МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Смоленская государственная сельскохозяйственная академия»

А.Г. Никифоров, Д.Ю. Попова

ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Учебно-методическое пособие по теплотехнике

Смоленск 2017

УДК 621.432

ББК 22.317

Н62

Рецензент: кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Промышленной теплоэнергетики ФГБОУ ВО НИУ МЭИ, филиал в г.Смоленске, Михайлов В.А.

Никифоров А.Г., Попова Д.Ю.

Н62 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Учебно-методическое пособие по теплотехнике / А.Г. Никифоров, Д.Ю. Попова. – Смоленск: Изд-во ФГБОУ ВО Смоленской ГСХА 2017. – 73 с.

Рассмотрены основные теоретические положения, определяющие работу двигателей внутреннего сгорания, изложены требования по выполнению и защите расчетной работы. Рекомендована последовательность выполнения расчета. Приведен алгоритм решения индивидуальных заданий, справочные материалы и тестовые вопросы для самоподготовки.

Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов очной и заочной формы обучения, обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия.

Печатается по решению методического совета ФГБОУ ВО Смоленская ГСХА (протокол №___ от _______2016).

УДК 621.432

ББК 22.317

© Никифоров А.Г., Попова Д.Ю.

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Смоленская государственная сельскохозяйственная академия», 2017

Предисловие

Основной задачей дисциплины Теплотехника для студентов направления подготовки 35.03.06 Агроинженерия является комплекс знаний об основных законах термодинамики и применения этих знаний для расчета циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Студент должен уметь решать типовые задачи, выполнять основные расчеты и анализировать работу тепловых машин при работе по разным термодинамическим циклам, самостоятельно выбирать оптимальные режимы работы для двигателей внутреннего сгорания.

Учебное пособие состоит из трех основных разделов: теоретического «Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания», практического «Пример задания для расчета» и раздела для самостоятельного контроля усвоенного материала «Вопросы и задания для проверки знаний».

Выполнение индивидуального задания позволит студенту получить практические навыки расчёта теоретического цикла ДВС. Тестовые вопросы помогут студенту провести проверку собственных теоретических знаний. Подготовка к тестированию выполняется студентом самостоятельно. Вопросы, предлагаемые в тестах, освещены в литературе, список которой приведен в данном пособии. В пособии приведены алгоритмы и необходимые справочные данные для выполнения индивидуальной расчетной работы.

1 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания являются основным мобильным энергетическим средством большинства сельскохозяйственных машин.

В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри цилиндра) двигателя, в результате химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию и затем в механическую работу рабочего органа двигателя (поршень).

По сравнению с двигателями внешнего сгорания (паровыми машинами) ДВС:

• не имеет дополнительных элементов теплопередачи — топливо, сгорая, само образует рабочее тело;

• компактнее, так как не имеет целого ряда дополнительных агрегатов;

• легче;

• экономичнее;

• потребляет газообразное или жидкое топливо, обладающее определенными заданными параметрами (испаряемостью, температурой вспышки паров, плотностью, теплотой сгорания, октановым или цетановым числом), так как от этих свойств зависит сама работоспособность ДВС.

Наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания. В поршневых двигателях камера сгорания находится в цилиндре, а тепловая энергия превращается в механическую с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Все современные поршневые двигатели внутреннего сгорания разделяются по организации процесса сгорания топлива на три основные группы:

1) со сгоранием топлива при постоян­ном объеме ν=const (цикл Отто);

2) со сгоранием топлива при постоянном дав­лении p=const (цикл Дизеля);

3) со смешанным сгоранием топлива: частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении (цикл Сабатэ-Тринклера).

Для проведения термодинамического анализа эффективности работы циклов можно считать, что в этих процессах к рабочему телу подводится теплота q₁, поэтому зачастую эти термодинамические циклы называют соответственно: с изохорным подводом теплоты, с изобарным подводом теплоты, со смешанным подводом теплоты. Во всех ука­занных циклах отвод теплоты q₂ осуществляется по изохоре ba, рисунок 1.

а) б)

в)

Рисунок 1 – Циклы поршневых ДВС в p,υ-диаграмме:

а) с подводом теплоты при постоянном объеме,

б) с подводом теплоты при постоянном давлении, в) со смешанным подводом теплоты

Идеальные циклы применяют для исследования действительных циклов, происходящих в реальных двигателях, и сравнения по сте­пени использования тепла различных типов двигателей, незави­симо от их конструктивных особенностей. Рассмотрим подробнее.

Идеальным термодинамическим циклом двигателя называется круговой замкнутый обратимый цикл, представляющий собой совокупность последова­тельных процессов, совершаемых идеальным газом в цилиндре идеальной машины.

Обратимый цикл – последовательность процессов перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом цикле, но проходимых в обратном порядке.

Очевидно, что идеальные циклы ДВС лишь приближенно отражают известные из опыта особен­ности реальных процессов, происходящих в работающем двигателе.

Но для упрощения расчетов принимаются следую­щие допущения:

1) с идеальным газом, находящимся в цилиндре, совершаются только физические, по не химические изменения, т. е. состав и масса газа остаются постоянными;

2) теплоемкость газа не изменяется в термодинамических процессах цикла;

3) тепло подво­дится к газу извне, а не в процессе сгорания топлива в цилиндре;

4) процессы сжатия и расширения совершаются по адиабатам, т. е. без теплообмена с внешней средой (стенки цилиндра теплоне­проницаемые и трение между поршнем и стенками цилиндра отсутствует);

5) выпуск отработавших газов заменяется передачей некоторого количества тепла холодному источнику при постоянном объеме.

Термодинамическое исследование идеальных циклов поршневых ДВС состоит в получении аналитических выражений термического коэффициента полезного действия (КПД) и среднего теоретического давления цик­ла, а также выявлении характера зависимости этих показателей от параметров цикла.

Основными характеристиками или параметрами любого цикла ДВС являются следующие безразмерные ве­личины:

степень сжатия:

ε = υ_a /υ_c , (1)

представляющая собой отношение удельного объема рабо­чего тела в точке а (это положение поршня в цилиндре принято называть нижней мёртвой точкой - НМТ) к его удельному объему в конце процесса сжатия (точка с – верхняя мёртвая точка – ВМТ, объем камеры сгорания);

степень повышения давления:

λ = p_z /p_c , (2)

представляющая отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты;

степень предварительного расширения, или степень изобарного расширения:

ρ = υ_z’ /υ_c , (3)

представляющая собой отношение объемов в конце и в начале изобар­ного процесса подвода теплоты (рисунок 1). [4]

Степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу в термодинамическом цикле двигателя оценивается безразмерной величиной – термическим коэффициентом полезного действия η_t (его также называют тепловым или термодинамическим). В общем случае, термический КПД – это отношение работы, совершенной в прямом обратимом термодинамическом цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников.

, (4)

где l_Ц – это тепло, преобразованное в цикле в работу, l_Ц = .

Термический КПД термодинамического цикла показывает, какое количество получаемой теплоты машина превращает в работу в конкретных условиях протекания идеального цикла. Чем больше величина η_t, тем совершеннее цикл и тепловая машина.

В инженерных расчётах для вычисления мощности ДВС часто используется понятие среднего теоретического давления цикла р_t, это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла. [3] Среднее теоретическое давление цикла является отношением работы цикла l_Ц к рабочему объёму двигателя υ_h= υ_НМТ – υ_ВМТ = υ_a–υ_c:

, (5)

Таким образом, среднее давление цикла p_t, представляет собой работу, полученную с единицы объема, т.е. является удельной работой. В теории тепловых двигателей υ_c= υ_ВМТ= υ_min называют объемом камеры сгорания. Отношение q₁/υ_c, имеющее размерность Дж/м³, характеризует тепловую нагрузку единицы объема камеры сгорания.

Учитывая, что υ_c=υ_вмт=υ_min, преобразуем выражение (5) к виду:

, (6)

При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых ДВС обычно определяют количество подведенной и отведенной теплоты, работу расширения и работу сжатия, основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла, изменение внутренней энергии и энтропии рабочего тела, вычисляют и производят анализ термического КПД цикла.