Расчет процесса сжатия свежего заряда

4.2.1. Молекулярная масса свежего заряда определяется по формуле , (4) здесь m_б, m_в – массовые доли паров бензина и воздуха; m_б, m_в- молярные массы паров бензина и воздуха.Масса свежего заряда – M_с.з.= 1 кг паров бензина + 16,9 кг воздуха = 17,9 кг. Массовая доля паров бензина m_б= =0,06, массовая доля воздуха m_в = =0,94. Подставляем эти значения в (4): кг/кг*моль.

4.2.2. Для расчета теплоемкости свежего заряда, учитывая малое содержание паров бензина в смеси, можно использовать формулу для теплоемкости воздуха (с достаточной для инженерной практики точностью).

Среднее значение молярной теплоемкости для изохорического процесса в интервале температур 0-T рассчитывается по формуле (5), где .

Задаемся значением Т₂ =625 К. ДЖ/кмоль*К, теперь можно определить величину удельной массовой теплоемкости (6) Дж/(кг*К).

Показатель адиабаты для процесса сжатия. Газовая постоянная для свежего заряда вычисляется по формуле (7) Дж/(кг*К)

Среднее значение теплоемкости при постоянном давлении (8) . Дж/(кг*К)

Показатель адиабаты для процесса сжатия (9) =1,378.

Показатель политропы для процесса сжатия. В задании приводится значение (n₁-k₁)=-D₁, поэтому n₁= k₁-D₁= 1,378 – 0,009=1,37. P₁*V₁₌RT; =>

Теперь можно определить параметры в конце процесса сжатия: м³/кг, Па, К. Полученное значение температуры отличается от изначально принятого на 207К.

Зададимся другим значением Т₂.

Задаемся значением Т₂ =832 К. ДЖ/кмоль*К, теперь можно определить величину удельной массовой теплоемкости (6) Дж/(кг*К).

Среднее значение теплоемкости при постоянном давлении (8) . Дж/(кг*К)

Показатель адиабаты для процесса сжатия (9) =1,373.

Показатель политропы для процесса сжатия. В задании приводится значение (n₁-k₁)=-D₁, поэтому n₁= k₁-D₁= 1,373 – 0,009=1,364.

P₁*V₁₌RT; =>

Теперь можно определить параметры в конце процесса сжатия: м³/кг, Па, К. Полученное значение температуры отличается от изначально принятого на 8К. Итерация: Взяли Т₂=832, получили 824 после второй подгонки.

РП 5Определение параметров цикла в конце процесса сгорания. Температура в конце сгорания вычисляется по формуле (15) , где q_2,3 – количество теплоты выделившейся при сгорании 1 кг свежего заряда. Её можно вычислить по формуле (16) , где x_Z – коэффициент подвода теплоты, его значение – для карбюраторных двигателей находится в пределах 0,85–0,95, выбираем 0,9, x_a – учитывает меньшее выделение теплоты – x_a=1,4a-0,4, при α 1

К. Полученная температура отличается от первоначально принятой на 5 К, что находится в пределах допустимого.

, V₃=V₂, .=> Па. Итерация: Взяли Т₃=2850, получили 2845,3

РП 6 Процесс расширения. В процессе расширения теплота сгоревшего топлива преобразуется в механическую работу.Процесс расширения происходит при догорании топлива, сопровождается утечкой газов через не плотности между цилиндром и поршнем и отводом теплоты в окружающую среду. Поэтому он характеризуется политропным изменением параметров газа. В конце процесса расширения у карбюраторных двигателей давление Р=0,3..0,4Мпа и температура Т=1200..1500К, а у дизелей 0,2..0,3Мпа, 900..1200К. Показатель адиабаты. Задаемся значением температуры в конце процесса расширения Т₄= 1610 К: К. Вычисление средних значений молярных теплоемкостей (в интервале температур) производится по формулам (13) и (14).

