Термодинамический расчет цикла ДВС (стр. 1 из 3)

1. Расчет цикла двигателя внутреннего сгорания

Краткое описание процессов, составляющих цикл карбюраторного двигателя

Идеализированный цикл карбюраторного двигателя представлен циклом Карно. В этом цикле подвод и отвод теплоты реализуется в процессах V=const, а сжатие свежего заряда и расширение продуктов сгорания – в политропических процессах с отводом теплоты (с постоянными значениями показателей политроп).

Реальные циклы состоят из более сложных процессов с переменным составом рабочего тела и изменяющимися значениями показателей политроп. Реальные процессы отличаются от теоретических также наличием дополнительных тепловых потерь, насосных потерь, потерь на трение и привод вспомогательных механизмов, что, естественно, в дальнейшем учитывается.

Состав топлива

Вид топлива	Средний элементарный состав			Молярная масса паров m1, кг/(кг*моль)
	C	H	O
Автомобильные бензины	0,855	0,142	-	110–120
Дизельные топлива	0,870	0,126	0,004	180–200
Топлива тихоходных двигателей	0,870	0,125	0,005	220–280

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

Основные реакции при горении топлива имеют вид:

Под реакциями подписаны молярные массы веществ, участвующих в реакциях, а в правых частях в общем виде записано количество теплоты, выделяющейся в этих реакциях. На основании этих записей можно составить формулу для расчета теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 кг топлива. Следует учесть количество кислорода, содержащегося в топливе, и массовую долю кислорода в воздухе (0,23):

где M₀ – масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива, кг; C, H, O – массовые доли углерода, водорода и кислорода в топливе.

Последнюю формулу можно записать в виде:

(1) подставив значения получим кг

Действительное количество воздуха, подаваемое для сгорания 1 кг топлива

Количество воздуха, подаваемое для сгорания, обычно отличается от теоретически необходимого количества и записывается в виде:

, (2)

где a – коэффициент избытка воздуха; в карбюраторных двигателях обычно a=0,8…1,15. Учитывая, что у нас a=1,14, получим

кг.

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива

Если известны основные химические реакции, протекающие при сгорании топлива, и тепловые эффекты этих реакций, то легко записать формулу для вычисления суммарного количества теплоты, МДж/кг, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива (формула Менделеева):

. (3)

При сгорании топлива часть теплоты уносится с водяными парами и не дает вклада в суммарное количество теплоты

(низшая теплота сгорания топлива). Подставим значения: МДж/кг.

Расчет процесса сжатия

Параметры начальной точки

В карбюраторных двигателях параметры начальной точки имеют обычно следующие значения:

T₁=(350…430) K;

p₁=(0,9…0,95)*10⁵ Па (в тихоходных двигателях);

p₁=(0,75…0,85)*10⁵ Па (в быстроходных двигателях);

Сравнительно высокие значения температуры в начальной точке связаны с нагревом воздуха во входных каналах двигателя.

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.

Среднее значение молярной теплоемкости для изохорического процесса в интервале температур 0-T рассчитывается по формуле

(5), где .

Задаемся значением Т₂=832 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)

=1,373.

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.

Расчет процесса сгорания

Состав продуктов сгорания

Из основных реакций

и следует, что в результате реакций на 1 кг С приходится 44/12=3,67 кг CO₂, а на 1 кг Н приходится 36/4=9 кг Н₂О.

С учетом этих соотношений состав продуктов сгорания бензина будет следующий:

кг, кг, кг, кг.

Общая масса продуктов сгорания, кг: