический цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл Дизеля
В двигателе, работающем по циклу Дизеля, в цилиндр поступает, а затем сжимается не горючая смесь, а чистый воздух, что позволяет значительно повысить степень сжатия без опасности самовоспламенения.
Дальнейшее расширение продуктов сгорания происходит по адиабате 3®4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выпускной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4®1), и затем продукты сгорания выталкивается из цилиндра в атмосферу. Характеристиками цикла являются степень сжатия ε = V 2/ V 1 и степень предварительного расширения ρ = V 3/ V 2.
Определим термический КПД цикла. Количество изобарно подведенной теплоты будет
Q 1 = c р М (T 3 - T 2),
а количество отведенной теплоты равно
q 2 = сv М (T 4 – T 1),
Подставим значения Q 1 и q 2 в формулу для η t, получим
Выразим T2, T3 и T4 через Т1, ε и ρ. Из уравнения адиабаты 1-2
Для изобары 2-3
Из уравнения адиабаты 3-4
или
Расчёт параметров рабочего тела в характерных точках цикла дизельного двигателя приведен в таблице
Подставляя полученные значения температур в уравнение для термического КПД цикла, получаем
Из уравнения следует, что η t = f(ρ, ε, k). С увеличением ε и k, η t увеличивается, а с увеличением ρ - уменьшается. Величины термического КПД цикла при различных значениях ε и ρ, при k = 1, 35 приведены в таблице. Здесь же приводятся значения температур, достигаемых в конце процесса сжатия, величина которых объясняет процесс самовоспламенения топлива.
Среднее давление цикла найдем, определив все работы цикла: работу изобарического расширения L 2®3 = (М/ m) R (Т 3 - Т 2); работу адиабатического расширения L 3®4 = (М /μ)(k - 1)-1 R (Т 3 - Т 4); работу адиабатического сжатия L 1®2 = (М /μ)(k - 1)-1 R (Т 2 - Т 1). Полная работа цикла определится алгебраической суммой L 0 = L 2®3 + L 3®4 + L 2®1. После подстановки в эту сумму слагаемых и преобразований получим вначале:
Затем, определяем среднее давление цикла (р 0 = L0 / Vh). Для этого выражаем величину Vh через V 1: Vh = V 1 (1 - 1/e), а затем вводим р 1 = (М /μ) RТ 1 V 1-1. В итоге получим выражение:
|