Литература Автомобильные двигатели / В. М. Архангельский, М. М. Вихерт, А. Н. Войнов и др. Под ред. М. С. Ховаха. Ёc м., Машиностроение, 1977. Ёc 591 с



страница1/7
Дата29.04.2016
Размер1.4 Mb.
ТипЛитература
  1   2   3   4   5   6   7
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО СЕЛЬСКОМУ ХОЗЯЙСТВУ

Ставропольский государственный
аграрный университет

А.К. Кобозев, И.И. Швецов

тракторы и автомобили

Раздел: Теория, расчет и анализ работы


автотракторных двигателей

(Курс лекций)


для студентов факультета механизации сельского хозяйства


направления подготовки 110800.62-Агроинженерия

СТАВРОПОЛЬ ЁC 2014

Содержание



Литература

Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский, М.М.Вихерт, А.Н. Войнов и др. Под ред. М.С. Ховаха. ЁC М., Машиностроение, 1977. ЁC 591 с.

Автомобильные и тракторные двигатели ч. II. Конструкция и расчет двигателей. Под ред. И.М. Ленина. ЁC М.: Высшая школа, 1976. ЁC 280 с.

Артамонов, М.Д. ЁC Основы теории и конструкции автомобиля / М.Д. Артамонов, В.А. Иларионов, М.М. Морин. ЁC М.: Машиностроение, 1974. ЁC 288 с.

Болтинский, В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей / В.Н. Болтинский. ЁC М.: Из-во с.-х. литературы, 1962. ЁC 391 с.

Кобозев, А.К. Испытания ДВС. Методические указания для студентов факультета механизации с.х. (специальность 311300) / А.К. Кобозев. ЁC Ставропольская ГСА, Ставрополь, 1996. - 89 с.

Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей / А.И. Колчин, В.П. Демидов. ЁC М.: Высшая школа, 1980. ЁC 400 с.

Ленин, И.М. теория автомобильных и тракторных двигателей / И.М. Ленин. ЁC М.: Машиностроение, 1969. ЁC 368 с.

Марков, В.Р. Современные двигатели с.-х. тракторов и автомобилей и особенности их технической эксплуатации в условиях межхозяйственных предприятий. Уч. пособие / В.Р. Марков, В.М. Тимченко, В.Д. Груздов, Н.Ф. Булахов. ЁC Ставрополь, ССХИ, 1982. ЁC 79 с.

Николаенко, А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей / А.В. Николаенко. ЁC М.: Колос, 1984. ЁC 335 с.

Трубников, Г.И. Практикум по автотракторным двигателям / Г.И. Трубников.ЁC М.: Колос, 1968.

Хитрюк, В.А. Практикум по автотракторным двигателям: Учеб. пособие / В.А. Хитрюк, Е.С. Цехов. ЁC Мн.: Ураджай, 1989.

Ховах, М.С. Автомобильные двигатели / М.С. Ховах М.С., Г.С. Маслов. ЁC М.: Машиностроение, 1971. ЁC 456 с.

Ганькин,Ю.А. Основы теории автотракторных двигателей. Уч. пособие для вузов по спец. «Механизация с. х.», «Сервис и техническая эксплуатация транспортных и технологических машин и оборудования в с. х.» / Ю.А. Ганькин, М.Ю. Карелина, В.А. Кравченко, В.Г. Яровой. ЁC М.: Из-во РГАЗУ, 1997. ЁC 304 с.

Лекция 1
Тема 1: Перспективы и проблемы развития автотракторных


ДВС, история развития конструкции и теории ДВС.
Термодинамические процессы
Цель лекции: Рассмотреть необходимость изучения теории ДВС для инженера с.х. Вспомнить основы термодинамических процессов.
1.1 Перспективы, проблемы и задачи
развития автотракторных ДВС

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями.

Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую работу, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах.

По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ - это субстанция, с помощью которой происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу) различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Для ДВПТ характерны следующие особенности:

• теплота к РТ подводится вне рабочего цилиндра двигателя (обычно в теплообменнике);

• РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру;

• работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре.

