Термодинамический расчёт цикла двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Термодинамический расчёт цикла двигателя внутреннего сгорания

Введение

В настоящее время широкое распространение получили двигатели внутреннего сгорания, преобразующие тепловую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Такие двигатели разделяют на поршневые и роторные.

В поршневых двигателях расширяющиеся при сгорании топлива газы перемещают поршень, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращение вала. В зависимости от способов смесеобразования и воспламенения поршневые двигатели делятся на две основные группы. К первой относятся двигатели с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением. Самыми распространенными двигателями первой группы являются карбюраторные, в которых смесь образуется вне цилиндров в специальном приборе - карбюраторе, а воспламеняется в цилиндре электрической искрой. Ко второй группе относятся двигатели с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (дизели). В дизелях смесь образуется во время впрыска топлива в цилиндр, а затем самовоспламеняется вследствие высокой температуры.

В роторных двигателях расширяющиеся при сгорании топлива газы воздействуют на вращающуюся деталь - ротор. Роторные двигатели делятся на газотурбинные и роторно-поршневые.

Поршневой двигатель представляет собой комплекс механизмов и систем, для преобразования тепловой энергии сгорающего топлива в механическую работу. Такой двигатель имеет кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, системы охлаждения, смазки, питания, а карбюраторные, кроме того, систему зажигания.

двигатель внутренний сгорание тепловой

Расчет цикла двигателя внутреннего сгорания

Цель работы: закрепить и углубить теоретические знания по курсу «Техническая термодинамика», получить навыки практических расчетов циклов тепловых машин. Получить представление об основах теплотехнического расчета цикла карбюраторного двигателя внутреннего сгорания при использовании минимального количества эмпирических соотношений.

Процессы, составляющие цикл карбюраторного двигателя

Идеализированный цикл карбюраторного двигателя представлен на рис. 1. В этом цикле подвод и отвод теплоты реализуется в процессах V = const, а сжатие свежего заряда и расширение продуктов сгорания в политропических процессах с отводом теплоты (с постоянными значениями показателей политроп).

Рисунок 1 - Цикл карбюраторного двигателя

V_h- рабочий объем цилиндра; V_c- рабочий объем камеры сгорания; 1-2 - сжатие рабочей смеси; 2-3 - сгорания рабочей смеси; 3-4 -расширение продуктов сгорания; 4-1 - отвод теплоты.

Реальные циклы составлены из более сложных процессов с переменным составом рабочего тела и изменяющимися значениями показателей политроп. Реальные процессы отличаются от теоретических также наличием дополнительных тепловых потерь, насосных потерь, потерь на трение и привод вспомогательных механизмов, что мы будем, естественно, в дальнейшем учитывать.

При выполнении курсовой работы вначале производится расчет всех узловых точек цикла, при этом приходится пользоваться методом последовательных приближений. После этого определяются промежуточные значения давлений для процессов сжатия рабочей смеси и расширения продуктов сгорания. Необходимые для построения графического изображения этих процессов и вычисляются количества тепловой и механической энергии в каждом из процессов.

На основании проведенных расчетов можно определить значение коэффициента полезного действия и величину теоретического индикаторного давления, а затем вычислить и все геометрические параметры двигателя.

Состав свежего заряда. Состав топлива

В данном расчете мы имеем автомобильный бензин, в котором: С - 0,855

Н - 0,145

м_Т = 115 кг/(кг*моль)

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

Основные реакции при горении топлива имеют вид:

; .

Под реакциями подписаны молярные массы веществ, участвующих в реакциях, а в правых частях в общем виде записано количество теплоты, выделяющейся в этих реакциях. На основании этих записей можно записать формулу для расчета теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1кг топлива. Следует учесть количество кислорода, содержащегося в топливе, и массовую долю кислорода в воздухе (0,23)

, (1)

где М₀ - масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива, кг; С, Н, О - массовые доли углерода, водорода, кислорода в топливе.

Формулу 1 можно записать в виде:

, (2)

.

