Термодинамический анализ ДВС со смешанным подводом теплоты

Министерство  образования и науки

Нижнекамский  химикотехнологический институт (филиал)

Федерального  бюджетного образательного учреждения

Высшего профессионального образования                                                                                                              «Казанский национальный исследовательский технолгический университет» 
 
 
 
 
 
 

Кафедра ТФНТ 
 
 
 
 

Курсовая  работа

по теме

«Термодинамическийй анализ цикла 

ДВС со смешанным подводом теплоты» 
 
 
 
 
 
 

                                                                           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижнекамск 2012

Содержание 

Общие сведения...................................................................................................3

Определение параметров воздуха в характернных

точках  цикла ДВС со смешанным циклом подвода теплоты………………..6

         Построение цикла  ДВС со смешанным подводом теплоты

         в pv- и Ts-диаграммах………………………………………………………….8

Определение изменения параметров Δu, Δh, Δs

и величин  q и l во всех процессах цикла ДВС

со смешанным  подводом теплоты……….......................................................10

      Определение к.п.д. цикла ДВС со смешанным 

      подводом  теплоты и к.п.д. цикла Карно……………………………………..12

         Выводы………………………………………………………………………...13

         Список использованной литературы ……………………………………..…14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общие сведения 

   Машины, в которых газы, получаемые при  горении топлива, непосредственно  воздействуют на поршень, называют двигателями  внутреннего сгорания (ДВС).  Все  поршневые двигатели внутреннего  сгорания подразделяются на три группы:

   1)  с быстрым сгоранием топлива  при постоянном объеме;

   2)  с постепенным сгоранием топлива  при постоянном давлении;

3)  со смешанным  сгоранием топлива частично при  постоянном объеме и частично  при постоянном давлении.

   Процессы  реального двигателя внутреннего сгорания имеют все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.

Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты, состоящий из двух изохор, двух адиабат и одной изобары представлен в pv- и Ts- диаграммах на рис.1

 

Рис. 1. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты

    Рабочее тело с параметрами P₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 к рабочему телу подводится первая доля теплоты . По изобаре 3-4 подводится вторая доля теплоты . От точки 4 рабочее тело расширяется по адиабате 4-5. И, наконец, по изохоре 5-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние - в точку 1, при этом отводится теплота q₂ в теплоприемник.

    Первая  часть подведенной теплоты при C_p = const, C_v = const и

    k =C_p/C_v=const:

    

= C_v(T₃ – T₂)

Вторая часть  подведенной теплоты:

=C_p(T₄ – T₃)

Количество отведенной теплоты:

q₂ =C_v(T₃ – T₁)

Термический к.п.д. цикла:

Выразив температуры  Т₂, Т₃, Т₄, Т₅ через начальную температуру рабочего тела T₁:

    По  циклу со смешанным подводом теплоты  работают бескомпрессорные двигатели высокого сжатия и с механическим распылением топлива.

    Для этих двигателей обычно принимают  ε = 10 ÷ 14, λ = 1,2 ÷ 1,7, ρ = 1,1 ÷ 1,5. Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает два исследованных цикла. Если допустить, что λ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл с изобарным подводом теплоты с соответствующим этому циклу к.п.д. Если принять, что ρ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл с изохорным подводом теплоты с соответствующим этому циклу к.п.д.

    Жидкое  топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку  цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в раскаленный воздух, топливо самовоспламеняется и горит  в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.

В некоторых  типах двигателей распыливание топлива  происходит в специальной предкамере, которая обычно находится в верхней  части цилиндра двигателя и соединена  с рабочей камерой цилиндра одним  или несколькими узкими каналами. Во время сжатия воздуха давление в цилиндре возрастает быстрее, чем давление в предкамере; вследствие разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра в предкамеру, который используется для распьшивания подаваемого в предкамеру жидкого топлива.

    Создание  двигателей со смешанным подводом теплоты, в которых отсутствуют компрессоры, позволило упростить конструкцию, улучшить работу и увеличить экономичность  двигателей.

    Анализ  такого цикла с точки зрения тепловых процессов невозможен, а поэтому термодинамика исследует не реальные процессы двигателей внутреннего сгорания, а идеальные, обратимые циклы. В качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом бесконечно малая. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива. То же необходимо сказать и об отводе теплоты.

    При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания обычно определяют количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла; вычисляют термический к.п.д. цикла по основным характеристикам и производят анализ термического к.п.д.

    Таким образом, изучение идеальных термодинамических  циклов позволяет производить при  принятых допущениях анализ и сравнение  работы различных двигателей и выявлять факторы, влияющие на их экономичность.

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

   степень сжатия ε = v₁/v₂,представляющая собой отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия;

   степень повышения давления λ = p₁/p₂, представляющая отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты;

   степень предварительного расширения, или степень  изобарного расширении,     ρ = v₄/v₃, представляющая собой отношение объемов в конце и в начале изобарного процесса подвода теплоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Определение параметров  воздуха

  в характернных  точках цикла ДВС  со смешанным циклом  подвода теплоты. 

Исходные  данные:

p₁ = 0,1 МПа = 100000 Па

T₁ = 300 K

ε = v₁/v₂ = 11,0

λ = p₁/p₂ = 1,3

ρ = v₄/v₃ = 1,5

T_o = 273K

s_o^o=6610,3 Дж/кг·К

p_o = 101325 Па

R = 287 Дж/ кг·К 
 

Точка 1

s₁ = s₁^o – s_o^o- R·ln(p₁/p_o)

s₁^o=6705 Дж/ кг·К

s₁ = 6705 – 6610,3 – 287ln = 0,09848 кДж/ кг·К

p₁v₁ = RT₁ v₁ = = = 0,861 м³/кг

u₁=214,25 кДж/кг

h₁ = 300,42 кДж/кг 

Точка 2

ε = v₁/v₂ v₂ = v₁/ ε = 0,861/11 =0,0783 м³/кг

Уравнение адиабаты имеет вид : pv^k = const, т.е. p₁v₁^k = p₂v₂^k , где k = 1,4 – показатель адиабаты. Отсюда:

p₂ = p₁(v₁/v₂)^k = p₁ ε^k=0,1·10⁶·11^1,4 = 2,87 · 10⁶Па

p₂v₂ = RT₂ T₂ = = 783 K

Для точки 2 s₂ = s₁ , так как процесс 1-2 изоэнтропный.

s₂ = s₁ = 0,09848 кДж/ кг·К

u₂ = 578,79 кДж/кг

h₂ = 803,64 кДж/кг 

Точка 3

Процесс 2-3 изохорный, следовательно v₃ = v₂ = 0,0783 м³/кг

p₃ = λ ·p₂ = 1,3 · 2,87 ·10⁶ = 3,73·10⁶ Па

p₃v₃ = RT₃ T₂ = =1018 K

s₃ = s₃^o – s_o^o- R·ln (p₃/p_o)

s₃^o =7987,6 Дж/ кг·К

s₃ = 7987,6 – 6610,3 – 287ln =0,342 кДж/ кг·К

u₃ = 774 кДж/кг

h₃ = 1066 кДж/кг 

Точка 4

Процесс 3-4 изобарный, следовательно p₄ = p₃ = 3,73·10⁶ Па

v₄ = ρ · v₃ = 1,5 · 0,0783 = 0,12 м³/кг

p₄v₄ = RT₄ T₄ = = 1526 K 

s₄ = s₄^o – s_o^o- R·ln (p₄/p_o)

s₄^o= 8466,64 Дж/ кг·К

s₄ = 8466,64 – 6610,3-287ln =0,8215 кДж/ кг·К

u₄ = 1229,7 кДж/кг

h₄ = 1668 кДж/кг 

Точка 5

Процесс 4-5 изоэнтропный, следовательно s₄ = s₅ = 821,47 кДж/ кг·К

Процесс 5-1 изохорный, следовательно  v₅ = v₄ = 0,861 м³/кг

p₅v₅ = p₄v₄ p₅ = p₄ = 3,73·10⁶ =0,23·10⁶ Па