Определение термодинамических параметров рабочего тела в характерных точках рабочего цикла дизельного двигателя внутреннего сгорания

 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине:

Тепловые  двигатели и нагнетатели 

«Определение  термодинамических  параметров рабочего тела в характерных  точках рабочего цикла  дизельного двигателя внутреннего сгорания» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Дизели  представляют собой двигатели внутреннего  сгорания (Д.В.С.) с внутренним смесеобразованием  и воспламенением горючей смеси  от температуры сжатого воздуха, работающие преимущественно на тяжелом  жидком топливе по термодинамическому циклу со смешанным способам подвода  теплоты.

     Рабочий цикл Д.В.С., т.е. совокупность процессов, в результате которых обеспечивается преобразование термодинамической  энергии топлива в механическую работу, проходит в цилиндрической камере, образованной стенками цилиндра, его головкой (крышкой) и перемещающимся в цилиндре поршнем.

     Основным  параметром цикла служит степень  сжатия, представляющая собой отношение  полного объема цилиндра к объему камеры сжатия. Степень сжатия показывает во сколько раз уменьшается объем рабочего тела в цилиндре при перемещении поршня от одного крайнего положения к другому (от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки). Средние значение степени сжатия для современных дизелей без наддува лежат в пределах 14-16. Минимальные значения степени сжатия устанавливают из условия надежного воспламенения топлива, максимальные – по допустимым нагрузкам на детали рабочего механизма. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Исходные  данные

 

     Для четырехтактного дизеля без наддува  заданной эффективной мощности, обеспечивающего  привод электрического генератора переменного  тока, необходимо:

1. Определить параметры рабочего тела в характерных точках термодинамического цикла;
2. Построить и обработать индикаторную диаграмму цикла;
3. Выбрать число цилиндров и определить их размеры, порядок работы;
4. Определить индикаторные и эффективные показатели работы.

     Стандартные параметры окружающей среды:

• Барометрическое давление ;
• Температура .

     Топливо дизельное:

• Состав рабочей массы

     Данные  характеристики Д.В.С.:

• Степень сжатия =14
• Степень предварительного(изобарного) расширения рабочего тела в процессе сгорания; =1.15
• Давление в конце процесса сгорания Р = 7.0 МПа;
• Мощность дизеля Ne = 160кВт;
• Частота вращения коленчатого вала .

 
 
 
 
 
 
 

    2. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). 

     В четырехтактных Д.В.С. рабочий цикл осуществляется за 4 хода поршня, соответствующие двум оборотам коленчатого вала двигателя. При этом тактом считают часть рабочего цикла, приходящуюся на один ход поршня. В четырехтактном дизеле через впускные клапаны, управляемые механизмом газораспределения, в цилиндр поступает воздушный заряд. Сжимаемый поршнем воздух нагревается до температуры 500-600 ⁰C, превышающий температуру воспламенения горючей смеси, которая образуется при впрыске в цилиндр в конце процесса сжатия мелкораспыленного топлива. Момент впрыска зависит от характеристик топлива, в частности от его цетанового числа, качества распыления, типа камеры сгорания и др. В результате процесса горения в цилиндре образуется газообразные продукты сгорания с высокой температурой (до 2000 ⁰C) и давлением до 10 МПа. Расширяясь, они заставляют поршень перемещаться от верхней мертвой точки к нижней. Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно поступательное движение поршня во вращение вала, передовая вращающий момент, а следовательно, и эффективную мощность потребителю нагрузки, в частности генератору электрического тока.

     Основные  технико-экономические показатели работы дизеля, как и других Д.В.С. –эффективная мощность, т.е. полезная мощность на валу двигателя и эффективный  КПД, а также соответствующий  ему удельный эффективный расход топлива, позволяющий оценить топливную  экономичность двигателя. Четырехтактные дизели представляют собой наиболее экономичный тип современного теплового  двигателя. Экономичность дизеля объясняется  реализацией в его рабочем  цикле высоких максимальных температур при относительно низких средних  температурах цикла, что обусловлено  большой степенью расширения рабочего тела в цилиндре.

     Заданная  эффективная мощность двигателя  внутреннего сгорания конструктивно может быть реализована при различном числе цилиндров. Увеличение числа цилиндров при данной мощности позволяет уменьшить их рабочий объем и, следовательно, основные геометрические размеры, от которых зависит средняя скорость движения поршня, определяющая потери на трение и инерционные воздействия на детали рабочего механизма. Преимущества многоцилиндровой конструкции состоит в возможности выбора оптимального соотношения между ходом поршня и диаметром цилиндра, обеспечения равномерного вращающего момента на валу, снижение массы маховика. Внешние конструктивные формы многоцилиндрового двигателя более рациональны. Вместе с тем увеличение числа цилиндров при заданной мощности усложняет конструкцию двигателя, увеличивается его стоимость, удорожает эксплуатация и ремонт.

    Циклы поршневых двигателей внутреннего  сгорания подразделяют на три группы:

- с  подводом теплоты при постоянном  объеме (карбюраторные ДВС);

- с  подводом теплоты при постоянном  давлении (компрессорные дизели);

• со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме (безкомпрессорные дизели);

    Основными характеристиками или параметрами  любого цикла теплового двигателя  являются следующие безразмерные величины:

    степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия): er = u₁/u₂:           (7.5)

    степень повышения давления (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты): l = Р₃/Р₂:       (7.6)

    степень предварительного или изобарного расширения (отношение удельных объемов в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты): r = u₃/u₂.  (7.7)

     1). Рассмотрим цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме на примере четырехтактного двигателя. Диаграмма реального двигателя представлена на рис.7.3:

    а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий  клапан поступает смесь воздуха  и паров горючего;

    1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается  температура);

    2-3 – сгорание горючей смеси,  давление быстро возрастает при  постоянном объеме (подвод теплоты  q₁);

    3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (полезная работа);

    4-а  – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр давление цилиндра падает (отвод тепла q₂).

    1-а  (4 такт) – выталкивание оставшихся  в цилиндре газов.

     Затем процесс повторяется. Описанный  процесс является необратимым (наличие  трения, химической реакции в рабочем  теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и  т.п.).

    Для анализа теории тепловых машин термодинамика  рассматривает идеальные циклы  обратимые циклы. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего  сгорания показана на рис.7.4. Из этой диаграммы  выводится формула для термического к.п.д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, который имеет следующий вид:

     h_t = 1 – 1/e^g,       (7.8)

    где: e – степень сжатия (основной показатель работы двигателя, чем выше е, тем выше экономичность ДВС); 
g – показатель адиабаты.

    2). Идеальный цикл ДВС со смещанным подводом теплоты при постоянном объеме (безкомпрессорные дизели). Диаграмма цикла показана на рис. 7.5:

    1-2 - чистый воздух с температурой  Т₁ сжимается до температуры Т₂, которая больше температуры воспламенения топлива. В этот момент в цилиндр через форсунки под давлением впрыскивается топливо;

    2-3 – горючая смесь самовоспламеняется  и к рабочему телу подводится  тепло q₁^/, давление повышается до Р₃;

    3-4 – поршень перемешается обратно,  поступление и сгорание топлива  продолжается при постоянном  давлении и подводится тепло  q₁^//;

    4-5 – поршень продолжает перемещаться  в нижнюю мертвую точку, давление  падает (адиабатное расширение);

    5-1 – процесс отвода теплоты q₂ при постоянном объеме (через выпускной клапан покидают отработанные газы).

    Термический к.п.д. цикла определяется по формуле:

    h_t = l – (lr^g – 1)/e^g-1[(l - 1) + gl(r – 1)].       (7.9)

    Цикл  двигателей с подводом теплоты при  постоянном давлении широкое применение не нашли, так как у этих циклов очень большой коэффициент сжатия.

     3. Определение термодинамических параметров рабочего тела в характерных точках рабочего цикла 

     

1. Давление  воздуха в начале процесса сжатия с учетом потерь во впускных клапанах:

     

2. Температура воздуха в начале процесса сжатия:

 

     

где -температура воздуха перед впускным клапаном ( ); -подогрев воздуха от горячих стенок головки цилиндра и клапанов( , берем значение ); -температура газов в начале выпуска ( , берем значение ); - коэффициент остаточных газов( берем значение

3. Давление воздуха в конце процесса сжатия:

      где

      - показатель политропы процесса сжатия ( , берем значение )

4. Температура воздуха в конце процесса сжатия:

     

5. Степень повышения  давления в процессе сгорания:

     

где - авление в конце процесса сгорания; -окончание изохорного участка; -окончание изобарного участка.

6. Температура рабочего тела в конце процесса сгорания:

     

7. Давление  рабочего тела в конце процесса расширения:

     

где -показатель политропы процесса расширения ( , берем значение )

8. Температура рабочего тела в конце процесса расширения: