Циклы двигателей внутреннего сгорания

З-9.5

З-9.4

З-9.3

З-9.2

З-9.1

Задачи

Воздух при постоянных давлении р₁ =6,0 МПа и температуре
t₁ =27 ºС вытекает в среду с давлением р₂ =4,0 МПа. Определить теоретическую скорость и конечную температуру при адиабатном истечении.

Ответ: w = 257 м/с, t₂ = -6 ºС.

Определить размеры минимального и выходного сечений сопла Лаваля, если давление воздуха на входе в сопло р₁ =0,7 МПа, температура t₁ =27 ºС. Наружное давление р₂ =0,1 МПа. Расход воздуха
m =7200 кг/ч.

Ответ: f_min = 12,24 см², f₂ = 19,7 см².

Определить мощность, необходимую на создание в аэродинамической трубе диаметром 12 см скорости потока, равной скорости звука при 10 ºС и давлении 0,7 МПа, считая к.п.д. агрегата равным 45 %.

Ответ: N =408 кВт.

Определить секундный массовый расход окиси углерода и скорость истечения ее из суживающегося отверстия, если газ на входе в сопло имеет параметры р₁ =0,5 МПа и t₁ =680 ºС. Давление среды, в которую вытекает газ р₂ = 0,3 МПа Площадь выходного сечения f =1 см². Подсчитать скорость звука в выходном сечении.

Ответ: m =0,063 кг/c, w₂ =523 м/с, а₂ =574 м/с.

Воздух при давлении р₁ = 0,1 МПа и температуре t₁ = 15 ºС вытекает из резервуара. Найти значение р₂, при котором теоретическая скорость адиабатного истечения будет равна критической, и величину этой скорости.

Ответ: р_2кр = 4,0 МПа, w_кр = 310 м/с.

В поршневых ДВС рабочим телом являются смесь воздуха и горючих газов или паров жидкого топлива (на начальном участке цикла) и газообразные продукты сгорания (на остальных участках цикла). Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания), с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто). Принцип действия двигателей с подводом теплоты при V =const ясен из рис. 11, на котором изображены схема и индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя. Идеализированный рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей (двигателей быстрого сгорания) при V = const (при условии, что он осуществляется 1 кг рабочего тела) изображается на р-v и T-s диаграммах, как указано на рис. 12 и 13.

Действительный разомкнутый цикл состоит из процессов: o-a – всасывание; a-b – сжатие рабочей смеси; b-c – горение топлива, воспламененного от электрической искры, и подвод теплоты; c-d – рабочий ход, осуществляемый при расширении продуктов сгорания; d-е-o – отвод теплоты, соответствующий в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выхлопу и продувке цилиндра.

На диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – условный изохорный процесс отвода теплоты, эквивалентный выпуску отработанных газов.

Задаваемые параметры цикла Отто:

– степень сжатия (отношение всего объема цилиндра к объему камеры сжатия);

– степень повышения давления (температуры) при подводе теплоты;

р₁, Т₁ – начальные параметры.

Рис. 11 Рис. 12

Рис. 13

Параметры рабочего тела для идеального газа, теплоемкость с_v которого считается постоянной, будут следующими:

В точке 1:

;

В точке 2:

;

В точке 3:

;

В точке 4:

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

, (10.1)

. (10.2)

Термический к.п.д. цикла находят по формуле

. (10.3)

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия e и с ее увеличением возрастает. Практически повышение степени сжатия ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси и детонационной стойкостью топлива. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10.

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля). В отличие от цикла Отто, в ДВС с подводом теплоты при p = const сжимается не горючая смесь, а воздух, и затем, с получением высоких давления и температуры, обеспечивается самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении.

Цикл Дизеля изображен на рис. 14 и 15. Идеализированный цикл такого ДВС осуществляется следующим образом: рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2; изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.е. подводу теплоты; рабочий ход выражен адиабатным расширением продуктов сгорания 3-4; изохора 4-1 характеризует отвод теплоты, заменяя для четырехтактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и всасывание новой порции воздуха, а для двухтактных – выхлоп и продувку цилиндра.

Рис. 14 Рис. 15

Задаваемые параметры цикла Дизеля:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения при подводе теплоты;

р₁, Т₁ – начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

В точке 1: р ₁,

Т ₁,

;

В точке 2:

;

В точке 3:

;

В точке 4:

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

, (10.4)

. (10.5)

Термический к.п.д. цикла Дизеля находят по формуле

. (10.6)

Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Дизеля, зависит: от степени сжатия e, с увеличением которой к.п.д. возрастает; степени предварительного расширения r, с увеличением которой к.п.д. уменьшается. Нижний предел e определен необходимостью получения в конце сжатия температуры, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива (e^к-1>Т_воспл/Т₁). Верхний предел e ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увеличению потерь на трение. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 20.

Цикл ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера). В ДВС со смешанным подводом теплоты сочетаются преимущества как цикла Отто, так и цикла Дизеля. Схема бескомпрессорного дизеля, работающего по циклу Тринклера, приведена на рис. 16.

Рис. 16

В таком дизеле распыл топлива производится топливным насосом высокого давления, а компрессор, применяемый при пневматическом распыле топлива, отсутствует. Идеализированный цикл такого ДВС изображен на рис. 17 и 18 и осуществляется по следующей схеме: адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива; изохора 2-3 соответствует процессу горения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки; расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5; изохора 5-1 соответствует выхлопу отработанных газов в атмосферу.

Задаваемые параметры цикла Тринклера:

р ₁, Т ₁ – начальные параметры.

Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:

В точке 1: р _1,

T ₁,

;

В точке 2:

;

В точке 3:

;

В точке 4:

;

В точке 5:

Рис. 17 Рис. 18

Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:

, (10.7)

. (10.8)

Термический к.п.д. цикла находят по формуле

. (10.9)

Термический к.п.д двигателей, работающих по циклу Тринклера, как и термический к.п.д двигателей, работающих по циклам Отто и Дизеля, возрастает с увеличением степени сжатия e и, кроме того, зависит от l и r. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 18.

При расчетах циклов ДВС необходимо знать зависимости между параметрами состояния в различных процессах. Эти зависимости приводятся в Главе 6, выражения (6.1) – (6.39).

Дата добавления: 2015-05-09