Теоретические термодинамические циклы ДВС - Двигатели внутреннего сгорания
Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнить в реальных условиях. В этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные показатели разных циклов на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине. На втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.
В теоретических циклах введены следующие допущения:
- 1. В цикле используется в качестве рабочего тела идеальный газ, состав которого в цикле не изменяется. 2. Циклы считаются замкнутыми, происходящими при постоянном количестве идеального газа. 3. Теплоемкость газа в течение всего цикла постоянна, т. е. не зависит от температуры. 4. Сгорание топлива в цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск - мгновенным отводом теплоты в холодный источник. 5. Процесс сжатия и расширения газа происходит без теплообмена с окружающей средой, и называются Адиабатическими.
В соответствии с этими допущениями теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, осуществляемый в воображаемой тепловой машине постоянной несменяемой порцией рабочего тела. Вследствие замкнутости процессы сгорания и выпуска рабочего тела при действительном цикле заменяют подводом и отводом теплоты. Процессы сжатия и расширения предполагаются адиабатическими, т. к. это обеспечивает максимальное теплоиспользование.
Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом соответствии со вторым законом термодинамики. Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.
Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном объеме
Автомобильные карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме
Теоретический цикл с сообщением тепла при постоянном объеме осуществляется следующим образом. При движении поршня от НМТ (точка А диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. Чтобы довести потери тепла до минимума, стенки цилиндра должны быть абсолютно нетеплопроводными, т. е. покрытыми идеальной тепловой изоляцией. В этом случае процесс сжатия (линия Ас индикаторной диаграммы) будет адиабатическим, а внешняя механическая работа, затрачиваемая на сжатие, полностью пойдет на увеличение внутренней энергии сжимаемого газа.
Давление газа в цилиндре в конце процесса сжатия (точка С) равно:
,
Где k - показатель адиабаты идеального газа.
Температура газа в цилиндре в конце процесса сжатия (точка С) равна:
.
В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит не процесс сгорания, как в действительном цикле, а простое мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры и давления при постоянном объеме (изохоры Сz). При положении поршня в ВМТ (точка Z диаграммы) сообщение теплоты прекращается.
Степень повышения давления газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты
,
Где Pz - давление газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты.
Температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка Z)
.
Затем газ адиабатически расширяется, его внутренняя энергия частично превращается во внешнюю механическую работу. В НМТ (точка B диаграмм) процесс расширения, графически изображенный адиабатой Zb, заканчивается.
Давление газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Для повторения цикла надо вернуть газ в начальное состояние, характеризуемое точкой A индикаторной диаграммы. Для этого необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту, представляющую собой долю Q2 от ранее введенной теплоты Q1. Таким образом, даже при осуществлении теоретического цикла часть вводимой теплоты теряется и, следовательно, не может быть полного превращения теплоты в работу.
Степень преобразования теплоты в работу любого теоретического цикла оценивается термическим КПД, который представляет собой отношение теплоты, превращенной в полезную работу газов, к подведенной теплоте Q1.
В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты Q2, отсутствуют.
Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q1 - Q2, тогда термический КПД можно выразить формулой:
В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1 теплоты и отводимое Q2 пропорциональны его изохорной теплоемкости Сн и соответствующим разностям температур:
Термический КПД можно определять, подставив найденные значения температур:
Согласно уравнению термического КПД, экономичность цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты идеального газа.
Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении
По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели.
В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3-4 МПа и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.
В этих двигателях для обеспечения хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа, получаемый в специальных компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива.
Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V = const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении.
Диаграмма теоретического цикла с подводом тепла при постоянном давлении показана на рис. 2.2.
При движении поршня от НМТ (точка A диаграммы теоретического цикла) газ, заполняющий цилиндр, начинает сжиматься. В этом случае процесс сжатия (линия АсИндикаторной диаграммы) будет адиабатическим. Давление и температура в конце этого процесса определяется так же, как и при термодинамическом цикле с подводом теплоты при постоянном давлении.
В конце сжатия, с приходом поршня в ВМТ, происходит, как в ранее рассмотренном теоретическом цикле, мгновенное сообщение теплоты Q1 рабочему телу; результатом этого будет повышение его температуры при постоянном давлении (изобара Сz).
Рис. 2.2. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
При положении поршня, когда объем надпоршневого пространства равен VZ (точка Z диаграммы), сообщение теплоты прекращается.
Степень предварительного расширения газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты:
.
Тогда температура газа в цилиндре в конце процесса подвода теплоты (точка Z)
.
Затем газ адиабатически расширяется (линия zB диаграммы).
Давление газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Температура газа в цилиндре в конце процесса расширения
.
Для повторения цикла необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту Q2 от введенной теплоты Q1 при постоянном объеме Va.
Термический КПД выражается формулой:
.
В цикле с сообщением теплоты при постоянном объеме вводимое количество Q1 теплоты пропорционально его изобарной теплоемкости СP, а отводимое Q2Пропорционально его изохорной теплоемкости Сн и соответствующим разностям температур:
Термический КПД можно определять подставив значения температур с учетом того, что:
Двигатели этого типа в качестве транспортных не использовались вследствие громоздкости установки, снабженной компрессором, имевшим две или три ступени давления. Поэтому данный цикл в дальнейшем рассматриваться не будет.
Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)
Тракторные и автомобильные двигатели работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 2.3.
В теоретическом цикле кривая Ас диаграммы изображает адиабатическое сжатие рабочего тела, заключенного в цилиндре, Сz и Zz' - сообщение теплоты, Z'b - адиабатическое расширение и Ba - отдачу части сообщенной теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики.
Рис. 2.3. Индикаторная диаграмма смешанного теоретического цикла
Значения температуры и давления в конце процесса сжатия аналогичны предшествующим формулам:
; .
Максимальное давление смешанного цикла:
.
Температура в ВМТ равна:
.
Температура в конце процесса подвода теплоты равна:
.
Давление в конце адиабатного расширения равно:
.
Температура в конце адиабатного расширения определяется формулой:
Термический КПД теоретического цикла можно определить по разности количества теплоты: Q1' + Q1'', введенных соответственно при V = const (по изохоре сz) и при р = const (по изобаре zz') и Q2, отданного холодному источнику при V = const (по изохоре ba):
.
Теплота, сообщаемая соответственно по изохоре и изобаре, и отводимая теплота равны
Подставляя Q1', Q1'' и Q2 в уравнение, определяющее термический КПД смешанного цикла, заменяя все температуры через температуру начала сжатия Tа, аналогично предшествующим выводам и учитывая, что
,
Получаем
Это уравнение позволяет утверждать, что использование тепла в смешанном цикле зависит от степени сжатия, предварительного расширения и повышения давления, а также показателя адиабаты.
В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений степени сжатия 10-12 становится малоощутимым. В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15 объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и засасываемого воздуха.
Похожие статьи
-
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВС НА БАЗЕ "РАЗОМКНУТОЙ" СХЕМЫ СИСТЕМЫ РЕСИВЕР - ЦИЛИНДР - КОЛЛЕКТОР S = 77.0 D = 81.0 [мм]; Epsг = 9.5; Lam =...
-
Обзор двигателей - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Двигатель 2.0 Turbo 200HP (Opel Astra) Тип двигателя 4-цилиндровый, рядный Рабочий объем, см3 1998 Диаметр цилиндра, мм 86,0 Ход поршня, мм 86,0 Степень...
-
Принцип работы дизельного двигателя - Двигатели внутреннего сгорания
В качестве машин, преобразующих тепловую энергию в механическую, используют преимущественно поршневые двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением...
-
Токсичность двигателя определяется с учетом среднесуточного содержания в атмосфере COx, NOx, SO2. Таблица 17 "Предельно допустимое содержание токсичных...
-
Диаметр цилиндра: D=0,081 м. Ход поршня: S=0,077 м. Степень сжатия - отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия: е=9,5. Число цилиндров:...
-
К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относятся давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное...
-
Анализ вредных и опасных факторов Темой данного раздела является обеспечение безопасности при эксплуатации автомобильного бензинового поршневого...
-
Возможность изменения степени сжатия - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Впервые мотор с изменяемой степенью сжатия был представлен на Женевском автосалоне в 2000 г. компанией Saab. Пятицилиндровый двигатель объемом 1,6 л...
-
Увеличение мощности двигателя - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Повышение мощности и снижение удельной массы двигателей внутреннего сгорания достигается с помощью применения наддува. Нагнетание в цилиндры...
-
Характерные неисправности ДВС - Двигатели внутреннего сгорания
В процессе технической эксплуатации судовых ДВС возникают характерные неисправности, которые чаще всего бывают из-за нарушений инструкций...
-
Предварительно: Показатель политропы сжатия - при жидкостном охлаждении - при воздушном охлаждении Температура конца сжатия: Теплоемкость свежей смеси...
-
Рабочий цикл 4-хтактного дизеля - Устройство и техническое обслуживание Мерседес 123
Принцип работы дизельного двигателя Главным отличием ДВС с воспламенением от сжатия (дизеля) от ДВС с воспламенением от искры (бензиновый двигатель)...