Классический пример этого типа ТД - паровой двигатель.

Для ДВС характерно следующее:

• сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя;

• РТ обновляется в процессе работы двигателя.

ДВС по сравнению с ДВПТ имеют, как правило, существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности, вследствие чего они являются в настоящее время основным типом транспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают:

- поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС);

- двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД);

- газотурбинные двигатели (ГТД);

- реактивные двигатели (РД).

Необходимость осуществления больших объемов грузовых и пассажирских перевозок вызвала увеличение выпуска автомобилей. Эта тенденция устойчиво сохраняется и в настоящее время.

Основой автотранспортной энергетики в ближайшем будущем останутся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС), которые после почти столетнего развития достигли высокого совершенства. Факторами, влияющими на конструк­цию ПДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение надежности и возможность использования двигателя в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов.

В дополнение к этим факторам конструкция и рабочий процесс будут определяться также требованиями нормативных ограничений и технологическими требованиями. Поясним несколько подробнее сказанное.

Правильным является положение о том, что двигатель и потребляемое им топливо дают максимальный эффект в том случае, когда двигатель создан в расчете именно на потребляемое им топливо. В ближайшем будущем виды топлива нефтяного происхождения останутся основными энергоносителями для ПДВС. Однако следует предположить, что спрос на энергию в ближайшее десятилетие будет расти. Это справедливо потому, что повышение благосостояния и уровень жизни прямо пропорционально зависят от потребления энергии на душу населения. Это обстоятельство заставит если не в настоящее время, то в ближайшем будущем сделать выбор между альтернативными видами топлива. Этот процесс в мире и в нашей стране уже начался.

Усложнение конструкции двигателя потребует увеличения затрат труда, главным образом в сфере эксплуатации, что крайне нежелательно. Следовательно, предполагая дефицит рабочей силы, будет действовать тенденция, направленная на разработку и технологию изготовления двигателей, требующих минимальных затрат труда при обслуживании и ремонте.

Если еще раз обратиться к топливу, то здесь можно отметить, что в мире наметилась тенденция к выработке топлив по техническим требованиям, близким к предельным. Это происходит из-за желания производить больше топлива для удовлетворения растущей в нем потребности. Снижение качества топлива заставит искать решения, которые позволили бы избежать возможных негативных последствий в эксплуатации. Это обстоятельство предъявит более высокие требования к точности и стабильности регулировок, что приведет к усложнению конструкции ПДВС и потребует повышенных затрат труда в эксплуатации. Уже сейчас можно отметить снижение квалификации обслуживающего персонала. Другими словами, более совершенные ПДВС будут передаваться в эксплуатацию в руки в среднем менее квалифицированных работников. Здесь можно было бы назвать несколько причин: расширение сферы применения ПДВС, медленный рост производительности труда при обслуживании и ремонте ПДВС. Следовательно, необходимо обеспечить надежную работу ПДВС даже при нарушении номинальных параметров технических характеристик или неправильном использовании ПДВС.

Серьезные требования к конструкции двигателей предъявляются с точки зрения ограничения токсичных выделений и величины акустического излучения.

Практика показывает, что резервы их дальнейшего совершенствования далеко не исчерпаны. Многие достижения связаны с использованием микропроцессорной техники для управления системами ПДВС. Это, в свою очередь, обусловило прогресс в организации рабочих процессов и конструкции систем двигателей, рассчитанных на управление микропроцессором: топливоподача и искровое зажигание смеси, фазы газораспределения, управляемые системы впуска и наддува, управляемая интенсивность вихревого движения заряда в цилиндре, нейтрализация отработавших газов и т. п. Продолжаются активные поиски работоспособных конструкций, позволяющих осуществлять управляемое изменение рабочего объема цилиндров, степени сжатия, утилизации теплоты.

Глубокое понимание принципов работы ПДВС, строгая научная обоснованность путей и методов дальнейшего совершенст­вования ПДВС - главные требования к специалисту будущего.

Из всего комплекса проблем выделим главные:

1) улучшение топливной экономичности;

2) совершенствование экологических характеристик ПДВС;

3) повышение надежности ПДВС.

В общем виде основную задачу инженера ближайшего будущего можно было бы сформулировать следующим образом:

разработка экологически чистых энергоустановок, обеспечивающих высокое качество и эффективность выполнения автотракторых работ при минимальном воздействии на окружающую среду, минимальных затратах труда, эксплуатационных материалов и энергии при их производстве и в процессе эксплуатации.

Мобильная энергоустановка считается экологически чистой, если ее создание, функционирование и утилизация не приводят к нарушению стабильности экосистемы «автомобильный транспорт ЎЄ окружающая среда», т. е. выходу характеристик ее состояния за пределы допуска.

Таким образом, можно сформулировать следующие требования к энергоустановке: безопасность выполнения транспортных услуг, обеспечение транспортного комфорта и сохранности грузов при транспортировке, безвредность воздействия на окружающую среду, сохранение природных (топливно-энергетических, материальных, трудовых) ресурсов. Обязательным остается и требование транспортной эффективности, которому должна соответствовать любая, в том числе и экологически чистая, энергоустановка.

Для энергоустановок мобильных транспортных средств наибольшую значимость имеют высокая удельная мощность, минимальные выбросы оксидов азота, полиароматических углеводородов, допустимый уровень звука и минимальный удельный расход топлива.

Общая цель курса: «Основы теории и расчета ДВС» - это изучение свойств и показателей ДВС, влияние на них регулировок и др. эксплуатационных факторов, влияние режимов работы двигателей на показатели работы мобильных энергетических средств в процессе эксплуатации.

1.2 Роль отечественных и зарубежных ученых в
создании и развитии ДВС
Двигатель внутреннего сгорания - это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.

Идея сжигания топлива внутри цилиндра поршневой машины возникла в конце XVIII в.

В 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром был создан первый практически пригодный газовый ДВС. Он работал на светильном газе по 2-х тактному циклу (з = 4ЎK5%).

В 1876 г. немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-х тактный газовый ДВС, который нашел промышленное применение.

В 1889 г. - О.С. Костович в России построил первый бензиновый двигатель с искровым зажиганием. Этот двигатель имел высокие показатели и отличался прогрессивной конструкцией.

В 1897 г. - в Германии немецкий инж. Дизель Р., предложил ДВС с воспламенением от сжатия. Однако вследствие конструктивного несовершенства двигатель не получил широкого распространения и был снят с производства. Усовершенствование этого ДВС на заводе Л. Нобеля в г. Петербурге (ныне завод «Русский дизель») в 1898-99 г. позволило применить в качестве топлива нефть. В результате чего ДВС становится более экономичным тепловым двигателем.

В корпусах завода «Русский дизель» в окрестностях Санкт-Петербурга», недалеко от города Всеволожска, в настоящее время расположился завод «Форд». Территория ЁC 26 га, площадь корпусов 36000 м2 расположены три основных цеха: сварочный, окрасочный и сборочный. Сегодня завод способен выпустить 25 тыс. автомобилей в год. Планируется мощность (при дополнительных инвестициях) ЁC 100 тыс. Число сотрудников 400 чел. Производимая модель ЁC «Форд-Фокус», в России должен выпускаться с тремя типами кузова (пятидверный хэтчбек, седан и универсал). Бензиновый двигатель трех вариантов: 1,6; 1,8; 2.0 л.

В 1901 г. в США был разработан первый трактор с ДВС.

Ценный вклад в развитие бескомпрессорных дизелей внесли разработки Г.В. Тринклера и Я.В. Мамина.

Наряду с развитием двигателестроения развивалась и теория ДВС. Так, профессор МВТУ В.И. Гриневецкий в 1906 г. впервые разработал метод теплового расчета двигателя, развитый и дополненный в последствии в трудах Н.Р. Брилинга, Е.К. Мазина, Б.С. Стечкина, В.Н. Балтинского, Н.С. Ждановского, И.М. Ленина, М.Г. Круглова и др.

Поршневые ДВС, работающие на жидком топливе нефтяного происхождения, явились надежной основой развития машиностроения.
1.3 Классификация автотракторных двигателей
ДВС можно классифицировать по различным признакам (единой классификации нет) [1, 2]

I. По назначению:

а) стационарные - применяются на электростанциях, насосных установках, в с.х. и т.п.;

б) транспортные ЁC устанавливаемые на мобильных машинах: автомобилях, тракторах, судах, самолетах и др.

II. По роду применяемого топлива.

а) легком жидком топливе (бензоле, бензине, керосине, легроине, спирте);

б) тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом масле, дизельном топливе и газойле);

в) газовом топливе (генераторном, природном, пропан-бутановых и др. газах);

г) смешанном топливе (основным топливом является газ, а для пуска используется жидкое топливо);

д) различных топливах ЁC многотопливные (бензине, керосине, диз. топливе).


III. По способу преобразования тепловой энергии в механическую:

а) поршневые ЁC процесс превращения энергии совершается в цилиндре;

б) газотурбинные ЁC процесс сгорания топлива совершается в специальной камере сгорания, а превращение тепловой энергии в механическую происходит на лопатках колеса газовой турбины;

в) комбинированные ЁC сгорает топливо в поршневом двигателе, а превращение тепловой энергии в механическую совершается частично в цилиндре поршневого двигателя, а частично на лопатках колеса газовой турбины (турбопоршневые двигатели и т.п.).

IV. По способу смесеобразования:

а) с внешним смесеобразованием ЁC горючая смесь образуется вне цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную трубу);

б) с внутренним смесеобразованием ЁC рабочая смесь образуется внутри цилиндра двигателя (дизели, двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива в цилиндр).

V. По способу воспламенения рабочей смеси:

а) двигатели с искровым зажиганием ЁC воспламенение рабочей смеси от электрической искры;

б) двигатели с воспламенением от сжатия;

в) двигатели с форкамерно-факельным зажиганием (воспламенение богатой смеси искрой осуществляется в специальной камере малого объема, а основное сгорание обедненной смеси происходит в основной камере);

г) двигатели с воспламенением газового топлива от небольшой порции дизельного топлива, воспламеняющегося от сжатия; ЁC газожидкостный процесс.

VI. По способу осуществления рабочего цикла:

а) 4-х тактные без наддува (впуск воздуха из атмосферы) и с наддувом (впуск свежего заряда под давлением), рабочий цикл совершается за 4 такта, 2-а оборота коленвала;

б) 2-х тактные (без наддува и с наддувом) ЁC рабочий цикл совершается за 1 оборот коленвала.

VII. По способу регулирования нагрузки:

а) двигатели с качественным регулированием ЁC с изменением нагрузки меняется состав смеси путем изменения количества вводимого топлива (дизельные);

б) двигатели с количественным регулированием ЁC с изменением нагрузки состав смеси остается постоянным и меняется только ее количество (карбюраторные);

в) двигатели со смещенным регулированием ЁC когда изменяются количество и качество смеси.

VIII. По конструкции: (большое обилие)

а) поршневые двигатели:

по распроложению цилиндра:

ЁC рядные вертикальные;

ЁC рядные горизонтальные;

ЁC VЁC образные;

ЁC звездообразные (веерообразные);

ЁC противолежащими цилиндрами ЁC оппозитные;

по расположению поршней:

ЁC однопоршневые (в каждом цилиндре один поршень и одна рабочая полость);

ЁC с противоположно движущимися поршнями (рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном цилиндре);

ЁC двойного действия (рабочие полости по обе стороны поршня);

б) роторно-поршневые двигатели:

ЁC ротор (поршень) совершает планетарное движение в корпусе (наибольшее применение);

ЁC поршень неподвижен, а корпус совершает планетарное движение;

ЁC ротор и поршень совершают вращательное движение ЁC бироторные двигатели;

с) с вращающимся цилиндром и неподвижной кулачковой шайбой. В основу конструкции двигателя, работающего по циклу Кристиансена (циклу К), заложена идея повышения эффективности работы за счет увеличения степени расширения газов. В двигателе обычным количеством воздуха этого сделать невозможно, не изменяя степень сжатия.