Действительное количество воздуха, подаваемое для сгорания 1 кг топлива

Количество воздуха, подаваемое для сгорания, обычно отличается от теоретически необходимого количества и записывается в виде:

, (3)

где б = 1,1 - коэффициент избытка воздуха;

.

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива

Если известны основные химические реакции, протекающие при сгорании топлива, и тепловые эффекты этих реакций, то легко записать формулу для вычисления суммарного количества теплоты, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива (Формула Менделеева):

, (4)

где Q_н - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

.

При сгорании топлива часть теплоты уносится с водяными парами и не дает вклада в суммарное количество теплоты.

Расчет процесса сжатия свежего заряда

Молекулярная масса свежего заряда определяется по формуле

, (5)

где m_б, m_в - массовые доли паров бензина и воздуха; м_б=115 кг/(кг*моль), м_в=29 кг/(кг*моль) - молярные массы паров бензина и воздуха.

Масса свежего заряда:

М_с.з. = 1 кг бензина (паров) + 16,30 кг воздуха = 17,3 кг.

Массовая доля паров бензина:

,

Массовая доля воздуха:

.

Молекулярная масса свежего заряда (по формуле 5):

.

Для расчета теплоемкости свежего заряда, учитывая малое содержание паров бензина в смеси, можно использовать формулу для теплоемкости воздуха (с достаточной для инженерной практики точностью).

Среднее значение молярной теплоемкости для изохорического процесса в интервале температур (О - Т) рассчитывается по формуле:

. (6)

Отсюда легко получить формулу для расчета средней теплоемкости в заданном интервале температур:

, (7)

где - среднее значение теплоемкости в интервале температур (Т₁; Т₂); - среднее значение теплоемкости в интервале температур (0; Т).

Если записать линейную зависимость от Т в виде , то получим:

,

и окончательно:

, (8)

где .

Задаемся Т₂ = 800К, в результате проверки Т₂ = 857К,

задаемся Т₂ = 900К, в результате проверки Т₂ = 847К,

задаемся Т₂ = 850К, в результате проверки Т₂ = 851К, этот результат довольно точно совпадает с заданным значением.

Теплоемкость свежего заряда (по формуле 8):

,

удельная теплоемкость:

. (9)

Показатель адиабаты для процесса сжатия

Газовая постоянная для свежего заряда вычисляется по формуле:

. (10)

Среднее значение теплоемкости при постоянном давлении:

, (11)

Показатель адиабаты для процесса сжатия:

. (12)

Показатель политропы для процесса сжатия

. (13)

Определение параметров в конце процесса сжатия:

, (14)

Удельный объем найдем по формуле 14:

,

Удельный объем в конце процесса сжатия:

, (15)

где е - степень сжатия.

.

Давление в конце процесса сжатия:

. (16)

Температура в конце процесса сжатия:

. (17)

Расчет процесса сгорания. Состав продуктов сгорания

Из записанных в пункте 2.2. основных реакций следует также, что в результате реакций на 1 кг С приходится 44/12 = 3,67 кг СО₂ , а на 1 кг Н приходится 36/4 = 9 кг Н₂О.

Учитывая эти соотношения, состав продуктов сгорания бензина будет следующий:

Общая масса продуктов сгорания (кг):

. (18)

Подставив численные значения в формулу 18, получим:

.

Массовые доли составляющих продуктов реакции:

Молярная масса продуктов сгорания

, (19)

где м_СО2 , м_Н2О , м_N2 , м_возд - молярные массы углекислого газа, паров воды, азота и воздуха.

Подставив численные значения в формулу 19, получим:

.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

В интервале температур (Т₂ , Т₃) средняя молярная теплоемкость:

, (20)

где .

Задаемся Т₃ = 2700К, в результате проверки Т₃ = 3270К,

задаемся Т₃ = 2900К, в результате проверки Т₃ = 3288К,

задаемся Т₃ = 3150К, в результате проверки Т₃= 3174К,

задаемся Т₃ = 3170К, в результате проверки Т₃ = 3171К, этот результат довольно точно совпадает с заданным значением.

Удельная теплоемкость:

. (21)

Параметры в конце процесса сгорания

Температура в конце сгорания вычисляется по формуле:

, (22)

, (23)

, (24)

где q_2,3 - количество теплоты, выделившееся при сгорании 1 кг свежего заряда; о_z = 0,9 - коэффициент подвода теплоты; о_z - коэффициент, учитывающий уменьшение выделения теплоты.

Подставив числовые значения, получаем:

,

,

.

Газовая постоянная для продуктов сгорания вычисляется по формуле:

. (25)

Давление в конце процесса сгорания:

, (26)

,

.

Расчет процесса расширения продуктов сгорания. Показатель адиабаты

Задаемся Т₄ = 1400К, в результате проверки Т₄ = 1874К,

задаемся Т₄ = 1800К, в результате проверки Т₄ = 1872К,

задаемся Т₄ = 1870К, в результате проверки Т₃ = 1871К, этот результат довольно точно совпадает с заданным значением.

Найдем молярную теплоемкость (по формуле 20):

Удельная теплоемкость (по формуле 21):

.

. (27)

Показатель адиабаты:

. (28)

Показатель политропы

. (29)

Расчет процесса выхлопа газа

;

, (30)

Подставив численные значения в формулу 30, получим:

.

Т₄ находится из уравнения состояния идеального газа:

, (31)

.

Энергетические характеристики цикла. Уравнение теплового баланса

Для рассмотренного цикла можно записать баланс в виде:

; (32)

Или

, (33)

где q_и - энергия, полученная в цикле.

, (34)

l_1,2 - работа сжатия,

, (35)

,

l_3,4 - работа расширения,

, (36)

,

q_1,2 - теплота, отведенная в процессе сжатия,

, (37)

,

q_3,4 - теплота, отведенная в процессе расширения,

, (38)

,

q_4,1 - теплота, отведенная с выхлопными газами,

, (39)

Найдем молярную теплоемкость (по формуле 20):

Удельная теплоемкость (по формуле 21):

.

.

Полезная работа:

, (40)

Теплота, отведенная в цикле:

, (41)

Доля отведенной теплоты:

. (42)

Общее количество энергии, полученной за цикл (по формуле 34):

.

Дисбаланс:

, (43)

Среднее теоретическое индикаторное давление.

, (44)

.

Среднее индикаторное давление представляет собой некоторое условное постоянное давление, при воздействии которого на поршень в течение одного хода совершается работа, равная работе за цикл. Этот параметр характеризует напряженность работы двигателя.

Действительная индикаторная диаграмма меньше теоретической за счет отличия действительных процессов от теоретических. Уменьшение площади индикаторной диаграммы можно учесть с помощью коэффициента полноты диаграммы х_т = 0,95, а механические потери относительным механическим КПД з_м = 0,97.

Среднее эффективное давление цикла:

, (45)

.

Термический КПД цикла

, (46)

.

Геометрические характеристики двигателя. Рабочий объем цилиндра

, (47)

где z - число цилиндров; n - число оборотов в минуту; P_e - эффективная мощность двигателя, кВт; p_e - среднее эффективное давление цикла, МПа; ф - тактность.

Подставив числовые значения в формулу 47, получаем:

.

Определение диаметра цилиндра и рабочего хода поршня

, (48)

где .

Подставив числовые значения в формулу 48, получаем:

.

Построение индикаторной диаграммы идеализированного цикла ДВС

Полый объем цилиндра

. (49)

Объем камеры сгорания

, (50)

Список литературы

1. Мухин В. А., Антипин В. А. Термодинамический расчет цикла двигателя внутреннего сгорания. Новосибирск, 2003. 34с.

2. Автомобиль /Н. Н. Вишняков, В. К. Вахламов, А. Н. Нарбут, А. Н. Островцев и др. М. «Машиностроение», 1976. 296 с.

3. Теплотехника /А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт, Ю. В. Кузнецов и др. М. «Энергоиздат», 1982. 264 с.

4. СТП СГУПС 01.01-2000. Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформлению. Новосибирск, 2000. 40 с.

Размещено на Allbest.ru