Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Исходные данные:

Рассчитать цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания,  если начальное давление – P₁=0,09МПа, начальная температура – T₁=270К, степень сжатия -  e=16, степень повышения давления - l=1,6, степень предварительного расширения - r=1,9. Рабочее тело – воздух. Rв=287Дж/(кг·К); Ср=1,01 кДж/(кг·К); Сv=0,72кДж/(кг·К); n₁=1,32(сжатие); n₂=1,4 (расширение);

А. Цикл ДВС с подводом теплоты при р=const.

Б. Цикл ДВС с подводом теплоты при .

В. Цикл ДВС со смешанным  подводом теплоты.

Г. Цикл ДВС с турбонаддувом и продолженным расширением газов.

Определить:

• параметры состояния (p, v, T) рабочего тела в характерных точках цикла;
• удельную работу расширения, сжатия, работу цикла;
• удельное количество подведенной и отведенной теплоты;
• изменение внутренней энергии (u), энтальпии (h) и энтропии (s)  в процессах, входящих в цикл;
• среднее индикаторное давление в цикле (p_i);
• термический КПД цикла;
• термический КПД цикла Карно по условию задачи.

 

РЕШЕНИЕ:

 

Для того чтобы рассматривать  термодинамические циклы необходимо работу тепловых машин идеализировать. Эта идеализация сводится к тому, что в идеальных термодинамических циклах:

- процессы протекают во  всех своих стадиях с постоянным  количеством рабочего тела;

- отбрасывается возможность  сгорания топлива, в связи с чем химический состав рабочего тела принимается постоянным при всех стадиях термодинамического цикла. Процесс сгорания при этом заменяется подводом теплоты к рабочему телу через стенки цилиндра от некоторого фиктивного горячего источника теплоты;

- процессы сжатия и  расширения рабочего тела принимаются  адиабатными;

- удаление отработавшего  рабочего тела не учитывается  и заменяется отводом теплоты  от рабочего тела через стенки  цилиндра к так называемому  холодному источнику теплоты  (холодильнику);

- теплоемкости рабочих  тел принимаются не зависящими от температуры;

- рабочим телом является  идеальный газ. 

 

 

А. Цикл ДВС с подводом теплоты  при р=const.

 

Параметры точки 1:

Р₁=0,09МПа; Т₁=270К;

Параметры точки 2:

 

Параметры точки 3:

  Р₂=Р₃=3,5МПа;

Параметры точки 4:

 

Удельная работа расширения:

 Удельная работа сжатия:

Полезная удельная работа:

Удельное количество подведенной  теплоты:

Удельное количество отведенной теплоты:

Полезно использованное удельное количество теплоты:

Среднее индикаторное давление в цикле:

Термический КПД цикла:

КПД цикла Карно:

Изменение внутренней энергии:

Изменение энтальпии:

Изменение энтропии:

Средняя интегральная температура  подвода теплоты:

Средняя интегральная температура  отвода теплоты:

 

 

 

Б. Цикл ДВС с подводом теплоты  при .

 

Параметры точки 1:

Р₁=0,09МПа; Т₁=270К;

Параметры точки 2:

 

Параметры точки 3:

 

Параметры точки 4:

 

Удельная работа расширения:

Удельная работа сжатия:

Полезная удельная работа:

Удельное количество подведенной  теплоты:

Удельное количество отведенной теплоты:

Полезно использованное удельное количество теплоты:

Среднее индикаторное давление в цикле:

Термический КПД цикла:

КПД цикла Карно:

Изменение внутренней энергии:

Изменение энтропии:

Средняя интегральная температура  подвода теплоты:

Средняя интегральная температура  отвода теплоты:

 

 

 

В. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты.

 

Параметры точки 1:

Р₁=0,09МПа; Т₁=270К;

Параметры точки 2:

 

Параметры точки 3:

  

Параметры точки 4:

 

Параметры точки 5:

 

Удельная работа сжатия:

Удельная работа расширения:

Полезная удельная работа:

Удельное количество подведенной  теплоты:

Удельное количество отведенной теплоты:

Полезно использованное удельное количество теплоты:

Среднее индикаторное давление в цикле:

Термический КПД цикла:

КПД цикла Карно:

Изменение энтропии:  

 

Изменение внутренней энергии:

Средняя интегральная температура  подвода теплоты:

Средняя интегральная температура  отвода теплоты:

 

 

Г. Цикл ДВС с турбонаддувом и продолженным расширением газов.

 

Термодинамический цикл с продолженным расширением может быть осуществлен в комплексной установке двигателя и турбонагнетателя, состоящего из газовой турбины и компрессора (рис. 1, рис. 2). В газовой турбине происходит дальнейшее расширение газов, а полученная при этом энергия расходуется на привод нагнетателя для наддува двигателя. Циклы установки с продолженным расширением, переменным и постоянным  давлением газов перед турбиной представлены соответственно на рис. 1 и на рис. 2. Расчет характерных точек аналогичен, рассмотрен выше циклам. Определим термический КПД цикла с продолженным расширением, переменным и постоянным  давлением газов перед турбиной:

 

 

где bf  - продолженное расширение газа на лопатках турбины; f0 – отвод теплоты при р = const; 0а – адиабатное сжатие воздуха в нагнетателе; - общая степень сжатия.

 

 

Рисунок 1 – Цикл ДВС с  турбонаддувом и переменным давлением газов перед турбиной

Рисунок 2 – Цикл ДВС с  турбонаддувом и постоянным  давлением газов перед турбиной

Из сравнения выражений  для КПД обобщенного цикла  и цикла с продолженным расширением газов видно, что КПД последнего выше. Это относится также к циклу с продолженным расширением, когда давление перед турбиной поддерживается постоянным, и кинетическая энергия отработавших газов не используется на лопатках турбины (рис.2).