У двигателя цикла «К» коленчатого вала нет, а имеется общий для всех цилиндров кулачковый шайба (барабан). Профиль кулачка подобран с таким расчетом, чтобы обеспечить различный ход поршня при разных тактах (рабочий ход и ход выпуска могут быть в 3 раза длиннее ходов впуска и сжатия смеси), тем самым используется большая часть энергии расширяющихся газов.

IX. По способу охлаждения:

а) жидкостное;

б) воздушное.


1.4 Термодинамические процессы.

Теория ДВС базируется на законах теплотехники и термодинамики; теоретической механики и ТММ; сопротивлении материалов и деталей машин. В связи с этим необходимо рассмотреть основные зависимости термодинамических процессов.

Состояние рабочего тела характеризуется следующими параметрами: P, v и T.

где P ЁC давление

(1 бар = 105 µ § = 10 µ §= 1,02 µ §; 1Па = µ §; 1МПа = 106 µ §);

v ЁC удельный объем, µ §; (V ЁC абсолютный объем, м3);

T ЁC абсолютная температура, град.

Характеристическое уравнение Клайперона-Менделеева

P v = R T,

где R ЁC газовая постоянная (µ §; µ §)


1.4.1 Изохорный процесс

V ЁC сonst ЁC (постоянная). P, T ЁC Var (варьирующие, переменные).

Рассмотрим состояние газа в координатах P-V.

Рисунок 1.1 ЁC Изохорный процесс


Характеристическое уравнение Клайперона-Менделеева P·v = R·T:

В массовом выражении, для m, кг газа

P·v·m = m·R·T; P·V = m·R·T.

В мольном выражении, для µ, кмоль газа [молекулярная масса], µ §

P·v·µ = µ·R·T; P·Vµ = R·µ·T,

где Vµ ЁC объем кмоль газа, µ §;

[килограмм-моль, или кмоль ЁC это количество газа (масса которого в кг) численно равная его молекулярной массе]

Rµ ЁC универсальная газовая постоянная ЁC величина постоянная для любого газа, µ §

Rµ = µ·R = 8315 µ §;

µ ЁC молекулярная масса газа, µ §.


Тогда для точки «1» ЁC P1V1 = RT1;

для точки «2» ЁC P2V2 = RT2

т.к. v1 = v2 и рабочее тело постоянно, т.е. R= const, тогда

µ §


µ § , или µ §, т.е.

Рассмотрим, на что расходуется тепло.

Общее количество теплоты

Q = mCv (T2 ЁC T1), кДж.

ЁC где Сv ЁC теплоемкость газа, µ §.

Теплоемкость ЁC количество теплоты, которое необходимо для нагревания на 10 единицы количества газа.

Различают теплоемкости:

ЁC мольную ЁC µ §;

ЁC массовую ЁC µ §;

ЁC объемную ЁC µ §.

Для расчетов рабочих процессов двигателей обычно пользуются средними мольными теплоемкостями:

ЁC при постоянном объеме Сv µ §

ЁC при постоянном давлении Сp

Ср ЁC Сv = µ § = R, µ §. Ср = Сv + R

или µСp ЁC µCv = 8,315 µ §.

Отношение µ § ЁC показатель процесса.

Для 2-атомного газа (воздух) ЁC к =1,41

Для 3-, многоатомного газа ЁC к = 1,29

Для рассматриваемого процесса на основании I закона термодинамики (I закон термодинамики - теплота сообщаемая рабочему телу (системе), расходуется на приращение его (ее) внутренней энергии и на совершение работы):

в абсолютном выражении для G кг газа: Q = U + L,

в относительном выражении, для 1 кг газа: q = u + l

[qv = cv (T2 ЁC T1) + l ЁC количество подведенного тепла расходуется на увеличение внутренней энергии газа и совершения работы, т.е.

q = u + l ; u = cv (T2 ЁC T1) и l = 0, тогда qv = cv (T2 ЁC T1), µ §.

все тепло расходуется только на изменение внутренней энергии.

В абсолютном выражении: Qv = mCv (T2 ЁC T1), кДж.
1.4.2 Изобарный процесс

Для изобарного процесса: P ЁC const, v, T ЁC var

Рисунок 1.2 ЁC Изохорный процесс
Из характеристики уравнения: P·V=R·T

P2 V2 = R T2 Разделим первое на второе

P1 V1 = R T1 имея в виду P2 = P1

µ § т.е. µ §.

Удельное количество теплоты:

qp = cp (T2 ЁC T1), µ §

Общее количество теплоты

Q = m cp (T2 ЁC T1), кДж.

Уравнение I закона термодинамики для процесса P=сonst:

qp = u + l = cv (T2 ЁC T1) + P(v2-v1), µ §

[P(v2-v1) = R(T2 ЁC T1)]

qp =( cv + R)( T2 ЁC T1) = cp (T2 ЁC T1).

Общее количество теплоты:

Qp = m[cv(T2 ЁC T1)+ P(v2 ЁCv1)] = mCp (T2 ЁC T1).


1.4.3 Изотермический процесс

Для изотермического процесса:

Т = const, P,v = Var

Рисунок 1.3 ЁC Изотермический процесс


Этот процесс можно осуществить, если имеется достаточно большой емкости источник теплоты данной температуры. При этом обеспечивается непрерывный подвод теплоты к телу в течение всего процесса при неизменной (постоянной) температуре.

Из характеристического уравнения - PV = RT имеем:

P2V2 = P1V1, PV = const, µ §

1 ЁC 2 изотерма расширения (dq>0)

1 ЁC 2/ изотерма сжатия (dq<0)

т.к. Т = const, то U = 0

qТ = l ЁC вся подводимая теплота затрачивается на совершение работы.

Удельная работа при изотермическом расширении 1-2

µ §

µ §, µ §


Полная работа

µ §, µ §


где µ §.
1.4.4 Адиабатный процесс

Процесс ЁC без теплообмена рабочего тела с внешней средой.

При адиабатном изменении состояния газа предполагается, что рабочее тело заключено в теплоизолирующую (адиабатную) оболочку, т.е. отсутствует подвод и отвод тепла.

P1 ,V1 ,T ЁC var, dq=0

Рисунок 1.4 ЁC Адиабатный процесс
Уравнение адиабатного процесса

Pvk = const, µ § соотношение между (P, v).

Из характеристического уравнения P1V1 = RT1

P2V2 = RT2

Pv = RT;

µ § приравниваем правые части

µ §

µ §, µ § соотношение между (T, v)



µ § µ §

µ §, µ § соотношение между (TP).

Удельная работа адиабатического процесса

т.к. q = 0 u = - l

l = Cv (T1 - T2); cP - cv = R, разделим на cv

µ §, µ §


µ §

µ §


µ §

Выразим l через соотношение объемов V

µ §

подставим в l



µ §

Полная работа

µ §
1.4.5 Политропный процесс
В политропном процессе все параметры газа (P,v,T и u) являются переменными и одновременно происходит теплообмен между телом и внешней средой. Доли теплоты, расходуются на: изменение внутренней энергии (ц=µ §); на совершение работы (1-ц=µ §), остаются неизменными в течении всего процесса.

Уравнение политропы имеет вид (по аналогии с адиабатным):

(P,v,T, u = Var) Pvn = const

µ § [P,v]

где n ЁC показатель политропы.

Из характеристического уравнения: PV = RT

µ § или µ §

µ §; Tvn-1 = const [T,V]

Из уравнения определяем µ § и сравниваем их

µ § µ §


µ §, или µ §

Работа политропного процесса

µ § или µ §

Политропный процесс ЁC это обобщенный процесс.

Рисунок 1.5 ЁC Политропный процесс

А. n=0; µ §- изобарный процесс;

Б. n= Ѓ‡; µ § - изохорный процесс;

В. n=k; µ § - адиабатный процесс;

Г. n=1 µ § - изотермический процесс.
1.5 Основные показатели теплоиспользования циклов

Циклом называется совокупность процессов, происходящих в определенной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в начальное состояние.

Критерием для оценки теплового цикла служит термический кпд, представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу, к количеству подведенной теплоты

µ §,


где Q1 ЁC количество теплоты, подведенное к рабочему телу от постороннего источника, кДж;

Q2 ЁC количество теплоты, отведенное от рабочего тела холодному источнику, кДж.

Термический кпд всегда меньше 1, т.к. Q2 > 0. Эта неизбежная потеря в условиях реального кругового процесса часто весьма велика и составляет 50ЎK75% от подводимой в цикле теплоты (Q1).

Удельная работа цикла ЁC отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу к рабочему объему двигателя µ §, т.е. удельная работа цикла численно равна среднему постоянному давлению за цикл.

µ §.
1.6 Адиабатно-изотермический цикл (цикл С. Карно)

Самым экономическим циклом, являющимся эталоном для сравнения, с наиболее полным превращением теплоты в работу является цикл Карно [французский инженер Сади Карно - 1824]. Однако двигатель, работающий по этому циклу, на практике не осуществим из-за бесконечно медленных процессов изотермического сжатия и расширения. Как имеющий по сравнению с другими известными циклами наибольший термический КПД, он служит эталоном для их сравнения и показывает степень совершенства реальных тепловых двигателей.


Рисунок 1.6 ЁC Цикл С.Карно


Линии:

1-2 ЁC изотермическое расширение;

2-3 ЁC адиабатное расширение;

3-4 ЁC изотермическое сжатие;

4-1 ЁC адиабатическое сжатие.
Для осуществления цикла Карно система тел должна иметь два источника (тепловых):

ЁC источник высокой температуры, от которого рабочее тело получает тепло Q1 ;

ЁC источник более низкой температуры, которому отдается тепло Q2.

µ § или µ §

Так как за цикл внутренняя энергия рабочего тела не изменяется, то полезная работа цикла совершается за счет расхода тепловой энергии источника с высокой температурой.

Причем, часть теплоты Q2 неизбежно отводится холодильнику.

Вывод (µ §):

µ §;


µ §;

µ §;


µ §;

µ §.


Рассмотрим адиабаты расширения и сжатия:

Для адиабаты 2-3: µ §

µ §

Для адиабаты 4-1: µ §



µ §, следовательно

µ §, или µ §

Тогда

µ §;


µ §.

Вывод:


µ § ЁC всегда меньше 1, т.к. не может быть µ § или Т2 = 0.

µ § возрастает с повышением Т1 и с уменьшением Т2.

При Т1 = Т2, µ §=0, т.е. невозможно превратить теплоту в работу при отсутствии температурного перепада между двумя тепловыми источниками.

Например:

Если для ДВС: Т1 = 25000К; T2 = 3000K, то µ §

В таком цикле Рmax = 10000 кг/см2 , е = 1500;

Цикл Карно осуществить практически невозможно, т.к. двигатель имел бы весьма значительные размеры из-за очень высоких давлений. При этом имели бы место большие потери на трение.

Цикл Карно дает возможность судить о степени совершенства сравниваемых циклов и положен в основу II закона термодинамики ЁC полный переход теплоты в работу невозможен.

II закон термодинамики (имеет много формулировок):

В круговом процессе подводимая теплота (q1) не может быть полностью превращена в работу, часть этой теплоты (q2) отводится в холодный источник.

Лекция 2
Тема 2: Теоретические циклы двс

Цель лекции: На основе рассмотрения теоретических циклов определить пути улучшения использования тепла в двс.

2.1 Общие сведения

В реальном ДВС преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую сопровождается комплексом сложных физико-химических и термодинамических процессов. Совокупность процессов периодически повторяющихся в полости цилиндра и составляют цикл двс.

Действительный цикл, состоящий из реальных, сложно протекающих процессов, очень трудно анализировать при помощи обычных термодинамических соотношений. Поэтому, чтобы оценить степень совершенства процессов, происходящих в двс и определить пути для улучшения использования тепла, принято действительные циклы сравнивать с теоретическими.

Замкнутые теоретические циклы в отличие от действительных процессов, происходящих в цилиндре двигателей, характеризуются следующими допущениями:

1. Циклы являются замкнутыми и протекают с постоянным количеством одного и того же рабочего тела. Нет процессов впуска и выпуска и обусловленные этим потери.

2. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, т. е. без теплообмена с окружающей средой, с одинаковыми и постоянными показателями адиабат.

3. Состав и теплоемкость рабочего тела остается постоянным.

4. Подвод теплоты производится от постороннего источника только при постоянном объеме и постоянном давлении.

5. Отсутствуют какие-либо потери теплоты (в т. ч. на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику.

Практическое значение для поршневых двс имеют пять теоретических циклов:

1. Цикл с подводом теплоты при V=const, что примерно соответствует карбюраторному двигателю.

2. Цикл с подводом теплоты при P=const, что примерно соответствует компрессорному дизелю.

3. Цикл со смешанным подводом теплоты, что примерно соответствует дизелю без наддува.

4. Теоретический смешанный продолженный цикл с переменным давлением газов перед газовой турбиной.

5. Теоретический смешанный продолженный цикл с постоянным давлением газов перед газовой турбиной.

Что касается цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат, то он не может быть практически применим, т. к. получается незначительная мощность при очень высоких температурах и давлениях в цилиндре.

Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить три задачи:

1. Оценить влияние различных факторов на зt и Pt (термического КПД и среднего давления) и установить оптимальное значение этих факторов.

2. Провести сравнение различных теоретических циклов с точки зрения лучшей экономичности.

3. Получить числовые значения зt и Pt, которые могут являться критериями для оценки степени совершенства реальных двигателей.


Цикл со смешанным подводом теплоты является обобщающим, и мы начнём рассмотрение его:
2.2 Цикл со смешанным подводом теплоты

Цикл Тринклера ЁC Сабате (Тринклер ЁC российский ученый-теплотехник, Сабате ЁC французский ученый). По такому циклу работают двигатели с воспламенением топлива от теплоты сжатия и его впрыском непосредственно в цилиндр. Реализация цикла возможна в относительно малом диапазоне частот вращения вала, обычно от 600 до 2500 об/мин и в редком случае до 3200 об/мин. Ограничение максимальной частоты вращения объясняется трудностью организации смесеобразования топлива с воздухом за очень малый промежуток времени.

Рисунок 2.1 ЁC Цикл со смешанным подводом теплоты
ac ЁC адиабата сжатия;

сz/ - подвод тепла при v = const (изохорный);

z/z ЁC подвод тепла при p = const (изобарный);

zb ЁC адиабата расширения;

ba ЁC отвод теплоты при v=const (изохорный).

Vn ЁC обьём, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ (рабочий объем цилиндра двигателя)

µ §

где D ЁC диаметр цилиндра, дм;



S ЁC ход поршня, дм;

Vc ЁC объём камеры сгорания, л;

Va ЁC полный объём цилиндра двигателя, л.

Относительными показателями цикла являются:

µ § - степень повышения давления (т.к. Рz=Pz’)

µ § - степень предварительного расширения (т.к. Vc=VzЃЊ)

µ § - степень последующего расширения;

µ § - показатель адиабаты;

µ § - степень сжатия;

µ §; µ §


µ §; µ §

µ § µ §




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал