Термодинамические процессы в двигателях внутреннего сгорания

Цель работы: Изучение термодинамических процессов в ДВС.

План проведения занятия:

1. Рассмотрение теоретических сведений

2. Решение примеров.

3. Ответы на контрольные вопросы

Краткие теоретические сведения

Тепловой двигатель – превращает теплоту в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. В зависимости от места сгорания топлива различают:

· двигатели внешнего сгорания(паровые машины и турбины) –сгорание внетепловой машины

· двигатели внутреннего сгорания -процесс сгорания осуществляется в рабочемпространстве машины.

Карно указал на возможность создания ДВС(1824г.).

Ленуар(1860 г.) построил первый ДВС, работающий на светильном газе, но безпредварительного сжатия рабочего тела (низкий КПД).Отто построил бензиновый двигатель(1877г.).

Дизель разработал двигатель,работающий на керосине,который распылялся в цилиндре

воздухом высокого давления от компрессора (1897 г.).

Тринклер построил безкомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива(1904г.). Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире.

Реальные и идеальные циклы.

Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, остальная часть отдается окружающей среде.

Основные элементы поршневого ДВС - цилиндр 1 с поршнем 2, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма 6, 7(рис. 6.1). В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива). Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и регулирования (на рисунке не показаны).

Рис. 6.1. Схема поршневого ДВС

Мертвые точки -два крайних положения в возвратно-поступательном движении поршня:

верхнее и нижнее, в которых поршень меняет направление движения на обратное.

Ход поршняS-расстояние между мертвыми точкамиТакт-перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот.

Рабочий объемцилиндра-внутренний объем цилиндра в пределах хода поршня.Камера сгорания -часть объема цилиндра,заключенная между крышкой и торцомпоршня, находящегося в ВМТ.

Рабочая смесь -смесь распыленного в воздухе топлива,предназначенного для сжигания.Процесс приготовления рабочей смеси – смесеобразование. По способу приготовления горючей смеси ДВС подразделяются на две группы:

· внешнее смесеобразование - карбюраторные и газовые двигатели. Рабочая смесь приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе (при работе на бензине или керосине) или смесителе (при работе на газовом топливе). В этом случае в камеру сгорания подается уже готовая рабочая смесь, которая воспламеняется принудительно от электрической искры (свечи зажигания).

· внутреннее смесеобразование - приготовление рабочей смеси происходит внутри рабочего цилиндра, куда воздух и топливо подаются раздельно. Сначала поршень сжимает чистый воздух до давления 3-4 МПа, вследствие чего его температура в конце сжатия достигает 600-650 ° С, затем в камеру сгорания через форсунку впрыскивается жидкое топливо (дизельное или моторное), которое воспламеняется

при смешении с раскаленным воздухом.

По способу осуществления цикла ДВС могут быть двух- и четырехтактными. В четырехтактном двигателерабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня(такта),т.е. за два оборота вала, а в двухтактном двигателе– за два хода (такта) поршня, т.е.

один оборот коленчатого вала.

Индикаторная диаграмма-диаграмма,в которой дается изменение давления в цилиндрев зависимости от положения поршня (объема) за весь цикл.

Рис. 6.2. Действительная индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя.

0-1 – заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей

смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-

за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода,

1-2 – сжатие воздуха или рабочей смеси,

2-3'-3 – период горения рабочей смеси,

3-4 – рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическаяработа,

4-5 – выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходитпрактически при постоянном объеме,

5-0 – освобождение цилиндра от продуктов сгорания.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен.

Теоретические циклы-обратимые термодинамические процессы,допускающиеприменение для их анализа термодинамических методов

Допущения, используемые для теоретических циклов:

1) циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело).

2) Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

3) Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты).

4) Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют.

5) Процессы 0-1 и 5-0 исключают из рассмотрения, т.к. работа в них практически одинаковая, только имеет разный знак.

Анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: анализируется - эффективность теоретического (обратимого) цикла,

- реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.

