Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

для обучающихся по направлению подготовки бакалавров

23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Челябинск

2017

Методические указания предназначены для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине «Силовые агрегаты» составлены в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации и приказа Министерства образования и науки Российской Федерации от 19.12.2013 г. № 1367 «Об утверждении Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по образовательным программам высшего образования - программам бакалавриата, программам специалитета, программам магистратуры», Положения об организации самостоятельной работы обучающихся ФГБОУ ВО Южно-Уральского ГАУ (ЮУрГАУ-П-02-39/01-16), а также рабочей программы дисциплины. Методические указания предназначены для обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» по профилю «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования»

 

 

Составители:

кандидат технических наук, ассистент кафедры ЭиАТП            О.А Гусева

 

ассистент кафедры ЭиАТП                                                     О.С Волкова

 

 

Самостоятельная работа выполняется по вариантам, соответствующим порядковому номеру студента в журнале, либо выдается индивидуально преподавателем.

Работа выполняется на листах формата А4 с соблюдением стандарта предприятия либо в печатном, либо в письменном виде.

С основными циклами двигателей внутреннего сгорания обучающиеся ознакомились в курсе «Теплотехника», в которой подробно был рассмотрен цикл с комбинированным (смешанным) подводом теплоты. В курсе «Силовые агрегаты» студенты расширяют свои знания о термодинамических циклах ДВС. 

Работа включает в себя три задачи на решение идеальных циклов двигателя внутреннего сгорания: со смешанным подводом теплоты (с построением цикла в масштабе на «миллиметровке»), с подводом теплоты при постоянном давлении, с подводом теплоты при постоянном объеме. Перед решением данных задач студент должен изучить указанные темы.

Задача №1

Задача №2

Задача №3

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

для обучающихся по направлению подготовки бакалавров

23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Челябинск

2017

Методические указания предназначены для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине «Силовые агрегаты» составлены в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации и приказа Министерства образования и науки Российской Федерации от 19.12.2013 г. № 1367 «Об утверждении Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по образовательным программам высшего образования - программам бакалавриата, программам специалитета, программам магистратуры», Положения об организации самостоятельной работы обучающихся ФГБОУ ВО Южно-Уральского ГАУ (ЮУрГАУ-П-02-39/01-16), а также рабочей программы дисциплины. Методические указания предназначены для обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» по профилю «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования»

 

 

Составители:

кандидат технических наук, ассистент кафедры ЭиАТП            О.А Гусева

 

ассистент кафедры ЭиАТП                                                     О.С Волкова

 

 

Самостоятельная работа выполняется по вариантам, соответствующим порядковому номеру студента в журнале, либо выдается индивидуально преподавателем.

Работа выполняется на листах формата А4 с соблюдением стандарта предприятия либо в печатном, либо в письменном виде.

С основными циклами двигателей внутреннего сгорания обучающиеся ознакомились в курсе «Теплотехника», в которой подробно был рассмотрен цикл с комбинированным (смешанным) подводом теплоты. В курсе «Силовые агрегаты» студенты расширяют свои знания о термодинамических циклах ДВС. 

Работа включает в себя три задачи на решение идеальных циклов двигателя внутреннего сгорания: со смешанным подводом теплоты (с построением цикла в масштабе на «миллиметровке»), с подводом теплоты при постоянном давлении, с подводом теплоты при постоянном объеме. Перед решением данных задач студент должен изучить указанные темы.

Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания

 

Основные термодинамические циклы ДВС делятся на:

· со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении (цикл Сабатэ) – отражает процессдизеля без компрессора,который наиболее близок к реальным условиям сгорания топлива;

· с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) – отражает процесс тихоходного дизеля;

· с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл отто) – отражает процесс двигателя быстрого сгорания (карбюраторного и газового).

Цикл со смешанным (комбинированным) подводом теплоты (рисунок 1).

смешанный цикл, в котором подвод теплоты осуществляется частично при v = const, а частично при р = const был предложен советским инженером Г.В. Тринклером. Работающие по этому циклу двигатели называются без компрессорными дизелями. в настоящее время дизели строятся только с комбинированным подводом тепла.

По этой схеме цикла ДВС работают с внутренним смесеобразованиеми воспламенением рабочей смеси.

 

Рисунок 1– Смешанный цикл ДВС в pv и Ts координатах

 

В этом виде цикла (рисунок 1) в процессе 1-2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела, после чего подводится теплота сначала при v =const (линия 2-3), а затем при р = const (линия 3-4). Далее происходит адиабатное расширение (линия 4-5) и, наконец, отвод теплоты при v =const (линия 5-1).

Процессы всасывания (линия 0-1) и выхлопа (линия 1-0) в термодинамике не рассматриваются, так как это механические процессы.

Характеристики цикла:

· степеньсжатия                     ;                                                 (1)

· степеньповышениядавления при сгорании топлива

  ;                                                (2)

· степень предварительного расширенияпри р = const

  .                                       (3)

Термический кпд цикла (см. прямой цикл Карно – )

;                                              (4)

    и ;        (5)

термический КПД:   , если поделить числитель и знаменатель на на с_v, то получим:

.                    (6)

Выразим T₂, T₃, T₄, T₅ через T₁.

Рассмотрим процессы.

1-2 – процесс адиабатического сжатия:

T₂ = T₁ε ^{k – 1}.                                              (7)

2-3 – процесс нагрева при ν = const:

;

T₃ = T₂λ;

 T₃ =T₁ε ^{k – 1}λ.                                                    (8)

3-4 – процесс нагрева при р= const:

;

T₄ = T₃ρ;

T₄ = T₁ε ^{k – 1}λρ;                                          (9)

4-5 – процесс адиабатического расширения: ,

v₅ = v₁, а v₄ = rv₂, тогда .

.                                (10)

Подставив в формулу (6) t₂,t₃,t₄, T₅ через t₁ из формул (7), (8), (9), (10) получим:

.                               (11)

 

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

в таких двигателях топливо распыляется сжатым воздухом.

если сжимать один воздух, а топливо вводить в цилиндр после сжатия, то степень сжатия может быть значительно большей. Такая схема применяется в дизель-моторах, и была предложена инженером Дизелем в 1897 г.

в цикле с подводом тепла при р = constпервоначальное состояние рабочего тела в pv-координатах характеризуется точкой 1 (рисунок 2).

 

Рисунок 2 – Цикл ДВС в pv и Ts- координатах с подводом тепла при р = const

 

В течение первого хода справа налево совершается сжатие воздуха, которое происходит без теплообмена с внешней средой (линия 1-2). На участке 2-3 к рабочему телу подводится тепло q₁ таким образом, что давление при этом остается постоянным (так как увеличивается объем), что приближенно соответствует реальным условиям сгорания трудно сгораемого топлива.

Дальнейшее расширение рабочего тела (линия 3-4) происходит без теплообмена с внешней средой (по адиабате). Для приведения рабочего тела в первоначальное состояние 1, от него отводится тепло q₂ при v =const (линия 4-1).

Теоретический цикл – (1-2-3-4).процессами 0-1(процесс всасывания) и 1- 0  (процесс выхлопа) – пренебрегают, считая, что в цилиндре  находится

постоянное количество газа (механические процессы).

В рассматриваемом цикле степеньповышениядавления при сгорании топлива .

Основные величины этого цикла:

· степень сжатия ;

· степень изобарного(предварительного) расширения

                                               (12)

Тогда подставив в уравнение (173) λ = 1 в η_t цикла с комбинированным подводом теплоты получим:

.                            (13)

 

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

Это двигатели с внешним смесеобразованием (бензиновые и газовые).

Цикл с подводом тепла при v = const начинается от состояния рабочего тела в pv и Ts-координатах (рисунок 3), характеризующего точкой 1.

Рисунок 3 – изображение цикла в pν и Ts диаграммах при v = const

 

Сжатие рабочего тела происходит при движении поршня справа налево (сверху вниз) до точки 2 этот процесс происходит без теплообмена с внешней средой, то есть по адиабате. Затем осуществляется подвод теплоты при постоянном объеме – по изохоре 2-3, что приближенно соответствует условию подвода тепла при сгорании горючей смеси в реальных двигателях, использующих легкоиспаряющеесятопливо.

От состояния, характеризуемое точкой 3, начинется процесс расширения рабочего тела при отсутствии теплообмена с окружающей средой, то есть по адиабате 3-4. Поршень при этом придет в первоначальное положение. Для того, чтобы рабочее тело пришло в первоначальное состояние, от него отводится теплота (процесс 4-1).

Процессы всасывания и выхлопа в термодинамическое не рассматриваются по тем же соображениям, что и в цикле Дизеля

В рассматриваемом цикле степень предварительного расширенияпри сгорании топлива .

Основные величины этого цикла:

· степень сжатия               ;

· степень повышения давления при сгорании топлива

  ().                                                   (14)

Тогда подставив в уравнение (176) r = 1 получим:

.

.                                    (15)

Выводы:

· термический КПД двигателя Отто не зависит от нагрузки, так как в формулу (15) не входит степень повышения давления «λ» при сгорании топлива;

· с увеличением степени сжатия «ε» теплота в цикле Отто используется более совершененно, но в двигателях быстрого сгорания этому увеличению есть предел – температура самовоспламенения горючего, так как может случиться преждевременная вспышка.

· термический КПД двигателя Дизеля зависит от степенипредварительного расширения ρ и с увеличением r уменьшается экономичность цикла;

· с увеличением степени сжатия ε увеличивается термический КПД цикла Дизеля.

При одинаковых степенях сжатия цикл Отто – экономичнее цикла Дизеля, так как ; , причем при обычных значениях ρ и k: > 1 и, следовательно, η_{t Отто} > η_{t Дизель}, так как в цикле Дизеля принимаются более высокие степени сжатия.

Сравнивая все три вида циклов при одинаковой степени сжатия                  (ε_v = ε_vp = ε_p) их термодинамические КПД находятся в следующем соотношении: η_tv > η_tvp > η_tp. Однако, учитывая то обстоятельство, что все виды циклов в реальных двигателях работают при разных степенях сжатия                                           (ε_v = 6…10; ε_vp = 14…16), то сравнивать термодинамические КПД следует не при одинаковых степенях сжатия ε, а при одинаковых условиях их осуществления, то есть при одинаковых максимальных давлениях и температурах. В этих условиях η_{t р} > η_{t vp} > η_{t v}.

 

Задача №1