ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Тепловой расчет служит не только базой теории ДВС, но и эффективным методом комплексного изучения сложных процессов, происходящих в цилиндре при превращении тепловой энергии в механическую. Это обстоятельство определяет важную роль теплового расчета в формировании инженеров, будущая работа которых связана с эксплуатацией силовых установок с ДВС.
Метод теплового расчета рабочего цикла позволяет учесть изменение физических свойств рабочего тела, влияние теплообмена между рабочим телом и окружающей средой в процессе реализации рабочего цикла. В результате выполнения теплового расчета определяются основные параметры газа в характерных точках индикаторной диаграммы, что в итоге позволяет оценить степень совершенства цикла и целесообразность изготовления опытного образца двигателя. Некоторые параметры рабочего тела (давление, температура) и характер их изменения могут служить в качестве исходных данных при расчете деталей двигателя на прочность. По количеству получаемой в цикле работы и значению объема газа в конце процесса расширения можно судить не только об экономичности, но и о габарите и массе двигателя, т. е. о показателях, оказывающих влияние на общую компоновку лесных машин.
Теоретические термодинамические циклы ДВС
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 Сν 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.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 567; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!