Различают: обратимый термодинамический цикл необратимый действительный цикл
Допущения принимаемые при рассмотрении термодинамического цикла:
1.Рабочее тело в цилиндре не меняется.
2.Теплота подводится извне в соответствии с выбранным характером его протекания.
3.Теплоемкость рабочего тела постоянна и не зависит от температуры.
4.Процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой.
| t 1 | | q | 2 | | |
| lц |
|
|
|
| q1 | ||||
|
| q1 |
|
| |||
q1 | - количество теплоты, подведенной за цикл, Дж/кг; | ||||||
| q2 | | - абсолютное количество теплоты, отданной за цикл холодному | ||||||
| источнику, Дж/кг; |
|
|
|
|
|
|
lц | - работа, совершаемая 1 кг рабочего тела за цикл, Дж/кг. | ||||||
!Термическим КПД цикла (двигателя) называют отношение работы обратимого термодинамического цикла к теплоте подведенной к рабочему телу от горячего источника.
Работа замкнутого цикла:
Lц pdV
Среднее давление за цикл:
pц VmaxLцVmin
!Средним давлением (обратимого) цикла поршневого двигателя называют отношение работы цикла к рабочему объему цилиндра.
Отношение работы действительного цикла к рабочему объему цилиндра называют средним индикаторным давлением.
термодинамический цикл поршневого двигателя с воспламенением от сжатия при p = const
t 1 |
| 1 |
| k 1 |
k 1 |
| k( 1) | ||
|
|
|
pцkpа 1 k 1 tk( 1)
термодинамический цикл поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты
t 1 |
| 1 |
| k 1 | |
k 1 1k ( 1) | |||||
|
| ||||
pц kpа 1 k 1 t 1k ( 1)
studfiles.net
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Тепловые двигатели работа которых осуществляется за счет энергии топлива, сжигаемого в цилиндре самого двигателя, называется поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС)
ДВС подразделяются на:
-двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, работающие с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) для бензиновых, карбюраторных ДВС
-двигатели с самовоспламенением работающие с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)
-со смешанным подводом теплоты в начале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении (цикл Тринклера).
Рабочие процессы реального двигателя нельзя исследовать термодинамическим методом. Его исследуют в основном экспериментально специальными методами, но метод термодинамики используют для анализа циклов тепловых двигателей. Их результаты используют при конструировании ДВС и для исследования работы тепловых двигателей. Для этого вводится понятие идеального теплового двигателя и представляет его рабочий процесс в форме индикаторной диаграммы.
В идеальном двигателе рабочим телом является идеальный газ, потери протекают без потерь.
Индикаторная диаграмма- это линия изменения давления внутри цилиндра при перемещении поршня. Такие диаграммы у реальных двигателей снимаются специальными приборами, которые называются индикаторами.
Рабочий процесс идеального двигателя (индикаторная диаграмма) также как и реального принципиально отличается от цикла и его сводят к циклу используя следующие допущения:
1-2 процесс впуска
2-3 адиабатное сжатие
3-4 подвод теплоты
4-5 адиабатное расширение (рабочий ход поршня ДВС)
5-1 выпуск
Va -полный объем цилиндра
Vc -объем камеры сжатия
Идеальный цикл двигателя
Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты (цикл быстрого сгорания, цикл Отто)
Этот цикл состоит из следующих процессов
z-b адиабатное расширение
b-a изохорный отвод
с-z изохорный подвод теплоты g1 к рабочему телу
Цикл с изохорным подводом теплоты определяется заданием начальных параметров в точке а , это Pa и Ta, а также параметров цикла Va,Vc.
ε= Va /Vc
Степень сжатия λ=Pz/Pc
Найдем термический КПД цикла
ŋt= g1-g2/ g1 = ℓц/ g1
g1=Сv(Tz-Tc)
Количество теплоты g1 подведено к рабочему телу в изохорном процессе Сv=const, g1=SS1CZS2
g2=Сv(Tb-Ta)
ŋt=1-g2/g1=1- Сv(Tb-Ta)/ Сv(Tz-Tc)=1-1/ εk-1
Tc/Ta=(Va/Vc)k-1= εk-1
ŋt=1-1/ εk-1
Отсюда следует, что термический КПД цикла тем больше, чем больше степень сжатия. Однако в ДВС с подводом теплоты по изохоре имеется предел роста степени сжатия. Дело в том, что в этих двигателях снижается смесь воздуха и бензина в процессе сжатия температура возрастает. При больших степенях сжатия температура смеси может стать равной температуре воспламенения топлива, еще до прихода в ВМТ, т.е. начинается преждевременное сгорание топлива в процессе сжатия горючей смеси. В этих случаях уменьшается полезная работа и в конечном итоге двигатель выходит из строя в связи с поломкой КШМ. Поэтому имеется ограничения по степени сжатия
ε=6-10
Цикл с подводом теплоты по изобаре
В ДВС с изобарным подводом теплоты термический КПД выше чем в ДВС с изохорным подводом теплоты за счет увеличения степени сжатия (ε=14-20),т.к. в них производится сжатие воздуха без топлива
g1=Сp(Tz-Tc)
g2=Сv(Tb-Ta)
ŋt=1-1/ εk-1·ρk-1/k(ρ-1)
Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты
При высоких степенях сжатия выгода от термического КПД (ŋt) может поглотиться возрастающим расходом работы на преодоление трения (падает механический КПД ŋм), оптимальным является степень сжатия при которой ŋt· ŋм=max.
Стремление упростить и улучшить работу двигателя привело к созданию двигателей со смешанным подводом теплоты. Данный цикл был предложен и осуществлен русским ученым Г.В. Тринклером.
Топливо распыляется в камеру сгорания цилиндра двигателя под давлением 300-400 бар. Процесс горения топлива организуется таким образом, что при его протекании горение совершается сначала при V=const и затем P=const, такие циклы называются смешанные. Все современные двигатели с воспламенением от сжатия работают по такому циклу. Хотя на практике подобные двигатели называют двигателями Дизеля, правильно было бы их называть двигателями Тринклера.
-Степень предварительного расширения
- степень последовательного расширения
δ, ε, ρ связаны соотношением
ŋt=1- g2/g1
Термический КПД данного цикла возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения.
Сравнение термических КПД циклов с различным подводом теплоты.
Примем для всех трех циклов одинаковое максимальное давление Pmaxи максимальную температуру Tmax.
g2=SS1ABS2
Работа циклов
ℓЦV=SACZB
ℓЦP=SAC'ZB
ℓЦPV=SACC2ZB
ℓP> ℓPV> ℓV
ŋP> ŋPV > ŋV
Самый высокий термический КПД ŋP при изобарном подводом теплоты.
Цикл газотурбинных установок (ГТУ)
ГТУ является одним из видов теплового двигателя.
ГТУ имеет следующие преимущества перед ДВС: при прочих равных условиях затраты мет. на единицу мощности в ГТУ меньше чем ДВС, а КПД цикла для ГТУ может быть выше, чем для ДВС.
ГТУ широко используется:
- в качестве приводов центробежных компрессоров, для перекачивания природного газа от мест добычи к потребителю.
- двигатели на судах, локомотивах
- широко распространены в авиации.
Статным компрессором К воздух поступает в камеру сгорания КС, туда же поступает топливо подаваемое топливным насосом ТН. Сгорание происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газы поступают в сопло С, где скорость потока газа возрастает и осуществляется перевод теплоты в кинетическую энергию потока, далее поток газа попадает на лопатки ротора турбины Л ротор начинает вращаться и происходит превращение кинетической энергии потока газа в механическую работу (вращение турбины Т, которую можно перевести в другие виды энергии: в электрическую с помощью электрогенератора).
При одинаковых степенях сжатия КПД ГТУ равен КПД ДВС, но при существенно меньшем давлении цикла.
КПД цикла ГТУ больше КПД ДВС с подводом теплоты при p=const. Но слишком высока частота вращения.
Цикл реактивного двигателя.
Сгорание топлива
Сгорание топлива - это быстрая реакция окисления углеводородов кислородом
При этом молекулярные связи разрываются, накопившееся энергия выделяется в виде теплоты.
При сгорании 1кг выделяется следующее количество теплоты:
1 кг бензина=44·106 Дж=44 МДж/кг
1 кг ДТ=42·106 Дж=42 МДж/кг
1 кг метана=34·106 Дж=34 МДж/кг
Конечная реакция сгорания водорода и углерода в результате окисления кислородом
2h3+O2=2h3O
C+O2= CO2
Теоретическое количество воздуха необходимого для сгорания 1кг бензина=15кг
Коэффициент избытка воздуха α- это отношение действительного количества воздуха поступившего в цилиндр (LД), к теоретически необходимому (LН)
α=1 в идеале
α>1 бедная смесь
α
Виды переноса теплоты
-теплопроводность
-конвекция
-излучение
Существует 3 основных способа распространения тепла:
-теплопроводность
-конвекция
-излучение
Теплопроводность- это процесс передачи теплоты по средствам межмолекулярных столкновений.
Наиболее распространен в твердых телах, не значительно присутствует в жидкостях и газах. Полностью отсутствует в вакууме, по причине отсутствия молекул. Молекулы, атомы и электроны вещества движутся со скоростями пропорционально температуре. За счет взаимодействия друг с другом, быстродвижущиеся частицы отдают часть своей энергии медленным частицам, таким образом теплота переносится из зоны с высокой в зону с более низкой температурой.
Конвекция-это процесс передачи теплоты связанный с перемещением в пространстве макротел (масс вещества).
Наиболее распространен в жидкостях и газах. При этом уже не отдельные молекулы, а большие макроскопические объемы горячей жидкости или газа перемещаются в зоны с более низкой температурой (за счет действия сил Архимеда тела имеющие меньшую плотность (большую температуру) поднимаются вверх). Холодная жидкость или газ попадают в зоны более высоких температур в результате перемешивания при конвективном теплообмене.
Излучение-процесс передачи теплоты в пространстве через лучепрозрачные среды в том числе через вакуум по средствам электромагнитного или радиационного теплообмена. Связан с распространением электромагнитных волн.
Носителем энергии при тепловом излучении являются фотоны излучаемые или поглощаемые телами, или электромагнитные излучения. Данные способы передачи теплоты в природе встречаются крайне редко, как правило происходят сложные виды теплообмена, когда одновременно происходит несколько способов передачи теплоты. Наиболее часто встречается конвективный и радиационный теплообмен.
Конвективный - сложный теплообмен при котором одновременно присутствует теплопроводность и конвекция. Распространен в жидкостях и газах.
Радиационный – это теплообмен в результате комбинации конвекции и излучения. Наиболее распространен в разряженных газах.
В технике часто рассматривается передача теплоты: теплоотдача и теплопередача.
Теплоотдача- это передача теплоты от твердой стенки к омывающей её жидкости или газа
Q-тепловой поток
Тепловой поток – это количество теплоты, которая передается через рассматриваемую поверхность за единицу времени.
Теплопередача – это передача теплоты от одной жидкости другой через твердую стенку. Имеет место в теплообменных аппаратах.
1>
geum.ru
Published on29-Dec-2015
View56
Download0
DESCRIPTION
Тема 2 Процессы расчетных и действительных циклов ДВС. Лекция 3 Термодинамические циклы. Для выявления…
Transcript
Тема 2 Процессы расчетных и действительных циклов ДВС. Лекция 3 Термодинамические циклы. Для выявления отдельных факторов на работу двигателя применяют расчетные циклы, в которых термодинамические процессы приближенно описывают процессы действительного цикла. Каждый из расчетных циклов основан на ряде допущений. Анализ расчетных циклов может быть однофакторным, т. е. расчетным путем выясняют влияние каждого из факторов в отдельности, сохраняя неизменными остальные. При постановке опытов с реальными двигателями установить влияние каждого из факторов в отдельности сложно. Термодинамические расчетные циклы, основаны на следующих допущениях: процессы, составляющие цикл, являются обратимыми; процессы осуществляются с несменяемым рабочим телом неизменного состава; теплоемкость РТ не зависит от его состояния; теплообмен между РТ и окружающей средой отсутствует. В термодинамических циклах ДВС подвод теплоты осуществляется по изохоре, изобаре или смешанно — по изохоре и изобаре. Наиболее общим является цикл со смешанным подводом теплоты к подведенной теплоте (при выводе рассматривается 1 кг рабочего тела) (Сабатэ-Тринклера) (рис. 3.1). Термическим КПД называется отношение цикла работы , (3.1) где количество отведенной теплоты берется по модулю Рис. 3.1. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера) Обозначим - степень повышения давления, - степень предварительного расширения, - степень последующего расширения., - степень сжатия. В термодинамическом цикле q1 является аналогом количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндре двигателя, т. е. является аналогом нагрузки. При неизменных степени сжатия, рабочем теле и начальных параметрах цикла (параметры в точке а) увеличение q1 сопровождается увеличением и , максимальных значений давления рz и температуры Тz цикла. Увеличение рz и Тz происходит также при увеличении степени сжатия. Основными показателями цикла являются: (3.2) Средним давлением цикла pц называется работа цикла, отнесенная к рабочему объему Vh. Для цикла Сабатэ — Тринклера: (3.3) Из (3.2) и (3.3) для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть при (цикл Отто – рис. 3.2), который используется для идеализации действительного цикла двигателя с искровым зажиганием, получаем (3.4) (3.5) Рис. 3.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) Для цикла с подводом теплоты при постоянно давлении (цикл Дизеля – рис. 3.3) и, следовательно, (3.6) (3.7) Из (3.3) (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют следующие параметры: , k, , , а. Рис. 3.3. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) Из (3.3) (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют следующие параметры: , K , , , а. Для цикла Отто не зависит от , т. е. не зависит от внешней нагрузки. Для цикла Дизеля, при увеличении q1 (возрастании ) термический КПД снижается. Увеличение , К, сопровождается повышением и (рис. 3.4). Увеличение можно обеспечить, если, например, применить для осуществления цикла двухатомные газы вместо трехатомных. Отсюда следует вывод о целесообразности работы поршневых двигателей на бедных смесях, так как в бедной смеси больше двухатомных газов (О2 и N2). Рис. 3.4. Графики зависимости параметров термодинамического цикла Отто от степени сжатия: а - ; б - Влияние количества подводимой теплоты и ( и ) на термический КПД цикла Сабатэ — Тринклера можно проследить по рис. 3.5. При неизменной величине ( ) увеличение (т. е. увеличение ) сопровождается возрастанием , что при неизменном количестве подводимой теплоты (неизменном А) термический КПД возрастает с ростом ( ) и соответствующим уменьшением ( ). Рис. 3.5. Графики зависимости параметров термодинамического цикла Сабатэ – Тринклера от степени повышения давления: - при постоянной степени предварительного расширения; - при постоянном количестве подведенной теплоты: а - ; б - При неизменном не влияет на ( ) увеличение Однако увеличение степени повышения давления ( ) приводит к снижению . Следовательно, с термодинамической точки зрения самым выгодным является подвод теплоты в ВМТ. Изменение естественно, влияет на . Однако влияние , k, на величину и на такое же, как на . иное, чем на (см. рис. 3.5, б). Качественное влияние и k С ростом цикла Отто, но приводит к росту . При этом растет в такой же степени, как количество q1. ( в циклах Сабатэ — Тринклера и Дизеля) увеличение происходит в несколько меньшей степени, так как при этом снижается . Из выражений (3.3), (3.5) и (3.7) следует, что при прочих равных условиях изменяется пропорционально начальному давлению цикла ра, которое увеличивается наддувом двигателей и сопровождается увеличением количества подводимой теплоты G . Количество свежего заряда Поэтому целесообразно попадающего в цилиндры, увеличивается в меньшей степени, чем ра, так как одновременно увеличивается Та. применение промежуточного охлаждения воздуха после компрессора. Рис. 3.6. Графики сравнения циклов Отто, Дизеля и Сабаттэ – Тринклера в координатах р-V при и при , и при , Сравнение циклов при , , , k, , , одинаковых механических нагрузках на поршень от сил давления газов (рис. 3.6 б), т.е. указывает что наиболее высокое значение достигается в цикле Дизеля (а — с2 — z2 — b2). Связано это с тем, что при рассматриваемом условии именно в этом цикле имеют место наиболее высокие значения и . Этому же циклу соответствуют и минимальные значения , и температуры в конце расширения . В таблице 3.1 приведены для различных циклов. приведены Таблица 3.1 Термический КПД различных циклов при одинаковом давлении при при при и Степень сжатия Степень повышения давления Степень предварительного расширения Термический КПД Параметры Подвод тепла 4 14 7 5,35 1 2,58 1 3,6 1,8 0,425 0,524 0,460 Контрольные вопросы: При одинаковых значении p у какого цикла выше КПД? Что такое степень сжатия и степень повышения давления? При одинаковом значении у какого цикла больше КПД? Какие делают допущения при рассмотрении термодинамических циклов? Как изменяется КПД цикла Отто при увеличении нагрузки? Как изменяется КПД цикла Дизеля при увеличении нагрузки? Как влияет степень сжатия и показатель адиабаты на КПД циклов? Почему в цикле с подводом теплоты при постоянном объем ограниченно увеличение степени сжатия и степени повышения давления? Что такое степень предварительного расширения?
docslide.net
DESCRIPTION
Тема 2 Процессы расчетных и действительных циклов ДВС. Лекция 3 Термодинамические циклы. Для выявления…TRANSCRIPT
Тема 2 Процессы расчетных и действительных циклов ДВС. Лекция 3 Термодинамические циклы. Для выявления отдельных факторов на работу двигателя применяют расчетные циклы, в которых термодинамические процессы приближенно описывают процессы действительного цикла. Каждый из расчетных циклов основан на ряде допущений. Анализ расчетных циклов может быть однофакторным, т. е. расчетным путем выясняют влияние каждого из факторов в отдельности, сохраняя неизменными остальные. При постановке опытов с реальными двигателями установить влияние каждого из факторов в отдельности сложно. Термодинамические расчетные циклы, основаны на следующих допущениях: процессы, составляющие цикл, являются обратимыми; процессы осуществляются с несменяемым рабочим телом неизменного состава; теплоемкость РТ не зависит от его состояния; теплообмен между РТ и окружающей средой отсутствует. В термодинамических циклах ДВС подвод теплоты осуществляется по изохоре, изобаре или смешанно — по изохоре и изобаре. Наиболее общим является цикл со смешанным подводом теплоты к подведенной теплоте (при выводе рассматривается 1 кг рабочего тела) (Сабатэ-Тринклера) (рис. 3.1). Термическим КПД называется отношение цикла работы , (3.1) где количество отведенной теплоты берется по модулю Рис. 3.1. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера) Обозначим - степень повышения давления, - степень предварительного расширения, - степень последующего расширения., - степень сжатия. В термодинамическом цикле q1 является аналогом количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндре двигателя, т. е. является аналогом нагрузки. При неизменных степени сжатия, рабочем теле и начальных параметрах цикла (параметры в точке а) увеличение q1 сопровождается увеличением и , максимальных значений давления рz и температуры Тz цикла. Увеличение рz и Тz происходит также при увеличении степени сжатия. Основными показателями цикла являются: (3.2) Средним давлением цикла pц называется работа цикла, отнесенная к рабочему объему Vh. Для цикла Сабатэ — Тринклера: (3.3) Из (3.2) и (3.3) для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть при (цикл Отто – рис. 3.2), который используется для идеализации действительного цикла двигателя с искровым зажиганием, получаем (3.4) (3.5) Рис. 3.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) Для цикла с подводом теплоты при постоянно давлении (цикл Дизеля – рис. 3.3) и, следовательно, (3.6) (3.7) Из (3.3) (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют следующие параметры: , k, , , а. Рис. 3.3. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) Из (3.3) (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют следующие параметры: , K , , , а. Для цикла Отто не зависит от , т. е. не зависит от внешней нагрузки. Для цикла Дизеля, при увеличении q1 (возрастании ) термический КПД снижается. Увеличение , К, сопровождается повышением и (рис. 3.4). Увеличение можно обеспечить, если, например, применить для осуществления цикла двухатомные газы вместо трехатомных. Отсюда следует вывод о целесообразности работы поршневых двигателей на бедных смесях, так как в бедной смеси больше двухатомных газов (О2 и N2). Рис. 3.4. Графики зависимости параметров термодинамического цикла Отто от степени сжатия: а - ; б - Влияние количества подводимой теплоты и ( и ) на термический КПД цикла Сабатэ — Тринклера можно проследить по рис. 3.5. При неизменной величине ( ) увеличение (т. е. увеличение ) сопровождается возрастанием , что при неизменном количестве подводимой теплоты (неизменном А) термический КПД возрастает с ростом ( ) и соответствующим уменьшением ( ). Рис. 3.5. Графики зависимости параметров термодинамического цикла Сабатэ – Тринклера от степени повышения давления: - при постоянной степени предварительного расширения; - при постоянном количестве подведенной теплоты: а - ; б - При неизменном не влияет на ( ) увеличение Однако увеличение степени повышения давления ( ) приводит к снижению . Следовательно, с термодинамической точки зрения самым выгодным является подвод теплоты в ВМТ. Изменение естественно, влияет на . Однако влияние , k, на величину и на такое же, как на . иное, чем на (см. рис. 3.5, б). Качественное влияние и k С ростом цикла Отто, но приводит к росту . При этом растет в такой же степени, как количество q1. ( в циклах Сабатэ — Тринклера и Дизеля) увеличение происходит в несколько меньшей степени, так как при этом снижается . Из выражений (3.3), (3.5) и (3.7) следует, что при прочих равных условиях изменяется пропорционально начальному давлению цикла ра, которое увеличивается наддувом двигателей и сопровождается увеличением количества подводимой теплоты G . Количество свежего заряда Поэтому целесообразно попадающего в цилиндры, увеличивается в меньшей степени, чем ра, так как одновременно увеличивается Та. применение промежуточного охлаждения воздуха после компрессора. Рис. 3.6. Графики сравнения циклов Отто, Дизеля и Сабаттэ – Тринклера в координатах р-V при и при , и при , Сравнение циклов при , , , k, , , одинаковых механических нагрузках на поршень от сил давления газов (рис. 3.6 б), т.е. указывает что наиболее высокое значение достигается в цикле Дизеля (а — с2 — z2 — b2). Связано это с тем, что при рассматриваемом условии именно в этом цикле имеют место наиболее высокие значения и . Этому же циклу соответствуют и минимальные значения , и температуры в конце расширения . В таблице 3.1 приведены для различных циклов. приведены Таблица 3.1 Термический КПД различных циклов при одинаковом давлении при при при и Степень сжатия Степень повышения давления Степень предварительного расширения Термический КПД Параметры Подвод тепла 4 14 7 5,35 1 2,58 1 3,6 1,8 0,425 0,524 0,460 Контрольные вопросы: При одинаковых значении p у какого цикла выше КПД? Что такое степень сжатия и степень повышения давления? При одинаковом значении у какого цикла больше КПД? Какие делают допущения при рассмотрении термодинамических циклов? Как изменяется КПД цикла Отто при увеличении нагрузки? Как изменяется КПД цикла Дизеля при увеличении нагрузки? Как влияет степень сжатия и показатель адиабаты на КПД циклов? Почему в цикле с подводом теплоты при постоянном объем ограниченно увеличение степени сжатия и степени повышения давления? Что такое степень предварительного расширения?
vdocuments.site
Ввиду сложности явлении, происходящих внутри цилиндра двигателя, их совокупность представляют предварительно в виде условноготеоретического цикла, в котором процессы рассматриваются в ихпростейшем виде. Это дает возможность получить аналитические зависимости для оценки главнейших качественных показателей работыдвигателя. Полученные формулы теоретического цикла, уточненные обобщенными результатами экспериментальных исследований, используют затем для расчета действительного цикла.
Теоретические термодинамические циклы ДВС
Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнить в реальных условиях. Принято основные показатели циклов ДВС оценивать в упрощённом варианте:
• 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. Все процессы цикла осуществляются без теплообмена рабочего тела с окружающей средой и являются обратимыми.
2. Преобразование теплоты в механическую работу осуществляется в замкнутом объеме одним и тем же несменяемым рабочим телом при постоянном его количестве.
3. Состав и теплоемкость рабочего тела остаются постоянными на всем протяжении цикла т. е. не зависит от температуры.
4. Подвод теплоты производится от постороннего (воображаемого) источника при постоянном объеме (по изохоре), или при постоянном давлении (по изобаре), или при смешанном (по изохоре и изобаре).
5. Процессы сжатия и расширения протекают по адиабатам с постоянными показателями.
6. В теоретических циклах отсутствуют какие-либо потери теплоты (в том числе на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику. Эта потеря является единственной и обязательной для замкнутого теоретического цикла.
7. Сгорание топлива в цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск – мгновенным отводом теплоты в холодный источник.
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 бензиовые двигатели, 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 к рабочему телу-газу подводится тепло Q1.
Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис. 27. При положении поршня в ВМТ (точка z диаграммы) сообщение теплоты прекращается. Затем газ адиабатически расширяется, его внутренняя энергия частично превращается во внешнюю механическую работу.
Рис. 27. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при
постоянном объеме
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. 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:
Читайте также:
lektsia.com
Различают: обратимый термодинамический цикл необратимый действительный цикл
Допущения принимаемые при рассмотрении термодинамического цикла:
1.Рабочее тело в цилиндре не меняется.
2.Теплота подводится извне в соответствии с выбранным характером его протекания.
3.Теплоемкость рабочего тела постоянна и не зависит от температуры.
4.Процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой.
| t 1 | | q | 2 | | |
| lц |
|
|
|
| q1 | ||||
|
| q1 |
|
| |||
q1 | - количество теплоты, подведенной за цикл, Дж/кг; | ||||||
| q2 | | - абсолютное количество теплоты, отданной за цикл холодному | ||||||
| источнику, Дж/кг; |
|
|
|
|
|
|
lц | - работа, совершаемая 1 кг рабочего тела за цикл, Дж/кг. | ||||||
!Термическим КПД цикла (двигателя) называют отношение работы обратимого термодинамического цикла к теплоте подведенной к рабочему телу от горячего источника.
Работа замкнутого цикла:
Lц pdV
Среднее давление за цикл:
pц VmaxLцVmin
!Средним давлением (обратимого) цикла поршневого двигателя называют отношение работы цикла к рабочему объему цилиндра.
Отношение работы действительного цикла к рабочему объему цилиндра называют средним индикаторным давлением.
термодинамический цикл поршневого двигателя с воспламенением от сжатия при p = const
t 1 |
| 1 |
| k 1 |
k 1 |
| k( 1) | ||
|
|
|
pцkpа 1 k 1 tk( 1)
термодинамический цикл поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты
t 1 |
| 1 |
| k 1 | |
k 1 1k ( 1) | |||||
|
| ||||
pц kpа 1 k 1 t 1k ( 1)
studfiles.net
Published on29-Dec-2015
View56
Download0
DESCRIPTION
Тема 2 Процессы расчетных и действительных циклов ДВС. Лекция 3 Термодинамические циклы. Для выявления…
Transcript
Тема 2 Процессы расчетных и действительных циклов ДВС. Лекция 3 Термодинамические циклы. Для выявления отдельных факторов на работу двигателя применяют расчетные циклы, в которых термодинамические процессы приближенно описывают процессы действительного цикла. Каждый из расчетных циклов основан на ряде допущений. Анализ расчетных циклов может быть однофакторным, т. е. расчетным путем выясняют влияние каждого из факторов в отдельности, сохраняя неизменными остальные. При постановке опытов с реальными двигателями установить влияние каждого из факторов в отдельности сложно. Термодинамические расчетные циклы, основаны на следующих допущениях: процессы, составляющие цикл, являются обратимыми; процессы осуществляются с несменяемым рабочим телом неизменного состава; теплоемкость РТ не зависит от его состояния; теплообмен между РТ и окружающей средой отсутствует. В термодинамических циклах ДВС подвод теплоты осуществляется по изохоре, изобаре или смешанно — по изохоре и изобаре. Наиболее общим является цикл со смешанным подводом теплоты к подведенной теплоте (при выводе рассматривается 1 кг рабочего тела) (Сабатэ-Тринклера) (рис. 3.1). Термическим КПД называется отношение цикла работы , (3.1) где количество отведенной теплоты берется по модулю Рис. 3.1. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Сабатэ-Тринклера) Обозначим - степень повышения давления, - степень предварительного расширения, - степень последующего расширения., - степень сжатия. В термодинамическом цикле q1 является аналогом количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндре двигателя, т. е. является аналогом нагрузки. При неизменных степени сжатия, рабочем теле и начальных параметрах цикла (параметры в точке а) увеличение q1 сопровождается увеличением и , максимальных значений давления рz и температуры Тz цикла. Увеличение рz и Тz происходит также при увеличении степени сжатия. Основными показателями цикла являются: (3.2) Средним давлением цикла pц называется работа цикла, отнесенная к рабочему объему Vh. Для цикла Сабатэ — Тринклера: (3.3) Из (3.2) и (3.3) для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть при (цикл Отто – рис. 3.2), который используется для идеализации действительного цикла двигателя с искровым зажиганием, получаем (3.4) (3.5) Рис. 3.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) Для цикла с подводом теплоты при постоянно давлении (цикл Дизеля – рис. 3.3) и, следовательно, (3.6) (3.7) Из (3.3) (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют следующие параметры: , k, , , а. Рис. 3.3. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) Из (3.3) (3.7) следует, что на показатели термодинамических циклов влияют следующие параметры: , K , , , а. Для цикла Отто не зависит от , т. е. не зависит от внешней нагрузки. Для цикла Дизеля, при увеличении q1 (возрастании ) термический КПД снижается. Увеличение , К, сопровождается повышением и (рис. 3.4). Увеличение можно обеспечить, если, например, применить для осуществления цикла двухатомные газы вместо трехатомных. Отсюда следует вывод о целесообразности работы поршневых двигателей на бедных смесях, так как в бедной смеси больше двухатомных газов (О2 и N2). Рис. 3.4. Графики зависимости параметров термодинамического цикла Отто от степени сжатия: а - ; б - Влияние количества подводимой теплоты и ( и ) на термический КПД цикла Сабатэ — Тринклера можно проследить по рис. 3.5. При неизменной величине ( ) увеличение (т. е. увеличение ) сопровождается возрастанием , что при неизменном количестве подводимой теплоты (неизменном А) термический КПД возрастает с ростом ( ) и соответствующим уменьшением ( ). Рис. 3.5. Графики зависимости параметров термодинамического цикла Сабатэ – Тринклера от степени повышения давления: - при постоянной степени предварительного расширения; - при постоянном количестве подведенной теплоты: а - ; б - При неизменном не влияет на ( ) увеличение Однако увеличение степени повышения давления ( ) приводит к снижению . Следовательно, с термодинамической точки зрения самым выгодным является подвод теплоты в ВМТ. Изменение естественно, влияет на . Однако влияние , k, на величину и на такое же, как на . иное, чем на (см. рис. 3.5, б). Качественное влияние и k С ростом цикла Отто, но приводит к росту . При этом растет в такой же степени, как количество q1. ( в циклах Сабатэ — Тринклера и Дизеля) увеличение происходит в несколько меньшей степени, так как при этом снижается . Из выражений (3.3), (3.5) и (3.7) следует, что при прочих равных условиях изменяется пропорционально начальному давлению цикла ра, которое увеличивается наддувом двигателей и сопровождается увеличением количества подводимой теплоты G . Количество свежего заряда Поэтому целесообразно попадающего в цилиндры, увеличивается в меньшей степени, чем ра, так как одновременно увеличивается Та. применение промежуточного охлаждения воздуха после компрессора. Рис. 3.6. Графики сравнения циклов Отто, Дизеля и Сабаттэ – Тринклера в координатах р-V при и при , и при , Сравнение циклов при , , , k, , , одинаковых механических нагрузках на поршень от сил давления газов (рис. 3.6 б), т.е. указывает что наиболее высокое значение достигается в цикле Дизеля (а — с2 — z2 — b2). Связано это с тем, что при рассматриваемом условии именно в этом цикле имеют место наиболее высокие значения и . Этому же циклу соответствуют и минимальные значения , и температуры в конце расширения . В таблице 3.1 приведены для различных циклов. приведены Таблица 3.1 Термический КПД различных циклов при одинаковом давлении при при при и Степень сжатия Степень повышения давления Степень предварительного расширения Термический КПД Параметры Подвод тепла 4 14 7 5,35 1 2,58 1 3,6 1,8 0,425 0,524 0,460 Контрольные вопросы: При одинаковых значении p у какого цикла выше КПД? Что такое степень сжатия и степень повышения давления? При одинаковом значении у какого цикла больше КПД? Какие делают допущения при рассмотрении термодинамических циклов? Как изменяется КПД цикла Отто при увеличении нагрузки? Как изменяется КПД цикла Дизеля при увеличении нагрузки? Как влияет степень сжатия и показатель адиабаты на КПД циклов? Почему в цикле с подводом теплоты при постоянном объем ограниченно увеличение степени сжатия и степени повышения давления? Что такое степень предварительного расширения?
documents.tips
