Содержание. 1. Исходные данные. ............................................................................................. 3 2. Определение количества рабочего тела, участвующего в осуществлении цикла. ........................................................................................................................ 4 3. Определение значений параметров состояния рабочего тела (воздуха) в характерных точках цикла. .................................................................................... 4 4. Проверка правильности выполненных вычислений. Для всех характерных точек цикла должно выполняться условие: ................................... 5 5.Определение параметров идеализированного поршневого ДВС. ............... 6-7 6.Среднее (условное) индикаторное давление рабочего тела в цикле. ............. 7 7. Индикаторная мощность двигателя. ................................................................. 7 8. Определение количества тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу в цикле. ................................................................................................................... 7-11 9. Определение количества тепловой энергии, которым обменивается рабочее тело со стенками в политропических процессах сжатия a–c и расширения z– b…………….. .................................................................................................... 11-12 10. Суммарное количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в цикле. ...................................................................................................................... 12 11. Количество тепловой энергии, преобразованной в механическую форму (работу). .................................................................................................................. 12 12. Результирующая работа цикла We равна. .................................................... 13 13. Погрешность вычислений результирующей работы цикла........................ 13 14. Термический КПД цикла. ............................................................................... 13 15. Изменение энтропии рабочего тела в процессах цикла. ........................ 13-14 16. Проверка правильности вычислений. ........................................................... 14 17. Построение энтропийной (тепловой) диаграммы. ................................. 15-16 18. Построение индикаторной (рабочей) диаграммы цикла………………17-18 19. Список литературы.........................................................................................19 2 Расчет идеализированного цикла поршневого ДВС. 1. Исходные данные. Рабочее тело – воздуха; = 0,086 МПа – начальное (исходное) давление рабочего тела в точке а; = 317 К – начальная температура рабочего тела; = 2,2 дм3 – начальный (исходный) объем рабочего тела; Ɛ = Va/Vc=14,5 - степень сжатия рабочего тела (воздуха) в цикле; λ =у/ с = /с = 1,8 – степень повышения давления рабочего тела в результате сгорания топлива; ρ= Vz/Vc = 1,43 – степень предварительного расширения рабочего тела в процессе y-z; n1 = 1,37 – среднее значение показателя политропы сжатия рабочего тела; n2 = 1,23 – среднее значение показателя политропы расширения рабочего тела; Ω = 2200 мин-1– частота вращения коленчатого вала (число оборотов за 1 минуту); i = 12 – число цилиндров в двигателе; τ = 4 – число ходов, совершаемых поршнем при осуществлении одного рабочего цикла в цилиндре двигателя (тактность двигателя); R = 8,314 Дж/(моль*К) – универсальная газовая постоянная. 3 2. Определение количества рабочего тела, участвующего в осуществлении цикла. pa ∗ Va 86000 ∗ 2.2 ∗ 10−3 189,2 n= = = = 0.071 моль R ∗ Ta 8.314 ∗ 317 2635,538 3. Определение значений параметров состояния рабочего тела (воздуха) в характерных точках цикла. 3.1. Значения параметров состояния рабочего тела в точке с (в конце процесса сжатия а-с): pc = pa ∗ Ɛn1 = 86000 ∗ 14,51.37 = 3,354 ∗ 106 Па Va 2,2 ∗ 10−3 VC = = = 1,517 ∗ 10−4 м3 Ɛ 14,5 n1−1 Tc = Ta ∗ Ɛ = 317 ∗ 14,51,37−1 = 853 К 3.1 Значения параметров состояния рабочего тела в точке y ( в конце изохорного процесса подвода тепловой энергии c – y ): py = λ ∗ Pc = 1,8 ∗ 3,354 ∗ 106 = 6,0372 ∗ 106 Па Vy = Vc = 1,517 ∗ 10−4 м3 Ty = λ ∗ Tc = 1,8 ∗ 853 = 1535 К 3.2 Значения параметров состояния рабочего тела в точке z( в конце изохорного процесса подвода тепловой энергии y - z ): pz = py = 6,0372 ∗ 106 Па Vz = ρ ∗ Vy = 1.43 ∗ 1,517 ∗ 10−4 = 2,169 ∗ 10−4 м3 Tz = ρ ∗ Ty = 1.43 ∗ 1535 = 2195К 3.3 Значения параметров состояния рабочего тела в точке b ( в конце политропического процесса расширения рабочего тела z – b ): ρ n2 1.43 1.23 6 pb = pz ∗ ( ) = 6,0372 ∗ 10 ∗ ( = 3,494 ∗ 105 Па ) Ɛ 14,5 Vb = Va = 2,2 ∗ 10−3 м3 ρ n2−1 1.43 1.23−1 Tb = Tz ∗ ( ) = 2195 ∗ ( = 1288 К ) Ɛ 14,5 4 4. Проверка правильности выполненных вычислений. Для всех характерных точек цикла должно выполняться условие: pa · Va pc · Vc py · Vy pz · Vz pb · Vb = = = = Ta Tc Ty Tz Tb pa · Va 0.086 ∗ 106 ∗ 2,2 ∗ 10−3 Ka = = = 0,596 Дж/К Ta 317 pc · Vc 3,354 ∗ 106 ∗ 1,517 ∗ 10−4 Kc = = = 0,596 Дж/К Tc 853 py · Vy 6,0372 ∗ 106 ∗ 1,517 ∗ 10−4 Ky = = = 0,596 Дж/К Ty 1535 pz · Vz 6,0372 ∗ 106 ∗ 2,169 ∗ 10−4 Kz = = = 0,596 Дж/К Tz 2195 Kb pb · Vb 3,494 ∗ 105 ∗ 2,2 ∗ 10−3 = = = 0,596 Дж/К Tb 1288 Вычисления выполнены правильно. Результаты вычислений: Параметр Давление, 106 Па Объём, 10-3 м3 Температура, К Значение параметра в характерной точке цикла а с y z b 0,080 2,0 310 3,354 0,1517 853 5 6,0372 0,1517 1535 6,0372 0,2169 2195 0,3494 2,2 1288 5.Определение параметров идеализированного поршневого ДВС. 5.1 В процессе сжатия a–c затрачивается энергия в механической форме. Количество затрачиваемой механической энергии определяется по формуле: pa · Va − pc · Vc = n1 − 1 (0,086 ∗ 106 ∗ 2,2 ∗ 10−3 ) − (3,354 ∗ 106 ∗ 0,1517 ∗ 10−3 ) = = 1.37 − 1 189,2 − 508,8 = = −864 Дж 0.37 Wa−c = Знак «минус» указывает на то, что в процессе сжатия механическая энергия затрачивается. Энергия не может быть отрицательной величиной. В процессе c–y рабочим телом работа не совершатся, так как оно не расширяется (не изменяется его объем. 5.2 В процессе y–z рабочим телом совершается положительная работа. Рабочее тело расширяется при постоянном давлении (изобарный процесс). Эта работа определяется по формуле: Wy−z = pz · (Vz − Vy ) = 6,0372 ∗ 106 (2,169 ∗ 10−4 − 1,517 ∗ 10−4 ) = = 6,0372 ∗ 106 ∗ (0,2169 ∗ 10−3 − 0,1517 ∗ 10−3 ) = 394 Дж 5.3 В политропном процессе z–b рабочим телом совершается положительная работа, равная: pz · Vz − pb · Vb = n2 − 1 (6,0372 ∗ 106 ∗ 0,2169 ∗ 10−3 ) − (3,494 ∗ 105 ∗ 2,2 ∗ 10−3 ) = = 1.23 − 1 = 2351 Дж Wz−b ∶= В изохорном процессе z–b работа не совершается. 5.4 Суммарная работа, совершаемая рабочим телом в одном цилиндре двигателя, определяется по формуле: WΣ = Wa– c + Wy– z + Wz– b = −864 + 394 + 2351 = 1881 Дж 6 6.Среднее (условное) индикаторное давление рабочего тела в цикле. 1881 = = = 9,183 ∗ 105 Па − (2,2 ∗ 10−3 ) − (0,1517 ∗ 10−3 ) 7. Индикаторная мощность двигателя. · · 12 ∗ 1881 ∗ 2200 = = = 41,382 ∗ 104 Вт 30 · 30 ∗ 4 8. Определение количества тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу в цикле. Тепловая энергия к рабочему телу проводится в процессах c-y и y-z. В процессе a-b тепловая энергия отводится от рабочего тела. Для определения количества подводимой к рабочему телу в данном процессе тепловой энергии необходимо знать среднее значение теплоемкости воздуха в требуемых интервалах температур. Для этого выполним предварительные расчеты. 8.1. Среднее значение молярной изохорной теплоемкости воздуха в интервале температур от 0 до Ty. Для этого воспользуемся данными приложения 3: Текущее значение температуры Ту = 1535 К = 1500 К; = 23, 252 Дж моль∗К +1 = 1600 К; +1 = 23.508 Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 1535 − 1600 1535 − 1500 = 23,252 ∗ ( ) + 23,508 ∗ ( )= 1500 − 1600 1600 − 1500 Дж = 15,11 + 8,22 = 23,337 моль ∗ К 1 = · ( 8.2. Среднее значение молярной изохорной теплоемкости воздуха в интервале температур от 0 до Tс: 7 Текущее значение температуры Tс =853 К = 800 К; = 21.418 Дж моль∗К 1 = 900 К; +1 = 21,694 Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 853 − 900 853 − 800 = 21.418 ∗ ( ) + 21.694 ∗ ( )= 800 − 900 900 − 800 Дж = 21,563 моль ∗ К 1 = · ( 8.3. Среднее значение молярной изохорной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от Tc до Ty определим по формуле: 1 = 1 · − 1 · 23,337 ∗ 1535 − 21,563 ∗ 853 = = – 1535 − 853 35822,29 − 18393,23 Дж = = 25,55 682 моль ∗ К 8.4. Количество тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу в процессе c–y: 1 = · 1 · ( − ) = 0,071 ∗ 25,55 ∗ 682 = 1237,18 Дж 8.5. Количество тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу в процессе y–z: 8.5.1. Среднее значение изобарной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от 0 до Tz: Текущее значение Tz =2195 К = 2100 К; = 32,800 Дж моль∗К +1 = 2200 К; +1 = 32,942 8 Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 2195 − 2200 2195 − 2100 = 32,800 ∗ ( ) + 32,942 ∗ ( )= 2100 − 2200 2200 − 2100 Дж = 1,64 + 31,2949 = 32,9349 моль ∗ К 1 = · ( 8.5.2. Среднее значение молярной изобарной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от 0 до Ty: Текущее значение температуры Ty = 1535 К = 1500 К; = 31,566 Дж моль∗К +1 = 1600 К; +1 = 31,822 Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 1535 − 1600 1535 − 1500 = 31,566 ∗ ( ) + 31,822 ∗ ( ) 1500 − 1600 1600 − 1500 Дж = 20,51 + 11,13 = 31,647 моль ∗ К 1 = · ( 8.5.3. Среднее значение молярной изобарной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от Ty до Tz: 1 = 1 · − 1 · 32,9349 ∗ 2195 − 31,647 ∗ 1535 = – 2195 − 1535 72292,10 − 48578,14 Дж = = 35,930 660 моль ∗ К 8.5.4. Количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в изобарном процессе y–z: 1 = · 1 · ( − ) = 0.071 ∗ 35,930 ∗ 660 = 1683,67 Дж 8.5.5. Суммарное количество тепловой энергии, сообщаемой рабочему телу в процессах с–y и y–z: 1 = 1 + 1 = 1237,18 + 1683,67 = 2920,859 Дж 8.6. Определение количества тепловой энергии, отводимой от рабочего тела в изохорном процессе b–a: 9 8.6.1. Определение среднего значения молярной изохорной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от 0 до Ta: Текущее значение температуры Ta = 317 К = 300 К; = 20,682 Дж моль∗К +1 = 400 К; +1 = 20,750 Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 317 − 400 317 − 300 = 20.682 ∗ ( ) + 20.75 ∗ ( ) 300 − 400 400 − 300 Дж = 17,166 + 3,527 = 20,693 моль ∗ К 2 = · ( 8.6.2. Определение среднего значения молярной изохорной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от 0 до Tb: Текущее значение температуры Tb =1288 К = 1200К; = 22,525 1 = 1300 К; 1 = 22,778 Дж моль∗К Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 1288 − 1200 1288 − 1100 = 22,525 ∗ ( ) + 22,778 ∗ ( )= 1100 − 1200 1200 − 1100 Дж = 2,703 + 20,04 = 22,743 моль ∗ К 2 : = · ( 8.6.3. Определение среднего значения молярной изохорной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от Ta до Tb: 2 = 2 · − 2 · 20,693 ∗ 317 − 22,743 ∗ 1288 = – 317 − 1288 6559,681 − 29292,984 Дж = = 23,412 (−971) моль ∗ К 8.6.4. Количество тепловой энергии, отводимой в изохорном процессе b–a: 10 2 = · 2 · ( − ) = 0,071 ∗ 23,412 ∗ (−971) = = −1614,04 Дж Знак «минус» указывает, что тепловая энергия в изохорном процессе b–a отводится от рабочего тела. 9. Определение количества тепловой энергии, которым обменивается рабочее тело со стенками в политропических процессах сжатия a–c и расширения z–b. 9.1. Среднее значение молярной теплоемкости рабочего тела в интервале температур от Ta до Tc: = · − · 21,563 ∗ 853 − 20,693 ∗ 317 = – 853 − 317 18393,239 − 6559,681 Дж = = 22,077 536 моль ∗ К 9.2. Среднее значение показателя адиабаты сжатия k1: 1 = 8.314 +1= + 1 = 1.376 22,077 9.3. Количество тепловой энергии, которым обмениваются рабочее тело и стенки цилиндра в политропическом сжатия a–c: 1 − 1 ) · ( – ) 1 − 1 1.37 − 1.376 = 0.071 ∗ 22.077 ∗ ( ) ∗ (853 − 317) = −13,44 Дж 1.37 − 1 1п = · · ( 9.4. Среднее значение молярной теплоемкости рабочего тела в политропном процессе расширения z–b: Текущее значение Тz = 2195 K = 2100 К; = 24,486 Дж моль∗К +1 = 2200 К; +1 = 24,628 11 Дж моль∗К − +1 – ) + +1 · ( )= − +1 +1 – 2195 − 2200 2195 − 2100 = 24,486 ∗ ( ) + 24,628 ∗ ( )= 2100 − 2200 2200 − 2100 Дж = 1,22 + 23,396 = 24,616 моль ∗ К = · ( = · − · 22,743 ∗ 1288 − 24,616 ∗ 2195 = – 1288 − 2195 29292,984 − 54032,12 Дж = = 27,275 (−907) моль ∗ К 9.5. Среднее значение показателя адиабаты k2 в политропном процессе расширения z–b: 2 ∶= 8,314 + 1= + 1 = 1,304 27,275 9.6. Количество тепловой энергии, которым обмениваются рабочее тело и стенки цилиндра в политропическом процессе расширения z–b: 2 − 2 ) · ( – ) 2 − 1 1.23 − 1.304 = 0.071 ∗ 27,275 ∗ ( ) ∗ (−907) = 565Дж 1.23 − 1 2п = · · ( 10. Суммарное количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в цикле. = 1 + 1п + 2п = 2920,859 + (−13,44) + 565 = 3472,419 Дж 11. Количество тепловой энергии, преобразованной в механическую форму (работу). = + 2 = 3472,419 + (−1614,04) = 1858,379 Дж 12 12. Результирующая работа цикла We равна. = = 1858,379Дж 13. Погрешность вычислений результирующей работы цикла. δ = WΣ − We 1881 − 1858,379 = = 1,2% WΣ 1881 14. Термический КПД цикла. 1858,379 = = = 0,535 3472,419 15. Изменение энтропии рабочего тела в процессах цикла. 15.1. Изменение энтропии рабочего тела в процессе политропического сжатия a–c: 1 − 1 ) · ( ) 1 − 1 1,37 − 1,376 853 = 0,071 ∗ 22.077 ∗ ( ) ∗ ( ) = − 0,0251 1,37 − 1 317 = · · ( 15.2. Изменение энтропии рабочего тела в изохорном процессе c–y: = · 1 · ( 1535 Дж ) = 0.071 ∗ 25.55 ∗ ( ) = 1,052 853 К 15.3. Изменение энтропии рабочего тела в изобарном процессе y–z: = · 1 · ( 2195 Дж ) = 0.071 ∗ 35,930 ∗ ( ) = 0,912 1535 К 15.4. Изменение энтропии рабочего тела в процессе политропического расширения z–b: 2 − 2 ) · ( ) 2 − 1 1,23 − 1,304 1288 Дж = 0.071 ∗ 27,275 ∗ ( ) ∗ ( ) = 0,33 1,23 − 1 2195 К = · · ( 13 15.5. Изменение энтропии рабочего тела в изохорном процессе b–a: = · 2 · ( 317 Дж ) = 0.071 ∗ 23,412 ∗ ( ) = −2,33 1288 К 16. Проверка правильности вычислений. 16.1. Суммарное изменение энтропии: = + + + + = = − 0,167 + 1,48 + 1,19 + 0,321 + (−2,869) = −0,0614 16.2. Погрешность вычислений: = −0,0614 = = 0,014 −2,33 Значения изменения энтропии в каждом процессе: Термодинамический процесс Политропный процесс сжатия а - с Изохорный процесс подвода тепловой энергии с - у Изобарный процесс подвода тепловой энергии y - z Политропный процесс расширеия z - b Изохорный процесс отвода тепловой энергии b - a 14 Изменение энтропии рабочего тела Δ S= Дж/К -0,0251 1,052 0,912 0,33 -2,33 Дж К 17. Построение энтропийной (тепловой) диаграммы. 17.1. Определение параметров рабочего тела в промежуточных точках: 17.1.1. Параметры рабочего тела в точке 1: 1 = + 853 + 1535 = = 1194К 2 2 1 = · 1 · ( 1 1194 Дж ) = 0,071 ∗ 25,55 ∗ ( ) = 0,61 853 К 17.1.2. Параметры рабочего тела в точке 2: 2 = + 1535 + 2195 = = 1865 К 2 2 2 = · 1 · ( 2 1865 Дж ) = 0,071 ∗ 35,930 ∗ ( ) = 0,496 1535 К 17.1.3. Параметры рабочего тела в точке 3: 3 = + 1288 + 317 = = 852,5 К 2 2 3 = · 2 · ( 3 852,5 Дж ) = 0,071 ∗ 23,412 ∗ ( ) = −10,68 1288 К 17.2. Смещение точек цикла на энтропийной (тепловой) диаграмме: = 0,02 X = X = X = S m S m S m X = S X = S m m = −0,0251 = 1,052 = 0,912 0.02 0.02 0.02 Дж К мм ; = 20 = m = 0.02 853 20 Ty = 0,0526 ∗ 10−3 м; = m = = 0,0456 ∗ 10−3 м; = m = Tz 2195 = m = Tb = −0,116 ∗ 10−3 м; = m = 15 = 0,07675 ∗ 10−3 м 20 Tb = 0,04265 ∗ 10−3 м 1535 0,33 −2,33 мм Tc = −1,255 ∗ 10−3 м; = 0.02 = 0,0165 ∗ 10−3 м; = К 20 = 0,109 ∗ 10−3 м 1288 20 317 20 = 0,0644 ∗ 10−3 м = 0,0158 ∗ 10−3 м 18. Построение индикаторной (рабочей) диаграммы цикла. Если максимальное давление цикла равно ≥ 5,0 ∗ 106 Па, то масштаб давлений принимается равным mр = 40 ∗ 103 Па/мм. 18.1. Определим ординаты точек: 18.1.1. Определим ординату точки а: 86∗103 = m = р 40∗10 3 = 2,15 мм Таким образом, точка а имеет координаты: ха =100 мм; = 2,15 мм. 18.1.2. Определим координаты точки с: 1,517∗10−4 Xc = m = 0,022∗10−3 = 6,895 мм с = mс = m = р 3,354∗106 40∗103 = 83,85 мм 0,022 = = 0,022 ∗ 10−3 100 18.1.3. Определим координаты точки y: 1,517∗10−4 Xy = Xc = m = m = 0,022∗10−3 = 6,895 мм = m = р 3,354∗106 40∗103 = 83,85мм 18.1.4. Определим координаты точки z: 2,169∗10−4 Xz = m = m = 0,022∗10−3 = 9,85 мм = = m = m = р р 3,354∗106 40∗103 = 150,93 м 18.1.5. Определим координаты точки b: 2,2∗10−3 Xb = Xa = m = m = 0,022∗10−3 = 100 мм 16 = m = р 3,494∗105 40∗103 = 8,73 мм 18.2. Определим промежуточные значения: Зададим промежуточные значения объема рабочего тела: V1=1,1*10-3 м3; V2=1,65*10-3 м3; V3=0,55*10-3 м3; V4=1,65*10-3 м3; V5=1,1*10-3 м3; Определим значения давления: 1 (2,2∗10−3 )1,37 1 (2,2∗10−3 )1,37 1 (2,2∗10−3 )1,37 2 5 1 = ∗ 1 =86000 ∗ =2,139*105 Па (1,1∗10−3 )1,37 1 2 = ∗ 1 =86000 ∗ = 1,227*105 Па (1,65∗10−3 )1,37 2 3 = ∗ 1 =86000 ∗ =5,528*105 Па (0,55∗10−3 )1,37 3 1,23 (2,2∗10−3 ) 5 4 = ∗ 2 =3,494 ∗ 10 ∗ 1,23 = 4,898*10 Па −3 4 (1,65∗10 ) 2 1,23 (2,2∗10−3 ) 5 5 = ∗ 2 =3,494 ∗ 105 ∗ 1,23 = 8,066*10 Па 5 (1,1∗10−3 ) 18.2.1. Определим координаты точки 1: 1,1∗10−3 X1 = m1 = 0,022∗10−3 = 50 мм 1 = m1 = р 2,139∗105 40∗103 = 5,34 мм 18.2.2. Определим координаты точки 2: 1,65∗10−3 X2 = m2 = 0,022∗10−3 = 75 мм 2 = m2 = р 1,227∗105 40∗103 = 3,067 мм 18.2.3. Определим координаты точки 3: 0,55∗10−3 X3 = m3 = 0,022∗10−3 = 25 мм 3 = m3 = р 17 5,528∗105 40∗103 = 13,82 мм 18.2.4. Определим координаты точки 4: X4 = X 2 = 75 мм 4 = m4 = р 4,898∗105 40∗103 = 12,245мм 18.2.5. Определим координаты точки 5: X5 = X1 = 50 мм 5 = m5 = р 18 8,066∗105 40∗103 = 20,165мм Cписок литературы. 1. Прокопенко Н.И «Термодинамический расчет идеализированного цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания». Лаборатория изданий, 2010.-143с. 2. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование: Учеб/В.Н. Луканин, И.В. Алексеев и др., Учебник для вузов – 4-е издание,2009.-400с. 3. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Бастраков, Б.В. Берг и др., 2-е издание перераб. Энергоатом издт. 1991-224с. 19
1/--страниц