 |
|
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Содержание
Стр.
1. Цель работы…………………………………………………………………4
2. Циклы поршневых ДВС……………………………………………………4
3. Задание на выполнение курсовой работы………………………………...8
4. Требования к выполнению расчетов и выполнению
курсовой работы……………………………………………………………9
5. Методика выполнения работы (пример)…………………………………10
6. Список литературы………………………………………………………...21
Цель работы
Достижения современной промышленности, авиации, космической техники оказались возможными в результате освоения мощных источников энергии - это гидравлические, паровые и газовые турбины; двигатели внутреннего сгорания; компактные и мощные ракетные и реактивные двигатели. Стержневое значение в этом развитии энергетики имели и имеют термодинамика и тепломассообмен, являющиеся теоретической базой создания теплоэнергетических машин и установок.
Эта дисциплина является одной из основных дисциплин цикла учебных планов направления 140500 «Энергомашиностроение» специальности 140501 - «Двигатели внутреннего сгорания» и относится к циклу общих математических и общенаучных дисциплин. В Государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования по специальности 140501 ей посвящены следующие строки:
| ЕН.Ф.03.02 | Термодинамика и тепломассообмен: «…термодинамические свойства рабочих тел энергетических установок и аппаратов; циклы энергетических установок и аппаратов; внутренний КПД цикла; газовые и комбинированные циклы; …» |
Целью курсовой работы является углубление и закрепление знаний по теме «Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания» путем приобретения навыков практического применения основных законов идеального газа для анализа и расчетов термодинамических процессов. Выполнение курсовой работы позволит расширить и закрепить знания об идеальных и теоретических циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания, на практическом примере усвоить методику термодинамического анализа и расчета циклов.
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Назначение всякого теплового двигателя состоит в преобразовании теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получатся при сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. Топливо может сжигаться вне тепловой машины – это так называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которых процесс сгорания топлива осуществляется в рабочем пространстве машины, называются двигателями внутреннего сгорания.
Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем (рис.1). При движении в цилиндре 1 поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) вниз при открытом впускном клапане 3 (который, как и выпускной клапан 5, расположен в головке цилиндра) совершается такт всасываниятопливо-воздушной смеси (или воздуха) (рис.2). В нижней мертвой точке (НМТ) впускной клапан 3 закрывается и поршень 2, перемещаясь вверх, совершает такт, называемый тактом сжатия. Вблизи ВМТ топливо-воздушная смесь воспламеняется и давление вследствие выделяющейся теплоты резко поднимается. После завершения сгорания совершается рабочий такт(или такт расширения). Вблизи нижней мертвой точки (НМТ) открывается выпускной клапан 5, давление падает, и при движении поршня от НМТ к ВМТ отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа).
Эти четыре такта и составляют действительный цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Рабочие процессы в ДВС исследуются экспериментальным путем с помощью прибора, называемого индикатором, позволяющим получить индикаторную диаграмму,отражающую изменение давления в цилиндре двигателя.
|
Рис. 1
Из описания рабочего процесса реального ДВС видно, что он не является замкнутым (отработавшие порции рабочего тела выбрасываются в атмосферу). В рабочем процессе имеются все признаки необратимости: в нем изменяются не только термодинамические параметры 
но и химический состав рабочего тела; процессы всасывания и выхлопа не являются термодинамическими; отвод тепла от рабочего тела осуществляется выбросом продуктов сгорания в атмосферу; имеют место химические реакции (горение топливо-воздушной смеси), трение, конечные скорости движения поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.д. В силу этого индикаторная диаграмма не является замкнутым круговым обратимым термодинамическим процессом и не дает возможности сравнительно просто определить изменение состояния рабочего тела в отдельных термодинамических процессах, из которых
состоит цикл поршневого ДВС.
Рис.2
В технической термодинамике исследуются не реальные процессы, происходящие в ДВС, а идеальные круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу, т.е. идеальные циклы. Их изучение необходимо для оценки совершенства действительных тепловых процессов, происходящих в двигателях, а также для исследования факторов, влияющих на экономичность двигателя и совершаемую им работу. Так как в технической термодинамике исследуются лишь идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла поршневого ДВС принимаются следующие допущения:
v рабочее тело представляет собой идеальный газ с постоянной теплоемкостью;
v его количество и состав в цикле не изменяются;
v подвод тепла к рабочему телу производится не за счет сгорания топливо-воздушной смеси, а обратимым образом от внешнего высокотемпературного (высшего) источника теплоты (ВИТ);
v процесс уноса теплоты с отработавшими продуктами сгорания при выхлопе заменяется обратимым процессом отвода тепла от рабочего тела к внешнему низкотемпературному (низшему) источнику теплоты (НИТ);
v между рабочим телом и внешними источниками теплоты имеет место бесконечно малая разность температур;
v процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают адиабатно;
v механические потери (потери на трение) и потери теплоты в окружающую среду (передача теплоты от стенок и унос теплоты охлаждающей водой) отсутствуют.
Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их термические коэффициенты полезного
действия (термические кпд).
Идеальные циклы поршневых ДВС подразделяются на три типа:
v цикл с подводом тепла при постоянном объеме (при 
)– цикл Отто (рис. 3а);
v цикл со смешанным подводом тепла (как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении) – цикл Тринклера (рис. 3б);
Рис. 3а Рис. 3б
Рис. 3 в Рис. 4 12341 – цикл с изохорным подводом тепла 12/341 – цикл с изобарным подводом тепла 12//3/341- цикл со смешанным подводом |
v 
цикл с подводом тепла при постоянном давлении (при 
)- цикл Дизеля (рис 3в).
Характеристиками цикла со смешанным подводом тепла являются следующие величины:
- степень сжатия;
- степень изохорного повышения давления;
- степень предварительного (изобарного) расширения.
Термический коэффициент полезного действия этого цикла вычисляется по следующей зависимости [1]:
; (2.1)
Цикл с подводом тепла при постоянном объеме (при ) является частным случаем рассмотренного выше, когда степень изобарного расширения 
. Характеристиками цикла являются:
- степень сжатия;
- степень изохорного повышения давления.
Термический коэффициент полезного действия цикла с подводом тепла при [1]:
; (2.2)
Цикл с подводом тепла при постоянном давлении (при ) также является частным случаем цикла со смешанным подводом тепла, когда 
Его характеристики:
- степень сжатия;
- степень предварительного (изобарного) расширения.
Термический коэффициент полезного действия этого цикла равен [1]:
(2.3)
3. Задание на выполнение курсовой работы
3.1. Двигатель внутреннего сгорания работает по идеальному циклу, тип которого, характеристики и некоторые термодинамические параметры заданы (см. приложение 1). Приняв в качестве рабочего тела воздух (μ возд = 28,970), теплоемкости которого равны соответственно: Сv = 
(кДж/кгоК); Сp = 
(кДж/кгоК), выполнить исследование и сравнение заданного цикла с циклами двух других типов, для чего:
v вычислить параметры цикла во всех его характерных точках;
v определить термический коэффициент полезного действия (ηt);
v провести сравнение заданного цикла с циклами двух других типов по величине термического коэффициента полезного действия при одинаковых параметрах в точке 1 ( 
) и заданных условиях сравнения (либо 
, либо 
).
3.2. Сравнить термический коэффициент цикла ηt = max с термическим коэффициентом полезного действия цикла Карно, осуществляемого в том же диапазоне температур.
3.3. Выбрав в качестве рабочего тела смесь газов (состав задается в соответствии с приложением 2) и считая ее идеальным газом, исследовать влияние свойств рабочего тела на величину термического кпд цикла.
3.4. Для цикла с наибольшим значением термического коэффициента полезного действия (ηt = max), рабочим телом которого является смесь газов (считая ее идеальным газом), при заданных термодинамических параметрах в точке 1 и характеристиках, полученных при расчетах по п. 3.3 выполнить полный термодинамический анализ цикла, для чего:
v определить значения основных термодинамических параметров цикла во всех характерных точках ( 
);
v провести полный термодинамический расчет всех процессов, составляющих цикл (вычислить для каждого из процессов q∑, l∑, l∑/, Δu∑, Δi∑, Δs∑).
Результаты расчетов представить в виде таблиц.
3.5. Представить цикл по п.3.4 графически в p – v и T – s координатах.
3.6. дать краткое описание цикла в целом и указать, в каких типах двигателей он применяется, описать особенности работы этих двигателей.