Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

Цикл Дизеля — Технарь

В двигателях, работающих по циклу Дизеля, в цилиндр со сжатым воздухом через специальную форсунку впрыскивается топливо (мазут, соляровое масло, дизтопливо, керосин), т.е. смесеобразование происходит в отличие от цикла Отто не вне, а внутри цилиндра. В среде сжатого воздуха (давление 3…5 МПа и температура до 1000 К) топливо самовоспламеняется и медленно сгорает практически при постоянном давлении. Распыление топлива производят сжатым (5…6 МПа) воздухом. Сжатие воздуха создаётся специальным компрессором высокого давления.

Идеализированные замкнутые циклы осуществленные с чистым воздухом представлены в p-V и T-S диаграммах (рис.8.2)

В точке 1 происходит процесс засасывания чистого атмосферного воздуха. Кривая 1-2 показывает процесс адиабатного сжатия этого воздуха до давления p2. Обычно, степень сжатия достигает в цикле Дизеля значений ε = 15 … 16.

В точке 2 начинается впрыск топлива в цилиндр, которое самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивает расширение газа от V2 до V3 (при p=const).

В точке 3 процесс впрыска топлива и его сгорания оканчивается и начинается адиабатное расширение рабочего тела (процесс трансформации теплоты в работу).

В точке 4 открывается выхлопной клапан цилиндра, и давление в цилиндре понижается до атмосферного – идёт процесс изохорного теплообмена 4-1, газ высокого давления и температуры выталкивается в атмосферу. Как видно из диаграммы, идеализированный цикл Дизеля состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4), изобары 2-3, по которой осуществляется подвод тепла q1 и изохоры 4-1, по которой осуществляется отвод тепла q2 к холодному источнику.

Рис. 8.2. Изображение идеального цикла двигателя с подводом тепла при постоянном давлении а) в рабочей диаграмме б) тепловой диаграмме

Вычислим термический кпд этого цикла. Для этого введём дополнительные обозначения – степень предварительного расширения p и степень последующего расширения d:

Из общего выражения для термического кпд любого цикла

С учётом того, что в изобарном процессе 2-3:

q1 = Cp(T3 — T2)

И в изохорном процессе 4-1:

q2 = Cv(T4 — T1)

Получаем

Аналогично методике анализа цикла Отто выразим каждую последующую температуру через предыдущую.

Для адиабатного процесса 1-2:

Для изобарного процесса 2-3:

Тогда 

Для адиабатного процесса (3-4):

Так как V1=V4 и , то

Можно записать: 

Подставляя полученные значения температур в уравнение термического кпд получим:

Анализ соотношения (8.8) показывает, что термический кпд цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия (как и в цикле Отто) и чем выше величина p (степени предварительного расширения).

Для сравнения циклов Отто и Дизеля необходимо принимать в обоих циклах либо одинаковую величину степени сжатия ε, либо наивысшую температуру рабочего тела в цикле (T3). При этом исходные параметры рабочего тела в начальной точке цикла (p1, V1, T1) должны быть одинаковыми в обоих циклах.

Для случая, когда в циклах одинаковые степени сжатия из выражений (8.5) и (8.8) видно что термический кпд цикла Отто выше термического кпд Дизеля. Однако главным преимуществом цикла Дизеля является возможность работать при более высоких степенях сжатия (по сравнению с циклом Отто). Поэтому более правомерно сравнение при условии одинаковой наивысшей температуры цикла (T3).

Рис. 8.3. Сравнение циклов Отто и Дизеля

На рис. 8.3 в диаграмме T-S совмещены циклы Отто и Дизеля при одинаковых начальных (p1, V1, T1) параметрах и одинаковой максимальной температуры. Так как изохора идёт круче изобары, очевидно, что тепла, трансформируемого в работу в цикле Дизеля больше и следовательно, термический кпд цикла Дизеля выше.

При сравнении обоих циклов при равной работе и максимальном давлении видно, что тепла q2 в цикле Отто больше и, следовательно, h цикла Отто ниже. Кроме того, двигатель Дизеля может работать на менее качественном и потому более дешевом топливе.

Известным недостатком двигателя Дизеля (по сравнению с циклом Отто) является необходимость затрат работы на привод устройства для распыления топлива.

Метки: адиабатное расширениеидеализированный цикл Дизеляидеальный цикл двигателяизохоризохорный процесспроцесс адиабатного сжатияроцесс изохорного теплообменаТермический КПДцикл ДизеляЦикл Отто

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.



Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода — вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

***

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия — в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т.

е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.

Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает «превращаться» в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.

***




Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе «Л. Нобеля» показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.

Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.


Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает «убежать» от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в

2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.

Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного («чистого») дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ — Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по «чистому» циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

***

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в

1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ — Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей — 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

***

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2′ и 1–2″ изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2’–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2″–3′ и 3’–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

***

Термодинамика поршневого двигателя

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

  • для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
  • для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

  • для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
  • для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»



Главная страница

  • Страничка абитуриента

Дистанционное образование
  • Группа ТО-81
  • Группа М-81
  • Группа ТО-71

Специальности
  • Ветеринария
  • Механизация сельского хозяйства
  • Коммерция
  • Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины
  • Инженерная графика
  • МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
  •    Карта раздела
  •       Общее устройство автомобиля
  •       Автомобильный двигатель
  •       Трансмиссия автомобиля
  •       Рулевое управление
  •       Тормозная система
  •       Подвеска
  •       Колеса
  •       Кузов
  •       Электрооборудование автомобиля
  •       Основы теории автомобиля
  •       Основы технической диагностики
  • Основы гидравлики и теплотехники
  • Метрология и стандартизация
  • Сельскохозяйственные машины
  • Основы агрономии
  • Перевозка опасных грузов
  • Материаловедение
  • Менеджмент
  • Техническая механика
  • Советы дипломнику

Олимпиады и тесты
  • «Инженерная графика»
  • «Техническая механика»
  • «Двигатель и его системы»
  • «Шасси автомобиля»
  • «Электрооборудование автомобиля»

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель внутреннего сгорания отличается от бензинового цикла Отто тем, что для воспламенения топлива используется более высокая степень сжатия топлива, а не свеча зажигания («воспламенение от сжатия», а не «искровое зажигание»).

Стандартный воздушный цикл дизельного двигателя

В дизельном двигателе воздух адиабатически сжимается со степенью сжатия, обычно от 15 до 20. Это сжатие повышает температуру до температуры воспламенения топливной смеси, которая образуется путем впрыскивания топлива после сжатия воздуха.

Идеальный воздушный стандартный цикл моделируется как обратимое адиабатическое сжатие, за которым следует процесс сгорания при постоянном давлении, затем адиабатическое расширение в виде рабочего такта и изоволюметрический выпуск. Новый заряд воздуха всасывается в конце выхлопа, как показано процессами а-е-а на диаграмме.

Поскольку такты сжатия и рабочего хода этого идеализированного цикла являются адиабатическими, КПД можно рассчитать на основе процессов постоянного давления и постоянного объема. Входная и выходная энергии и КПД могут быть рассчитаны по температурам и удельной теплоемкости:

Эту эффективность удобно выразить через степень сжатия r C = V 1 /V 2 и степень расширения r E = V 1 /V 3 . КПД можно записать как

, и это можно преобразовать в форму

.

Для стандартного воздушного двигателя с γ = 1,4, степенью сжатия r C = 15 и степенью расширения r E = 5 это дает идеальный КПД дизеля 56%.

Для дизельного цикла, для которого γ =

со степенью сжатия r C =

и коэффициент расширения r E = ,

идеальный КПД для цикла η = %

Предполагая, что давление на впуске P a находится при атмосферном давлении, 101,3 кПа = 0 фунтов на квадратный дюйм*, адиабатическое сжатие создаст давление

P b = P a r C γ = кПа = psig*.

Температура, создаваемая сжатием, равна T b = T a r C γ-1

что для начальной температуры T a = K = °C

дает температуру T b = K = °C

Цикл дизельного двигателя зависит от того, достаточно ли высока эта температура для воспламенения топлива при его впрыске.

*psig — давление в фунтах на квадратный дюйм. Обычные манометры в США измеряют превышение давления в фунтах на квадратный дюйм по сравнению с атмосферным давлением.

Подробнее о дизельном цикле
Индекс

Концепции тепловых двигателей

Ссылка
Devins
Ch 4

 
Гиперфизика***** Термодинамика R Ступица
Назад
Стандартный воздушный цикл дизельного двигателя

Поскольку такты сжатия и рабочего хода этого идеализированного цикла являются адиабатическими, КПД можно рассчитать на основе процессов постоянного давления и постоянного объема. Входная и выходная энергии и КПД могут быть рассчитаны по температурам и удельной теплоемкости:

Эту эффективность удобно выразить через степень сжатия r C = V 1 /V 2 и степень расширения r E = V 1 /V 3 .

Эффективность может быть выражена в единицах удельной теплоемкости и температуры.

