Транспортная энергетика. Методические указания
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Автомобильно-транспортный факультет
Кафедра транспортных систем
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Методические указания
Санкт-Петербург
2013
1
УДК621.43.(075)
Рецензент канд. техн. наук, доцент В. Г. Григорьев (СПбГАСУ)
Транспортнаяэнергетика:метод. указания/сост.В.Н.Степанов; СПбГАСУ. – СПб., 2013. – 20 с.
Изложена методика расчета параметров термодинамических циклов, используемыхдляанализасовершенствацикловбензиновыхидизельныхдвигателей внутреннего сгорания, а также методика построения диаграмм этих циклов. Даны формулы для расчета индикаторных и эффективных показателей автомобильных двигателей. Приведены варианты заданий для самостоятельных работ.
Предназначены для выполнения самостоятельных работ студентами, обучающимися по направлению подготовки 190700 – технология транспортных процессов (квалификация (степень) «бакалавр»).
Табл. 4. Ил. 2. Библиогр.: 3 назв.
©Санкт-Петербургскийгосударственный архитектурно-строительныйуниверситет,2013
2
Введение
Задание для самостоятельной работы № 1 выполняется в целях углубления и закрепления знаний о термодинамических циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также получения практических навыков расчета и построения диаграмм этих циклов.
Выполнив расчет параметров термодинамических циклов и построив их диаграммы, студент должен уметь технически грамотно
иправильно объяснить, в чем заключается сходство этих термодинамических циклов с действительными циклами бензиновых двигателей и дизелей.
Задание для самостоятельной работы № 2 выполняется в целях углубления и закрепления знаний об основных показателях двигателей внутреннего сгорания. Рассчитав индикаторные и эффективные показатели реальных автомобильных двигателей, студент должен сопоставитьполученныерасчетныезначениясозначениямисоответствующих параметров для бензиновых двигателей и дизелей (указатьхарактерныйдиапазонизменениясоответствующего параметра)
иобъяснить влияние на эти показатели различных эксплуатационных и конструктивных факторов.
3
Самостоятельная работа № 1
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧКАХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ
Расчет выполняется для циклов с разными способами подвода теплоты к рабочему телу: а – с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const); б – со смешанным подводом теплоты: сначала при постоянном объеме (V = const), а затем при постоянном давле-
нии (р = const).
Содержание задания
На основании исходных данных предложенного варианта (табл. 1 и 2) выполнить по приведенным формулам (1)–(20) расчет
температур (Тс, Ту, Tz Tb) и давлений (рс, ру, рz, рb) рабочего тела в характерных точках термодинамического цикла, а также рассчитать
значение термического КПД ( t) и среднего давления цикла (рm). При выполнении расчета температура рабочего тела в цилинд-
ре двигателя в начале процесса сжатия (точка а цикла) принимается равнойтемпературе окружающейсреды(Та = Т0).Давлениерабочего тела в цилиндре двигателя в начале процесса сжатия (точка а цикла) принимается равным давлению окружающей среды (ра = р0).
Рабочим телом в цилиндре служит воздух. На основании результатов расчета построить:
диаграмму цикла с подводом теплоты при постоянном объе-
ме (V = const);
диаграмму цикла со смешанным подводом теплоты: сначала при постоянном объеме (V = const), а затем при постоянном давле-
нии (р = const).
Используя результаты расчета и построенные диаграммы циклов, объяснить:
в чем заключается сходство термодинамического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const) с действительными циклами бензиновых двигателей;
4
в чем заключается сходство термодинамического цикла со смешанным подводом теплоты – при постоянном объеме (V = const) и затем при постоянном давлении (р = const) – с действительными циклами дизелей.
Общий вид диаграмм термодинамических циклов двигателей с разными способами подвода теплоты к рабочему телу показан на рис. 1.
Для упрощения построения кривых сжатия и расширения на миллиметровой бумаге формата А4 по оси абсцисс V откладывается отрезок Va, соответствующий полному объему цилиндра двигателя (при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ)). При этом условно принимается, что полный объем цилиндра в масштабе строящейсядиаграммытермодинамическогоцикласоответствует100мм. Таким образом, 1 мм по оси абсцисс V-диаграммы соответствует нескольким кубическим сантиметрам объема цилиндра.
Для оси ординат р-диаграммы удобно использовать масштаб, в котором 1 мм соответствует 0,1 МПа.
а) |
б) |
Рис. 1. Общий вид диаграмм термодинамических циклов двигателей с разными способами подвода теплоты к рабочему телу:
a – цикл с подводом теплоты q1 при V = const; б – цикл со смешанным подводом теплоты: q 1 при V = const и q1 при р = const; q2 – теплота, отведенная от рабочего тела холодному источнику
Формулы для расчета температур рабочего тела в характерных точках цикла, К:
T |
= T (V / V )k – 1 |
= T |
k – 1, |
(1) |
c |
a a c |
a |
|
|
5
|
T = T (p / p ) =T |
k – 1, |
|
|
(2) |
|||
|
y |
|
c z c |
a |
|
|
|
|
T |
= T (V / V ) = T |
k – 1, |
|
|
(3) |
|||
z |
y |
z |
c |
a |
|
|
|
|
T |
= T (V / V )k – 1 |
= T (V / V )k – 1 |
= T |
k, |
(4) |
|||
b |
z |
z |
b |
z |
z a |
a |
|
|
где Tc –температурарабочеготелавцилиндредвигателявконцепро- цесса сжатия (точка с цикла); Vc – объем камеры сгорания (при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ)); k – показатель адиабаты (для воздуха k = 1,41); 
– степень сжатия; Tу – температура рабочеготела вцилиндре двигателяв концепроцесса подводатеплоты при V = const в цикле со смешанным подводом теплоты (точка y цикла); pz – максимальное давление в цилиндре двигателя в конце процесса подвода теплоты (точка z цикла); pc – давление в цилиндре двигателя в конце процесса сжатия (точка с цикла); – степень повышения давления в цилиндре (
= pz / pc); Tz – температура рабочего тела в цилиндре двигателя в конце процесса подвода теплоты (точка z цикла); Vz – объем рабочего тела над поршнем в конце процесса подвода теплоты (точка z цикла); – степень предварительного расширения рабочего тела в цилиндре ( = Vz / Vc); Tb – температура рабочеготелавцилиндредвигателявконцепроцессарасширения(точка b цикла).
Расчет параметров рабочего тела в процессе сжатия и расширения
При известном значении степени сжатия e можно рассчитать объем камеры сгорания: Vс = Va /e. Этот объем с учетом принятого масштаба откладывается на оси абсцисс V (рис. 2).
В соответствиисуравнениемадиабатыдля кривойсжатияможно записать
p V k = p V k = p V k. |
(5) |
||
а а |
с с |
х х |
|
Из зависимости (5) получаются соответственно выражения для давления в конце процесса сжатия
p |
= p (V /V )k = p |
k |
(6) |
|
с |
а а с |
а |
|
|
6
Рис. 2. Кривая процесса сжатия термодинамического цикла
и для давления над поршнем при произвольном его положении
p |
= p (V /V ) k = p |
k, |
(7) |
|
х |
а а х |
а |
х |
|
где х – текущая степень сжатия рабочего тела в цилиндре.
Чтобы получить выражения для расчета температуры рабочего тела при произвольном положении поршня, сначала записываются уравнения состояния рабочего тела для точек а, с и х.
pаVа = MaRTa; |
(8) |
pcVc = McRTc; |
(9) |
pxVx = MxRTx. |
(10) |
Посколькувтермодинамическомциклеутечкизарядачерезкольцевое уплотнение поршня отсутствуют, то можно записать, что Ma = Mc = Mx. Тогда, поделив выражение (9) на выражение (8), получим
|
|
|
Tc = Ta (pc / pа )(Vc / Vа ). |
(11) |
||
Так как p |
/ p |
а |
= (V /V ) k = |
k и V / V = 1/ , то для температуры |
||
c |
|
а с |
|
c а |
|
|
рабочего тела в конце процесса сжатия окончательно получается вы- |
||||||
ражение |
|
|
T = T |
k – 1. |
(12) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
c |
a |
|
|
7
Поделив выражение (10) на выражение (8), для температуры рабочего тела, соответствующей произвольному положению поршня, получаем:
T |
x |
= T |
k – 1. |
(13) |
|
a |
x |
|
Построение кривой расширения выполняется по аналогии с кривой сжатия. Для расчета значений давления, соответствующих кривой расширения, используются приведенные ниже формулы.
В соответствии с уравнением адиабаты для кривой расширения можно записать
|
p V k |
= p V |
k = p V k. |
(14) |
||||
|
|
z |
z |
b |
b |
х |
х |
|
Из зависимости (14) получаем выражения для давления в конце |
||||||||
процесса расширения |
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
= p /(V /V )k = p / k, |
(15) |
|||||
b |
|
z |
b |
|
z |
z |
|
|
где – степень последующего расширения рабочего тела ( |
= Vа /Vz). |
|||||||
Соответственно для давления в цилиндре при произвольном |
||||||||
положении поршня в процессе расширения получаем выражение |
||||||||
p |
= p /(V /V )k = p / |
k, |
(16) |
|||||
х |
|
|
y |
x |
z |
z |
х |
|
где |
х – степень последующего расширениярабочего телаприпроиз- |
|||||||||
вольном положении поршня ( |
х = Vx |
/Vz). |
|
|||||||
|
Значения термического КПД |
|
t |
и среднего давления pm |
термо- |
|||||
динамического цикла с подводом теплоты при V = const рассчитыва- |
||||||||||
ются по формулам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η =1−1 εk −1 ; |
(17) |
||||||
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
= |
pa |
|
εk |
|
η (λ−1) |
(18) |
|
|
|
k −1 ε−1 |
||||||||
|
|
m |
|
t |
|
|||||
Значения термического КПД 
t и среднего давления pm термодинамического цикла со смешанным подводом теплоты к рабочему телу рассчитываются по формулам
8
ηt =1− |
|
|
|
|
λρk −1 |
|
||||
|
|
|
|
; |
(19) |
|||||
εk −1[λ−1+kλ(ρ−1)] |
||||||||||
p |
|
= |
pa |
|
|
εk |
|
η [λ−1+kλ(ρ−1)] |
(20) |
|
|
k −1 ε−1 |
|||||||||
|
m |
|
t |
|
||||||
Варианты заданий для самостоятельной работы № 1
Варианты заданийдля самостоятельной работы №1 приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме(V =const)
Номер варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Исходные данные |
|
|
|
Значения исходных данных |
|
|
|
|||||
Давление окружаю- |
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
щей среды р0, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура окру- |
273 |
280 |
293 |
298 |
303 |
308 |
273 |
280 |
293 |
298 |
303 |
308 |
жающей среды Т0, К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень сжатия ε |
6,0 |
6,5 |
7,0 |
7,5 |
8,0 |
8,5 |
9,0 |
9,5 |
10,0 |
10,5 |
11,0 |
11,5 |
Степень повышения |
4,5 |
4,2 |
4,0 |
3,8 |
3,5 |
4,5 |
4,2 |
4,0 |
3,8 |
3,5 |
4,0 |
3,8 |
давления λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень предваритель- |
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
ного расширения ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень последующе- |
6,0 |
6,5 |
7,0 |
7,5 |
8,0 |
8,5 |
9,0 |
9,5 |
10,0 |
10,5 |
11,0 |
11,5 |
го расширения δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатель адиабаты k |
|
|
|
|
|
1,41 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Таблица 2
Циклсосмешаннымподводомтеплоты
Номер варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Исходные данные |
|
|
|
Значения исходных данных |
|
|
|
|||||
Давление окружающей |
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
среды р0, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура окружа- |
273 |
280 |
293 |
298 |
303 |
308 |
273 |
280 |
293 |
298 |
303 |
308 |
ющей среды Т0, К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень сжатия ε |
15,0 |
15,5 |
16,0 |
16,5 |
17,0 |
17,5 |
18,0 |
19,0 |
20,0 |
21,0 |
22,0 |
23,0 |
Степень повышения |
2,0 |
1,9 |
1,8 |
1,7 |
1,6 |
1,5 |
2,0 |
1,9 |
1,8 |
1,7 |
1,6 |
1,5 |
давления λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень предваритель- |
1,05 |
1,10 |
1,15 |
1,20 |
1,25 |
1,30 |
1,05 |
1,10 |
1,15 |
1,20 |
1,25 |
1,30 |
ного расширения ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень последую- |
14,3 |
14,1 |
13,9 |
13,8 |
13,6 |
13,5 |
17,1 |
17,3 |
17,4 |
17,5 |
17,6 |
17,7 |
щего расширения δ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатель адиабаты k |
|
|
|
|
|
1,41 |
|
|
|
|
|
|
9
Самостоятельная работа № 2
РАСЧЕТ ИНДИКАТОРНЫХ И ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Расчет выполняется для двигателей с разными способами воспламенения топливовоздушнойсмеси: а длябензинового двигателя; б – для дизеля.
Содержание задания
На основании исходных данных предложенного варианта (табл. 3, 4), используя приведенные далее формулы, рассчитать значения индикаторных и эффективных показателей, а также коэффициентанаполнения,реального автомобильногобензиновогодвигателя и дизеля. Последовательность расчета определяется совокупностью имеющихся исходных данных.
При выполнении расчета принять:
тактность двигателя = 4; температуру окружающей среды Т0 = 278 К; давление окружающей среды р0 = 0,1 МПа;
а–длябензиновогодвигателя:ра =0,9р0;коэффициентизбыткавоздуха
=1;низшаятеплотворнаяспособностьтопливаQн =44000кДж/кг;
температура остаточных газов Tr = 1050 К;
б – для дизеля: ра = 0,95р0; низшая теплотворная способность топлива Qн = 42 500 кДж/кг; температура остаточных газов Тr = 850 К.
Примечание. При наличии наддува бензинового двигателя или дизеля принимается ра = 0,95рk и Т0 = Тk.
Сопоставить полученные расчетные значения индикаторных и эффективных показателей со значениями соответствующих параметров для реальных бензиновых двигателей и дизелей (указать рядом с полученным расчетным значением характерный диапазон изменения соответствующего параметра).
10