Для ДВС рассматривают следующие основные циклы:

а) цикл Отто - подвод теплоты при постоянном объеме (v= const);

б) цикл Дизеля - подвод теплоты при постоянном давлении (р= const); в) цикл Тринклера - смешанный подвод теплоты при v=const и р=const.

Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера – характерен для бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива. Особенности: механическое распыление

горючего (с помощью плунжерного насоса), внутреннее смесеобразование, самовоспламенение от сжатого до высокой температуры воздуха. Это теоретический цикл всех современных транспортных и стационарных дизелей.

Рис. 6.3. Цикл Тринклера. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

1-2 – адиабатное сжатие,

2-3 – изохорный подвод теплоты,

3-4 – изобарный подвод теплоты,

4-5 – адиабатное расширение,

5-1 – изохорный отвод теплоты.

Характеристики цикла

						степень сжатия	отношение объемов в начале и конце
							процесса сжатия 1-2
						степень повышения давления	отношение давлений в процессе
							изохорного подвода теплоты
						степень предварительного расширения	отношение объемов в процессе
							изобарного подвода теплоты

При анализе считают известными: состояние рабочего тела в т.1 (Т₁,p₁) и характеристики

цикла ε, λ, ρ. Вместо одной из характеристик может быть задана максимальная

температура или максимальное давление.

Расчет цикла заключается в определении:

· параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (p, T, v),

· энергетических характеристик цикла: подводимой удельной теплоты q₁, отводимой удельной теплоты q₂, цикловой работы l_ц и термического КПД цикла

процесс адиабатное

pv

k

= const, или

Tv

k-1

= const,или

1-2

сжатие

p1v1

k= p2v2

k-1

k-1

точка 2

k

T1v1

= T2v2

процесс	изохорный
2-3	процесс
подвод
точка 3
теплоты
процесс	изобарное
3-4	расширение
подвод
точка 4
теплоты

р₄=р₃

процесс	адиабатное	k	k
p4v4	= p5v5
4-5	расширение
точка 5

процесс изохорной

_5-1 процесс

точка 5

Удельный объем v в каждой точке определяется из уравнения Клапейрона.

.

Подводимая теплота

В цикле Тринклера теплота подводится в процессах: 2-3 (v=const) и 3-4 (p=const), поэтому

q₁=с_v(T₁λe^k-1-T₁e^k-1)+с_p(T₁λ ρe^k-1-T₁λe^k-1)=с_vT₁e^k-1[λ-1+kλ(ρ-1)].

Отводимая теплота

Теплота отводится в изохорном процессе 4-5.

.

|q₂|= с_v(T₅-T₁)=с_vT₁(λ ρ^k-1).

Разница между подводимой и отводимой теплотой равна площади цикла на тепловой диаграмме:

Работа цикла

Работа цикла равна разнице между подводимой и отводимой теплотой:

L_ц = q₁ - |q₂| = с_vT₁{e^k-1[λ-1+kλ (ρ -1)]- (λ ρ^k-1)}.

Графически работа цикла равна площади цикла на рабочей диаграмме Термический КПД цикла

Термический КПД цикла равен отношению цикловой работы к подводимой теплоте:

Термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла зависит от характеристик цикла ε, λ, ρ и от свойств рабочего тела k = Cp / Cv

Показатель адиабаты k определяется составом продуктов сгорания и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37.

Анализ влияния характеристик цикла ε, λ, ρ на КПД

Чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами

подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.

Рис. 6.4. К анализу эффективности цикла Тринклера

При увеличении степени сжатия конечная точка процесса 1-2 сместится в т.2' (рис. 4).

Средняя температура подвода теплоты T_1СР при этом увеличится, как и термический кпд.

Для цикла Тринклера степень сжатия изменяется в пределах:ε = 10…13

С увеличением степени повышения давления конечная точка процесса 2-3 сместится в т.3'. Средняя температура подвода теплоты T_1СР увеличивается, как и термический КПД.

Обычно λ ≈2.

С увеличением степени предварительного расширения конечная точка процесса 3-4 сместится в т.4'. Надо отметить, что для замкнутости цикла т. 5 необходимо сместить в т.5'. При этом увеличиваются средняя температура подвода теплоты T_1СРи средняятемпература отвода теплоты T_2СР.

T_2СРрастет быстрее(по изохоре), T_1СРрастет медленнее(по изобаре).

Температурный диапазон цикла сузится и термический КПД уменьшится.

;

Увеличение степени предварительного расширения снижает термический КПД. На практике ρ стараются уменьшить:ρ= 1,1…1,9.

Конструкция двигателя, работающего по циклу Тринклера, включает «предкамеру»(рис. 6.5). После сжатия воздуха в «предкамеру» подается под высоким давлениемтопливо и происходит быстрое сгорание приготовленной смеси при постоянном объеме, а потом происходит сгорание горючего при постоянном давлении по мере его поступления в камеру сгорания.

Рис. 6.5. Схема ДВС, работающего по циклу Тринклера

Цикл бензиновых ДВСс внешним смесеобразованием и принудительным искровымзажигание горючей смеси (применяют на легковом автотранспорте).

Характеристики цикла

степень сжатия

степень повышения

давления

Параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера

Рис. 6.6. Цикл Отто. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изохорный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты

Подводимая теплота

Отводимая теплота

Работа цикла

Термический КПД цикла

Чем больше степень сжатия ε, тем выше эффективность цикла. Увеличение ε в карбюраторных двигателях ограничено наступлением детонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры сгорания, поэтому ε = 6~12.

Цикл компрессорных дизелей-ДВС тяжелого топлива(дизельного,солярного и др.)свнутренним смесеобразованием и самовоспламенением горючего от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

Характеристики цикла

степень сжатия

степень

предварительного

расширения

Рис. 6.7. Цикл Дизеля. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы

1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изобарный подвод теплоты,

3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты

Подводимая теплота

Отводимая теплота

Работа цикла

Термический КПД цикла

Верхний предел ε ограничивается в дизелях быстрым увеличением давления. Применяют значения ε = 14~25. Увеличение ρ отрицательно влияет на повышение эффективности цикла. По мере совершенствования процессов смесеобразования и горения ρ уменьшается.

Решение примеров.

Дано: начальное давление – P₁=0,09МПа; начальная температура – T₁=270К; степень сжатия –e=16; степень повышения давления –l=1,6;

степень предварительного расширения –r=1,9; рабочее тело – воздух;Rв=287Дж/(кг·К); Ср=1,01 кДж/(кг·К); Сv=0,72кДж/(кг·К); n₁=1,32 (сжатие); n₂=1,4 (расширение).

1. Рассчитать: Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const.

Определить:

параметры состояния (p, v, T) рабочего тела в характерных точках цикла; удельную работу расширения, сжатия, работу цикла; удельное количество подведенной и отведенной теплоты;

изменение внутренней энергии (u), энтальпии (h) и энтропии (s) в процессах цикла, среднее индикаторное давление в цикле (p_i); термический КПД цикла Карно.

Допущения:

· процессы протекают во всех стадиях с постоянным количеством рабочего тела;

· процесс сгорания заменяется подводом теплоты к рабочему телу через стенки цилиндра от некоторого фиктивного горячего источника теплоты (химический состав рабочего тела постоянен при всех стадиях термодинамического цикла);

· процессы сжатия и расширения рабочего тела принимаются адиабатными;

· удаление отработавшего рабочего тела заменяется отводом теплоты от рабочего тела через стенки цилиндра к холодному источнику теплоты (холодильнику);

· теплоемкости рабочих тел не зависят от температуры;

· рабочим телом является идеальный газ.

Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const.

точка 1

точка 2

точка 3

точка 4

Р1

v3

=

T3

=r;

v2

T2

Т1

P2

n1

n1

Р2=Р3

T4

n 2-1

v1

v3

=

= e

;

=

;

P1

T3

v2

v4

Удельная работа

расширения			сжатия			полезная
Удельное количество теплоты
подведенной			отведенной			полезной
КПД цикла
Термический	Карно	среднее индикаторное давление
Изменение
внутренней энергии		энтальпии		энтропии
Средняя интегральная температура
подвода теплоты					отвода теплоты

2. Рассчитать: Цикл ДВС с подводом теплоты при v = const.