; ДЖ/кмоль

ДЖ/(кг*К),

, ДЖ/(кг*К)

Показатель политропы

РП 7 Процесс выпуска У автотракторных двигателей для наиболее полной очистки цилиндров от отработавших газов выпускной клапан открывается за 40-70° до прихода поршня в НМТ и закрывается на 10-25° позже того, как поршень минует ВМТ. При опережении открытия выпускного клапана к моменту прихода поршня в НМТ значительная часть отработавших газов под действием собственного избыточного давления выходит из цилиндра с большой скоростью. Это уменьшает работу на выталкивание газов из цилиндра во время движения поршня от НМТ к ВМТ. Запаздывание закрытия выпускного клапана дает возможность использовать для лучшей очистки цилиндров инерцию отработавших газов, имеющих большую скорость. Параметры:

Р=0,11..0,12: Т=700..1100. У дизелей меньше. Использование: турбо наддув,

обогрев пр Па, V₄=V₁,

Полученное значение температуры отличается от первоначально принятого на 10, что находится в допустимом интервале отклонения.Итерация: Взяли Т₄=1610, получили 1620.

РП 8 Индикаторная диаграмма цикла. Индикаторная диаграмма и цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания. Циклы с подводом тепла при v=const, p=const и смешанным подводом тепла. КПД циклов и их термодинамический анализ. На рисунках изображены схема двигателя и график изменения давления внутри цилиндра в зависимости от перемещения поршня (индикаторная диаграмма). Поршень двигателя совершает возвратно-поступательные движения и через кривошипно-шатунный механизм вращает вал, который соединен с потребителем механической работы. 1-2 - процесс наполнения цилиндра (первый такт).В крайнем правом положении поршня (нижняя мертвая точка) всасывающий клапан закрывается. 2-3 - процесс сжатия горючей смеси (второй такт). 3-4 - процесс расширения продуктов горения (третий такт). Вблизи нижней мертвой точки открывается выхлопной клапан, поршень выталкивает продукты горения в атмосферу. 4-1 - процесс выталкивания (выхлопа) продуктов горения из цилиндра в атмосферу (четвертый такт). Рабочий процесс теплового двигателя есть совокупность отдельных процессов, протекающих последовательно в реальном двигателе за два или один полный оборот коленчатого вала. Ниже приведены циклы различных поршневых двигателей: цикл Отто, цикл Дизеля и цикл Тринклера (Сабатэ). Цикл Отто (v=const) Цикл Дизеля (p=const)

Цикл Тринклера (со смешанным сгоранием).

1-2 В р бочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры,обеспечивающей воспламенение жидкого топлива. 2-5 Сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры(v=const). 5-3 Догорание оставшегося топлива врабочем цилиндре(p=const).

3-4 Адиабатическое расширение продуктов сгорания.4-1 Удаление отработавших газов. Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто – часть процесса сгорания осуществляется при постоянном давлении.

КПД циклов и их термодинамический анализ. 1ф.Отто; 2ф.Дизель;3ф.Тринклер.

тепень повышения давления при изохорном процессе сгорания. k-показатель адиабаты. Необратимое адиабатное сжатие в компрессоре.Преимущество цикла дизеля в том, что достигается высокая степень сжатия. При одинаковых степенях сжатия e: Дизеля < Тринклера < Отто. А при одинаковых наивысших температурах цикла (Т3): Дизеля > Тринклера > Отто.

РП 9Индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность. Под средним индикаторным давлением Pi понимают такое условное постоянное давление, которое действуя на поршень в течение одного, рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл.Согласно определению, среднее индикаторное давление – отношение индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра Vh, т.е. Pi=Li/Vh.

При наличии индикаторной диаграммы, снятой с двигателя, среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании Vh, площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в

некотором масштабе индикаторную работу Li. Определить с помощью планиметра полезную площадь F индикаторной диаграммы (м^2) и длину l индикаторной диаграммы (м), соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления Pi=F*m/l, где m - масштаб давления индикаторной диаграммы,Па/м. Средние индикаторные давления при номинальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей 0.8 - 1.2 МПа, у четырехтактных дизелей 0.7 - 1.1 МПа, у двухтактных дизелей 0.6 - 0.9 МПа. Индикаторной мощностью Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени. Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi*Vh.

Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*10^-3, где n - частота вращения коленчатого вала, 1/с, T - тактность двигателя - число тактов за цикл (T=4 – для четырехтактных двигателей и T=2 - для двухтактных).

Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров i Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*i*10^-3.

Эффективная мощность и средние эффективные давления.

Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы.Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.

Мощность механических потерь затрачивается на трение и приведение в действие кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения, вентилятора, жидкостного, масляного и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов и приборов. Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД nm, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е. Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni. Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 - 0.9.Зная величину механического КПД можно определить эффективную мощность Ne=nm*Ni. Аналогично индикаторной мощности определяют мощность механических потерь Nm=2/T*Pm*Vh*ni*10^-3, где Pm - среднее давление механических потерь, т.е. часть среднего индикаторного давления, которая расходуется на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов и приборов.

Согласно экспериментальным данным для дизелей Pm=1.13+0.1*ст; для карбюраторных двигателей Pm=0.35+0.12*ст; где ст - средняя скорость поршня, м/с.

Разность между средним индикаторным давлением Pi и средним давлением механических потерь Pm называют средним эффективным давлением Pe, т.е. Pe=Pi-Pm.

Эффективная мощность двигателя Ne=(2/T)*Pe*Vh*ni*10^-3, откуда среднее эффективное давление Pe=10^3*Ne*T/(2Vh*ni).

Среднее эффективное давление при нормальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателе 0.75 - 0.95 МПа, у четырехтактных дизелей 0.6 - 0.8 МПа, у двухтактных 0.5 - 0.75 МПа.

Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива. Экономичность действительного рабочего цикла двигателя определяют индикаторным КПД ni и удельным индикаторным расходом топлива gi. Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь и представляет собой отношение теплоты Qi, эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте Q, т.е. ni=Qi/Q (а).Теплота (кВт), эквивалентная индикаторной работе за 1 с, Qi=Ni.

Теплота (кВт), затраченная на работу двигателя в течение 1 с, Q=Gт*(Q^p)н, где Gт - расход топлива, кг/с; (Q^p)н - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг. Подставляя значе-ние Qi и Q в равенство (а), получим ni=Ni/Gт*(Q^p)н (1).Удельный индикаторный расход топлива [кг/кВт*ч] представляет собой отношение секундного расхода топлива Gт к индикаторной мощности Ni, т.е. gi=(Gт/Ni)*3600, или [г/(кВт*ч)] gi=(Gт/Ni)*3.6*10^6.

Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива. Экономичность работы двигателя в целом определяют эффективным КПД ni и удельным эффективным расходом топлива ge. Эффективный КПД оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь как тепловых так и механических и представляет собой отношение теплоты Qe, эквивалентной полезной эффективной работе, ко всейзатраченной теплоте Gт*Q, т.е. nm=Qe/(Gт*(Q^p)н)=Ne/(Gт*(Q^p)н) (2).

Так как механический КПД равен отношению Ne к Ni, то, подставляя в уравнение, определяющее механический КПД nm, значения Ne и Ni из уравнений (1) и (2), получим nm=Ne/Ni=ne/ni, откуда ne=ni/nM, т.е. эффективный КПД двигателя равен произведению индикаторного КПД на механический. Удельный эффективный расход топлива [кг/(кВт*ч)] представляет собой отношение секундного расхода топлива Gт к эффективной мощности Ne, т.е. ge=(Gт/Ne)*3600, или [г/(кВт*ч)] ge=(Gт/Ne)*3.6*10^6.