Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Учебное пособие. Сборник задач

В 2 частях

Часть 2

Научный редактор профессор, доктор технических наук

Б. Г. Сапожников

Екатеринбург

УрФУ

УДК 621.1.01(076.1)

ББК 31.31я73

Т38

Рецензенты:

кафедра энергетики Уральского государственного лесотехнического университета (зав. кафедрой канд. техн. наук, проф. В. В. Мамаев);

канд. техн. наук, заведующий лабораторией защитных сред ОАО ВНИИМТ С. Т. Клышников

Авторы: А. В. Островская, Е. М. Толмачев, В. С. Белоусов, С. А. Нейская

Т38 Техническая термодинамика:учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2 / А. В. Островская, Е. М. Толмачев, В. С. Белоусов, С. А. Нейская. Екатеринбург: УрФУ, 2010. 106 с.

Учебное пособие написано в соответствии с программами курсов «Техническая термодинамика» для студентов всех специальностей теплоэнергетического факультета и специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» строительного факультета. Пособие может использоваться студентами всех форм обучения. Также может быть рекомендовано аспирантам и преподавателям.

Библиогр.: 11 назв. Табл. 2. Рис. 39. Прил. 7.

УДК 621.1.01(076.1)

ББК 31.31я73

© УрФУ, 2010 © Островская А. В, Толмачев Е. М, Белоусов В. С., Нейская С. А., 2010

ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Тепловые двигатели, в которых химическая энергия топлива (жидкого или газообразного), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС). В поршневых двигателях сгорание топлива происходит внутри цилиндра, а преобразование тепловой энергии в механическую работу осуществляется воздействием газов на поршень.

По способу подвода теплоты (т.е. по характеру процесса горения) разделяют ДВС со сгоранием топлива при , при и со смешанным сгоранием топлива (при и ).

Основной характеристикой любого типа двигателя является степень сжатия рабочего тела – отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания

. (1.1)

Теоретический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Цикл ДВС с подводом теплоты при :

1–2 – адиабатное сжатие;

2–3 – изохорный подвод теплоты (быстрое сгорание топлива);

3–4 – адиабатное расширение;

4–1 – изохорный отвод теплоты (выброс продуктов сгорания в атмосферу)

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия ;

– степень повышения давления .

В цилиндр ДВС, работающего по циклу Отто, поступает готовая горючая смесь воздуха и паров бензина (или газа), которая воспламеняется от искры в конце процесса сжатия и практически мгновенно сгорает при неизменном положении поршня (то есть при постоянном объеме). Максимальные степени сжатия в таких двигателях 10…12.

Количество подводимой в процессе 2–3 удельной теплоты (см. рис. 1.1) определится как

, (1.2)

а количество отводимой в процессе 4–1 удельной теплоты –

. (1.3)

Полезная работа цикла

. (1.4)

Термический КПД цикла можно найти по определению, рассчитав долю подводимой теплоты, преобразованной в полезную работу:

, (1.5)

или по основным характеристикам цикла:

. (1.6)

С увеличением степени сжатия рабочего тела ε КПД цикла увеличивается.

Цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля) состоит из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры (см. рис. 1.2).

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия ;

– степень предварительного расширения .

Рис. 1.2. Цикл ДВС с подводом теплоты при :

1–2 – адиабатное сжатие;

2–3 – изобарный подвод теплоты (медленное сгорание топлива);

3–4 – адиабатное расширение;

4–1 – изохорный отвод теплоты (выброс продуктов сгорания в атмосферу)

В ДВС, работающих по циклу Дизеля, в цилиндр поступает чистый воздух, а в конце процесса сжатия через форсунку впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха и медленно сгорает при постоянном давлении. Максимальные степени сжатия воздуха достигают значений ε = 20…25.

Количество подводимой в процессе 2–3 удельной теплоты определится как

, (1.7)

а количество отводимой удельной теплоты и полезная работа цикла – по формулам (1.3) и (1.4).

Термический КПД цикла вычисляется либо по выражению (1.5), либо по характеристикам цикла:

. (1.8)

С увеличением степени сжатия ε КПД увеличивается, а с увеличением степени предварительного расширения ρ – уменьшается.

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) состоит из двух адиабат, двух изохор и одной изобары (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты:

1–2 – адиабатное сжатие;

2–3 – изохорный подвод теплоты (быстрое сгорание топлива в объеме форкамеры);

3–4 – изобарный подвод теплоты (догорание топлива в основном цилиндре)

4–5 – адиабатное расширение;

5–1 – изохорный отвод теплоты с продуктами сгорания

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия ;

– степень повышения давления ;

– степень предварительного расширения .

Количество подводимой теплоты определяется как

, (1.9)

а количество отводимой теплоты –

. (1.10)

Термический КПД цикла вычисляется по выражению (1.5) или по характеристикам цикла:

(1.11)

С увеличением степени сжатия ε и степени повышения давления λ термический КПД возрастает, а с увеличением степени предварительного расширения ρ – уменьшается.

Теоретическую мощность двигателя ( – расход рабочего тела) можно найти, зная число оборотов в секунду коленчатого вала n, число цилиндров двигателя i и рабочий объем цилиндра ,

, (1.12)

где z – число, показывающее, за сколько оборотов вала совершается один цикл (z = 2 для 4-тактного двигателя, z = 1 для 2-тактного двигателя).

Расход топлива вычисляется по подводимой тепловой мощности и теплотворной способности топлива

. (1.13)

При расчете циклов ДВС считаем, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкости находятся по молекулярно-кинетической теории.

Задачи

1.1. В цикле ДВС с подводом тепла при постоянной объеме начальное давление рабочего тела р ₁ = 0,1 МПа и начальная температура t ₁ = 20 ^оС. Степень сжатия ε = 6. Степень повышения давления λ = 2,5. Найти параметры рабочего тела в характерных точках цикла, полезную работу цикла и термический КПД.