Теперь, используя закон идеального газа PV=nRT и γ = C P /C V , можно записать

Теперь, используя тот факт, что V a = V d = V 1 и P c = P b из диаграммы

Деление числителя и знаменателя на V 1 P c

Теперь с использованием адиабатического условия PV γ = константа,

КПД можно записать

Расчет
Index

Heat engine concepts

References
Devins
Ch 4

Wark and Richards
Ch 15

 
HyperPhysics***** Thermodynamics R Nave
Назад
Стандартный воздушный цикл дизельного двигателя

Термин «воспламенение от сжатия» обычно используется в технической литературе для описания современных двигателей, обычно называемых «дизельными двигателями». Это отличается от «искрового зажигания» типичных автомобильных бензиновых двигателей, которые работают по циклу, основанному на цикле Отто. Рудольф Дизель запатентовал цикл воспламенения от сжатия, который носит его имя, в 1890-х годах.

Расчет
Index

Heat engine concepts

References
Devins
Ch 4

Wark and Richards
Ch 15

 
HyperPhysics***** Thermodynamics R Nave
Вернуться

Глава 3c — Первый закон — Замкнутые системы

Глава 3c — Первый закон — Замкнутые системы — Двигатели дизельного цикла (обновлено 3/19/2013)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

c) Дизельный цикл воздушного стандарта (с воспламенением от сжатия) Двигатель

Воздух Стандартный дизельный цикл является идеальным цикл для Воспламенение от сжатия (CI) поршневые двигатели, впервые предложенные Рудольфом Дизель более 100 лет назад. Следующая ссылка на Kruse Технологическое партнерство описывает четырехтактный дизельный цикл работа включая короткую История Рудольфа Дизеля. Четырехтактный дизельный двигатель обычно используются в автомобильных системах, тогда как более крупные морские системы обычно использовать двухтактный дизельный цикл . Еще раз у нас есть отличная анимация производства Matt Keveney представляет работу четырехтактный дизельный цикл .

Фактический цикл КИ чрезвычайно сложен, поэтому в в начальном анализе мы используем идеальное допущение о «воздушном стандарте», в котором рабочим телом является неподвижная масса воздуха, подвергающаяся полный цикл, который рассматривается как идеальный газ. Все процессы идеальны, горение заменяется подводом тепла к воздуха, а выхлоп заменяется процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в исходное состояние.

Идеальный дизельный двигатель воздушного стандарта подвергается 4 отдельные процессы, каждый из которых может быть проанализирован отдельно, т. показан в P-V схемы ниже. Два из четырех процессов цикла адиабатические процессы (адиабатические = отсутствие передачи тепла), таким образом, до мы можем продолжить нам нужно разработать уравнения для идеального газа адиабатический процесс следующим образом:

Адиабатический процесс идеального газа (Q = 0)

Анализ приводит к следующим трем общим формы, представляющие адиабатический процесс:


где k представляет собой отношение теплоемкостей и имеет номинальное значение 1,4 при 300к за воздух.

Процесс 1-2 представляет собой процесс адиабатического сжатия. Таким образом, температура воздуха увеличивается при сжатии. процесса, а при большой степени сжатия (обычно > 16:1) достигнет температуры воспламенения впрыскиваемого топлива. Таким образом дано условия в состоянии 1 и степень сжатия двигателя, в для определения давления и температуры в состоянии 2 (на конец процесса адиабатического сжатия) имеем:

Work W 1-2 требуется для сжатия газа показана как площадь под кривой P-V и оценивается как следует.

Альтернативный подход с использованием уравнения энергии использует преимущество адиабатического процесса (Q 1-2 = 0) приводит к гораздо более простому процессу:


(спасибо студентке Николь Блэкмор за то, что она сообщила мне об этой альтернативе подход)

Во время процесса 2-3 топливо впрыскивается и сгорает и это представлено процессом расширения постоянного давления. В состояние 3 («отсечка топлива») процесс расширения продолжается адиабатически с понижением температуры до тех пор, пока расширение полный.

Процесс 3-4, таким образом, представляет собой процесс адиабатического расширения. Общая работа по расширению составляет W exp = (W 2-3 + W 3-4 ) и показан как площадь под P-V диаграмме и анализируется следующим образом:

Наконец, процесс 4-1 представляет постоянный объем процесс отвода тепла. В реальном дизельном двигателе газ просто выпускают из цилиндра и вводят свежий заряд воздуха.

Сеть W Сеть сделано за цикл определяется как: W net = (W exp + W 1-2 ), где по-прежнему работа сжатия W 1-2 отрицательна (работа выполнена на системе).

В двигателе с циклом Air-Standard Diesel тепло ввод Q в происходит путем сжигания топлива, которое впрыскивается контролируемым образом, идеально приводит к процессу расширения с постоянным давлением 2-3 как показано ниже. При максимальном объеме (нижняя мертвая точка) сгоревшие газы просто истощаются и заменяются свежим зарядом воздуха. Это представлен эквивалентным процессом отвода тепла постоянного объема Вопрос из = -Q 4-1 . Оба процесса анализируются следующим образом:

На этом этапе мы можем удобно определить КПД двигателя по тепловому потоку составляет:

____________________________________________________________________________

Следующие проблемы резюмируют этот раздел:

Проблема 3. 4 А устройство поршень-цилиндр без трения содержит 0,2 кг воздуха при 100 кПа и 27°С. Теперь воздух медленно сжимается по соотношению P V k = константа, где k = 1,4, пока не достигнет конечного значения температура 77°С.

  • а) Эскиз P-V диаграмма процесса относительно соответствующей константы температурные линии, и укажите на этой диаграмме совершенную работу.

  • б) Использование основного определение границы выполненной работы определить границу работы сделано во время процесса [-7.18 кДж].

  • c) Используя уравнение энергии, определите тепло передано в процессе [0 кДж] и убедитесь, что процесс находится в факт адиабатический.

Производное все используемые уравнения начинаются с основным уравнением энергии для непоточной системы уравнение для изменения внутренней энергии идеального газа (Δu) основное уравнение для граничной работы и уравнения состояния идеального газа [ P. V. = mRT ]. Использовать значения удельной теплоемкости, определенные при 300К для всего процесс.

Задача 3.5 Учитывайте ход расширения только типичный дизельный двигатель Air Standard с компрессией коэффициент 20 и коэффициент отсечки 2. В начале процесса (впрыск топлива) начальная температура 627°С, а воздух расширяется при постоянном давлении 6,2 МПа до отсечки (объемное отношение 2:1). Затем воздух адиабатически расширяется (отсутствует теплопередача). пока не достигнет максимальной громкости.

  • а) Нарисуйте это процесс на П-в диаграмма, четко показывающая все три состояния. Укажите на схеме полная работа, совершенная в течение всего процесса расширения.

  • б) Определить температурах, достигаемых в конце постоянного давления (топливо впрыск) процесс [1800K], а также в конце процесса расширения [830K], и нарисуйте три соответствующие линии постоянной температуры на P-v диаграмма.

  • c) Определить полная работа, выполненная во время такта расширения [1087 кДж/кг].

  • г) Определить общее количество тепла, подведенного к воздуху во время такта расширения [1028 кДж/кг].

Получите все используемые уравнения исходя из уравнения состояния идеального газа и адиабатического процесса соотношения, основное уравнение энергии для замкнутой системы, соотношения изменения внутренней энергии и энтальпии для идеального газа, и базовое определение граничной работы, выполняемой системой (если требуется). Используйте значения удельной теплоемкости, определенные для 1000K для всего процесс расширения, полученный из таблицы Конкретный Теплоемкость воздуха .

Решенная проблема 3.6 Идеальный дизельный двигатель с воздушным стандартом имеет степень сжатия 18 и коэффициент отсечки 2. В начале процесса сжатия, рабочая жидкость при 100 кПа, 27°С (300 К). Определить температуру и давление воздуха в конце каждого процесса, чистый выход работы за цикл [кДж/кг] и тепловая эффективность.

Обратите внимание, что номинальные значения удельной теплоемкости для воздуха при 300K используются C P = 1,00 кДж/кг.K, C v = 0,717 кДж/кг·К, а к = 1,4. Однако все они являются функциями температуры, а также с чрезвычайно высоким температурным диапазоном при опыте работы с дизельными двигателями можно получить существенные ошибки. Один подход (который мы примем в этом примере) заключается в использовании типичного средняя температура за цикл.

Подход к решению:

Первый шаг — нарисовать диаграмму, представляющую проблемы, включая всю необходимую информацию. Мы замечаем, что ни объем, ни масса не даны, поэтому диаграмма и решение будут выражаться в конкретных количествах. Самая полезная схема для тепловая машина П-в схема полного цикла:

Следующим шагом является определение рабочей жидкости и решить, какие основные уравнения или таблицы использовать. В этом случае рабочей жидкостью является воздух, и мы решили использовать среднее температура 900К на протяжении всего цикла для определения удельной теплоемкости значения емкости, представленные в таблице Удельная теплоемкость воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определяют температуру и давление в конце каждого процесса.

Обратите внимание, что альтернативный метод оценки давление P 2 просто использовать уравнение состояния идеального газа следующим образом:

Удовлетворителен любой подход — выберите любой вам удобнее. Теперь мы продолжаем с топливом процесс инжекции при постоянном давлении:



Обратите внимание, что хотя проблема запрашивает «net выход работы за цикл», мы рассчитали только теплоту в и отогреть. В случае с дизельным двигателем это сделать гораздо проще. оценить значения тепла, и мы можем легко получить чистую работу из энергетический баланс за полный цикл выглядит следующим образом:

Вы можете удивиться нереально высокой получена эффективность. В этом идеализированном анализе мы проигнорировали многие эффекты потерь, которые существуют в практических тепловых двигателях.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *