Рефераты. Термодинамический расчет цикла ДВС






Термодинамический расчет цикла ДВС

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 mб, mвмассовые доли паров бензина и воздуха; mб, mв-молярные массы паров бензина и воздуха.

Масса свежего заряда – Mс.з.= 1 кг паров бензина + 16,9 кг воздуха = 17,9 кг. Массовая доля паров бензина mб==0,06, массовая доля воздуха mв==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:

Мп.с.=3,67С + 9Н + 0,77М0 + (a – 1) М0=3,14+1,305+11,51+1,94=17,89 кг

Массовые доли веществ, составляющих продукты реакции горения:

 

 

Молярная масса продуктов сгорания

Вычисляется по формуле (12):


кг/моль.

 

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

В интервале температур (Т1, Т2) для a1 определяется по формуле (14)


, где .


Задаемся значением Т3 = 2850К кг/моль. Удельная массовая теплоемкость вычисляется по формуле


ДЖ/(кг*К).

 

Параметры в конце процесса сгорания

Температура в конце сгорания вычисляется по формуле (15) , где q2,3 – количество теплоты выделившейся при сгорании 1 кг свежего заряда. Её можно вычислить по формуле (16) , где xZ – коэффициент подвода теплоты, его значение – для карбюраторных двигателей находится в пределах 0,85–0,95, выбираем 0,9, xa – учитывает меньшее выделение теплоты – xa=1,4a-0,4, при α1

 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


Расчет процесса расширения продуктов сгорания

 

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

,

Расчет процесса выхлопа газа


 Па, V4=V1,

.


Полученное значение температуры отличается от первоначально принятого на 10, что находится в допустимом интервале отклонения.

Итерация: Взяли Т4=1610, получили 1620


Энергетические характеристики цикла

 

Уравнение теплового баланса

Для рассмотренного цикла можно записать баланс в виде: q2,3 + q1,2 + q3,4 + q4,1 =l3,4 + l1,2, или q2,3 = qи, где qи – энергия, полученная в цикле qи = l3,4 + l1,2q1,2q3,4q4,1; (17)

l1,2 – работа сжатия, (18)


 Дж/кг,

l3,4 – работа расширения, (19)


Дж/кг,

q1,2 – теплота, отведенная в процессе сжатия, (20)


 Дж,

q3,4 – теплота, отведенная в процессе расширения, (21)


 Дж,

q4,1 – теплота, отведенная с выхлопными газами, (22) ;

Страницы: 1, 2



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.