- •5.2.1 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов
- •1 Краткая история создания поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •2 Классификация двс
- •3 Требования к двигателям
- •4 Параметры и оценочные показатели двигателей
- •1) За счёт увеличения n посредством выбора соответствующих фаз газораспределения и настроек топливной аппаратуры;
- •2) За счёт увеличения mn посредством повышения цикловых подач топлива gт и воздуха gв;
- •3) Комбинация первых двух способов.
- •Теория двс
- •Основные понятия термодинамики
- •1) Совершение работы;
- •2) Теплообмен.
- •5.2 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов
- •5.2.1 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов
- •5.2.3 Первый закон термодинамики
- •5.2.4. Термодинамические процессы в идеальных газах
- •3. Связь между параметрами изотермического процесса определяется законом Бойля — Мариотта
- •6. Рабочие циклы двс
- •7 Теоретические термодинамические циклы
- •7.1. Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме
- •7.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении
- •7.4. Циклы двигателей с турбонаддувом
- •Тема № 8. Топливо для двигателей самоходных машин
- •8.1 Структура топлива нефтяного происхождения
- •8.2 Требования к моторному топливу и его показатели оценки
- •1) Моторным (такой бензин обозначается буквой а с числом, которое показывает октановое число, то есть процентное содержание изооктана в смеси с гептаном эквивалентной данному бензину, например, а-76);
- •2) Исследовательским (обозначается двумя буквами аи, например, аи-93).
- •Тема № 9 Основы теории горения
- •9.1 Основные параметры горения топлива
- •0,78 И 0,21 - относительное объёмное содержание азота и кислорода в воздухе.
- •9.2 Виды горения
- •1) Диффузионно-цепной;
- •2) Тепловой.
- •1) Диффузионное горение несмешанных газов, где скорость горения в основном определяется скоростью перемешивания молекул топлива и окислителя;
- •2) Горение капель жидкого топлива, где началу горения предшествует испарение топлива и диффузионное перемешивание;
- •3) Горение твёрдого топлива, где процессу горения предшествует газификация (возгонка) топлива и его последующее перемешивание с окислителем.
- •9.3 Основы химической кинетики
- •9.4 Цепные химические реакции
- •9.5 Горение в дизелях
- •9.5.4 Горение в двигателях с принудительным воспламенением
- •Тема № 10. Токсичность двс
- •Тема № 11. Регулирование и характеристики двигателей самоходных машин
- •Путём изменения количества работающих цилиндров I;
- •Изменяя угловую скорость коленчатого вала д;
- •За счёт изменения среднего эффективного давления pe.
- •1) Количественное;
- •2) Качественное.
- •Нагрузочные, когда аргументом является среднее эффективное давление pe или мощность Nд;
- •Регулировочные, когда в качестве аргумента используется какой-либо регулируемый параметр, например, угол опережения зажигания н.
- •1) С всережимным регулятором двигателя врд (рис. 11.3,а);
- •2) С двухрежимным регулятором 2рд (рис. 11.3,б);
- •3) С многорежимным регулятором (рис. 11.3,в), в частности двигатель постоянной мощности (дпм).
- •Тема № 13. Термодинамический расчёт двс
- •Тема № 14. Кинематика и динамика кшм
- •Тема № 15. Кинематика и динамика грм
- •Тема № 16. Уравновешивание двигателей
- •Тема №17. Перспективы развития двигателей самоходных машин
1) За счёт увеличения n посредством выбора соответствующих фаз газораспределения и настроек топливной аппаратуры;
2) За счёт увеличения mn посредством повышения цикловых подач топлива gт и воздуха gв;
3) Комбинация первых двух способов.
Теория двс
Основные понятия термодинамики
Термодинамика изучает общие закономерности обмена тел энергией, без знания которых невозможно изучить теорию ДВС.
Энергия - общая количественная мера для оценки движения материи. В качестве характеристики вида движения материи используют такие понятия как “кинетическая энергия”, “тепловая”, “химическая” и другие. Энергия не уничтожима и не создаваема, она лишь может переходить из одного вида в другие.
Все формы обмена энергией между макротелами можно свести к двум способам:
1) Совершение работы;
2) Теплообмен.
Работой называется передача энергии в результате макроскопического упорядоченного направленного движения. А передача энергии посредством хаотического ненаправленного движения микрочастиц называется теплообменом.
Совокупность макроскопических тел, которые являются объектом термодинамического анализа, называется термодинамической системой. Тела не входящие в состав этой системы, называют окружающей средой.
Вещество, выполняющее главную функцию в машине (горючие газы, пар и т.п.) называют рабочим телом. Границу между рабочим телом и другими элементами системы или средой называют контрольной поверхностью. Например, в ДВС - это поверхности камеры сгорания, цилиндра, тарелок клапанов, днища поршня.
Система называется замкнутой, если контрольная поверхность непроницаема для веществ, то есть между системой и средой отсутствует обмен массой. Система называется изолированной, если контрольную поверхность не могут пересекать ни потоки вещества, ни потоки энергии.
Физические величины, однозначно определяющие состояние системы в любой момент времени, называют параметрами состояния. Ими являются: давление p; объём V; температура T и др. Зависимость какой-либо физической величины от других есть функция состояния. Например, мощность N, КПД и т.п. Параметры состояния, изменяющиеся под воздействием одного рода и не изменяющиеся под воздействием другого рода, называются координатами термодинамического состояния.
5.2 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов
5.2.1 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов
Технической термодинамикой называется наука, изучающая свойства тепловой энергии и законы взаимного превращения тепловой и механической энергии. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания.
Процессы взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах осуществляются с помощью вещества, называемого рабочим телом. Например, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и в газотурбинных установках рабочим телом является газ (воздух).
Физическое состояние рабочего тела характеризуется величинами, которые называют термодинамическими параметрами состояния. В качестве основных термодинамических параметров принимают удельный объем, абсолютное давление и абсолютную температуру.
где V— объем вещества, м3; т — масса вещества, кг.
Плотность (кг/м3) есть масса единицы объема, обратная удельному объему
Давление газа обусловливается совокупностью ударов беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключён газ, и представляет собой силу, действующую на единицу площади поверхности стенки:
где Р — сила, Н; а — площадь поверхности, м2. .
За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м2 . Применяют также укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):
1 Па = 1 Н/м2 =10-3 кПа = 10-6 МПа.
В технике в настоящее время продолжают применять также систему единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), в которой за единицу давления принимается 1кгс/м2. Используют также внесистемные единицы — техническую атмосферу и бар:
1 атм = 1 кгс/см2; 1 бар= 105 Па = 1,02 атм; 1 кгс/м2 = 9,81 Па.
Различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. На практике за начало отсчета обычно принимают атмосфсрное {барометрическое) давление. Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объемах. Если абсолютное давление больше атмосферного, то разность между ними характеризует избыточное {манометрическое) давление:
Если абсолютное давление меньше атмосферного, то разность между ними называется разрежением, или вакуумом:
Вышеприведенные формулы показывают, что при неизменном состоянии газа в сосуде постоянным остается лишь значение рабс, а ризг и рвак изменяются при изменении ратм. Поэтому параметром состояния газа служит только абсолютное давление, которое и входит во все термодинамические зависимости.
Температура представляет собой степень нагретости рабочего тела. Ее измеряют по международной стоградусной шкале Цельсия с обозначением t (°С), или абсолютной шкале Кельвина с обозначением Г (К). Соотношение между температурой в Кельвинах и в градусах Цельсия следующее:
Т= t + 273,16.
Абсолютная температура, измеряемая в Кельвинах, является параметром состояния.
При изучении свойств рабочего тела в технической термодинамике вводят понятие идеального газа. При построении модели идеального газа придерживаются следующих положений:
♦ пренебрегают силами межмолекулярного взаимодействия;
♦ рассматривают молекулы газа как абсолютно упругие частицы, объем которых бесконечно мал по сравнению с объемом газа.
В технике в качестве рабочих тел применяют реальные газы и их смеси — 02, Н2, N2, СО2, NO3, перегретый водяной пар, атмосферный воздух и др. Реальный газ отличается от идеального тем, что у него молекулы имеют конечный объем и между ними действуют силы сцепления.
Газообразные продукты сгорания топлива, являясь рабочим телом в ДВС, по своим свойствам близки к идеальным газам, учитывая ту область состояний, в которой протекает процесс в двигателе. Поэтому в тепловых расчетах допустимо считать их идеальными газами.
В XVII—XIX вв. англичанин Р. Бойль, французы Э. Мариотт, Ж. Гей-Люссак, Ж. Шарль, итальянец А. Авогадро экспериментально установили ряд зависимостей, которые стали называться законами идеальных газов.
Закон Бойля — Мариотта. При постоянной температуре удельные объемы данного газа обратно пропорциональны его абсолютным давлениям:
(5.1)
где индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному и конечному состоянию газа в процессе его расширения или сжатия.
Из выражения (1.1) следует, что
(1.2)
Закон Гей-Люссака. При постоянном абсолютном давлении удельные объемы идеального газа прямо пропорциональны его абсолютным температурам:
Из уравнения (1.3) следует, что
(1.4)
Закон Шарля. При постоянном объеме данной массы газа абсолютные давления идеального газа прямо пропорциональны его абсолютным температурам
(1.5)
(1.6)
Под количеством вещества понимаем отношение числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода
где n — число молекул в данном теле, шт.; NA — число Авогадро, моль-1.
Количество вещества измеряют в молях. Моль — это количество вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода. В Международной системе единиц (СИ) под молем понимают количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе. Тысяча молей составляет один киломоль (1 кмоль = 103 моль).
Молярной массой вещества называется величина, равная отношению массы вещества к его количеству:
где
т — масса вещества, г (кг); n — количество вещества, моль.
Молярная масса выражается в г/моль (кг/моль).
Объем одного киломоля при нормальных условиях для всех газов равен 22,4 м3/кмоль. Отсюда следует, что можно легко определить удельный объем и плотность любого газа при нормальных условиях (р = 760 мм рт. ст. = 101,3 кПа и Т = 273 К):
(1.7)
Для равновесного состояния газа, когда его термодинамические параметры р, V, Т сколь угодно долго остаются неизменными, существует аналитическая зависимость, называемая уравнением состояния газа. Для произвольного количества вещества эта зависимость выражается уравнением Менделеева — Клапейрона:
(1.8)
где V— объем данного количества вещества при давлении р и температуре Т, т — масса вещества; М — молярная масса вещества; R0 — универсальная газовая постоянная (R0 =8,315 кДж/кмоль • К).
Для произвольной массы газа уравнение состояния идеального газа имеет вид уравнения Клапейрона:
где R — газовая постоянная, Дж/(кг • К).
Данная постоянная величина зависит от природы газа, но не зависит от его состояния, т.е. она является физической константой вещества.
Уравнение Менделеева — Клапейрона лежит в основе теплового расчета ДВС