-
Расчет прочности деталей движения - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Расчеты прочности деталей двигателя будем проводить по методу Р. С.Кинасошвили при помощи ПЭВМ в соответствующей программе. Материал коленчатого вала -...
-
Динамический расчет - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Целью данного расчета является получение действующих сил и моментов, необходимых для расчета на прочность деталей кшм, прогнозирование условий работы...
-
Качество топлива определяется теплотой его сгорания, т. е. количеством теплоты, выделившейся при полном сгорании массовой единицы топлива. В результате...
-
Тепловой расчет проектируемого двигателя - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Проектирование двигателей внутреннего сгорания начинается с расчета рабочего цикла. Этот расчет во многом определяет конструктивное исполнение узлов,...
-
Требуется спроектировать транспортный бензиновый двигатель для автомобиля мощностью: Ne=140 кВт при 6000 об/мин. Основным топливом для данного двигателя...
-
Правила технической эксплуатации дизелей - Двигатели внутреннего сгорания
Подготовка дизеля к действию 1. После непродолжительного перерыва в работе (не более 48 часов без производства ремонтных работ) необходимо: - произвести...
-
Практически всеми странами мира принята классификация масел по SAE (Общество инженеров - автомобилистов). Эта классификация разделяет масла по уровню...
-
Вязкостью называют свойство жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению ее слоев под действием внешней силы. Это сопротивление возникает...
-
Рисунок 1 Относительное применение различных систем топливоподачи в области бензиновых двигателей. На рис. 1 приведены данные по применению различных...
-
Шум - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
По физической природе шум, возникающий во время работы двигателя, обусловлен аэродинамическими газодинамическими процессами происходящими в его системах,...
-
Качество работы двигателя - его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то...
-
Выбор и обоснование исходных данных. Подготовка к расчету конвективного теплообмена в камере сгорания ДВС ведется с помощью программы podknv. exe....
-
По заданию на дипломный проект был выполнен расчет температурного и напряженно-деформированного состояния, подтверждающий работоспособность...
-
Введение, Типы двигателей внутреннего сгорания - Двигатели внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания -- двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере ( Внутри ) двигателя. ДВС преобразует давление от...
-
Номинальная мощность Ne = 2447 кВт; Номинальная частота вращения n = 520 мин-1; Удельный расход топлива qе = 192 г / кВт ч. Водоизмещение судна D = 2400...
-
Как отмечал А. И. Колчин и В. П. Демидов [ ] тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры...
-
Улучшение компактности двигателя - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
На компактность двигателя в первую очередь влияет компоновочная схема. Сравним данные по использованию различных компоновочных схем автомобильных...
-
Оптимизация рабочего процесса - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Оптимизация по углу закрытия впускного клапана Таблица 1. "Оптимизация рабочего процесса по углу закрытия впускного клапана" № Цзвп Pz, бар Ne, кВт Ge,...
-
Моторные масла, применяемые для двигателей, классифицируются по ГОСТ 17479-85. Все масла в зависимости от эксплуатационных характеристик делятся на...
-
Ремонт и восстановление канавок поршней двигателей внутреннего сгорания автомобилей
В большинстве случаев 40-50 % дефектуемых поршней двигателей внутреннего сгорания автомобилей подлежат вторичному использованию. Такая ситуация возможна...
-
Вибрация - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Вибрация - это механическое колебательное движение системы с упругими связями; движение точки или механической системы, при котором происходит...
-
Расчет общего шума двигателя - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Расчет уровня шума проводится графоаналитическим методом для точки, удаленной от двигателя на полметра. Двигатель устанавливается на специальный...
-
Сила давления газов и сила инерции ПДМ, действующие на расчетном режиме двигателя вдоль оси цилиндра, рассматриваются совместно, поэтому для каждого...
-
При эксплуатации двигателя необходимо соблюдать следующие требования безопасности: 1) Не допускается к эксплуатации неисправный силовой агрегат, а также...
-
При проектировании двигателя предусмотрены следующие мероприятия: 1) Детали поршневой группы, коленчатый вал, газораспределительный механизм, зубчатые...
-
Мероприятия по техники безопасности и охране окружающей среды при выполнении ТО2 двигателя внутреннего сгорания Проблема охраны окружающей среды и...
-
Построение бицентровой диаграммы Брикса. Определим поправку Брикса: , Где L - длина шатуна; R - радиус кривошипа. Построенная бицентровая диаграмма...
-
При сгорании жидкого топлива число молей всегда несколько увеличивается. Приращение количества продуктов сгорания происходит вследствие увеличения...
Теоретические термодинамические циклы ДВС - Двигатели внутреннего сгорания