Термодинамический расчет, анализ и оптимизация идеализированного цикла поршневого ДВС

 Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

 ОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

 Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины» 

 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

 к курсовой работе по дисциплине

 «Теплотехника» 

 Тема:

   «Термодинамический расчет, анализ и оптимизация

 идеализированного цикла поршневого ДВС» 
 
 

 Выполнил: студент  Д.С Кураш,

 Группы:  МГ-317 

 подпись, дата  
 
 
 

 Шифр курсовой работы __________ 

                                                                                 Проверил: А.Х. Шамутдинов 

                                              Оценка                   подпись, дата  
 
 
 
 
 
 

 г. Омск, 2010 
СОДЕРЖАНИЕ (пример) 

 1.1 Содержание  задачи №1                                                                                     3

 1.2 Краткое  описание цикла поршневого ДВС                                                     3

 1.3 Расчет  цикла ДВС                                                                                              5

 1.3.1 Определение  параметров характерных точек цикла                                    5

 1.3.2 Расчет  термодинамических процессов                                                          7

 1.3.3 Расчет  характеристик цикла                                                                          12

 1.3.4 Построение  Т-s диаграммы цикла                                                                15

 1.4 Оптимизация  цикла варьированием заданного параметра                           20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Задача  № 1 

 1.1 Содержание задачи (вариант 14) 

 Для цикла поршневого ДВС, заданного параметрами р₁ =0.14 МПа; Т₁ = 300 К; ε = 18; λ = 1,3; ρ = 1,48 кг/м³; n₁ = 1,34; n₂ = 1,28, определить параметры всех характерных точек цикла, термодинамические характеристики каждого процесса и цикла в целом. Исследовать влияние параметра n₁ на величину термического КПД η_t и максимальной температуры Т_max при варьировании указанного параметра в пределах 20 %. По результатам расчетов построить графики зависимостей η_t и Т_max от варьируемого параметра, на основании которых сделать заключение об его оптимальном значении, принимая за предельно допустимое значение Т_max величину Т_пр = 1600 К. В качестве рабочего тела принимать сухой воздух.  
 

 1.2 Краткое описание  цикла  

 Для анализа задан цикл поршневого ДВС  со смешанным подводом теплоты, который реализуется в современных быстроходных дизельных двигателях. Подробное описание такого цикла приведено в учебниках [1,3] и др., ниже приведено краткое описание.

 На  рис. 1 приведена идеализированная p-v диаграмма, наглядно отображающая основные процессы такого цикла. Во время хода впуска (на диаграмме не показан) атмосферный воздух, проходя через систему фильтров и открытый впускной клапан, поступает в цилиндр двигателя. В конце впуска (точка 1 на диаграмме) впускной клапан закрывается, и по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит политропное сжатие воздуха (процесс 1-2). Ввиду быстротечности этого процесса характер его близок к адиабатному, температура воздуха к концу сжатия (точка 2) сильно увеличивается, в этот момент под большим давлением производят впрыск топлива, в мелкодисперсном виде. Топливо при высокой температуре воздуха, в который оно попадает, очень быстро испаряется и самовоспламеняется. Первые порции при этом сгорают практически мгновенно (процесс 3-4).

 Для интенсификации процессов топливо  часто впрыскивают в специальную предкамеру из жаростойкой стали, имеющую очень высокую температуру. Последующие порции топлива сгорают по мере их попадания в цилиндр во время перемещения поршня от ВМТ к НМТ (нижней мертвой точке). При этом давление в цилиндре практически не изменяется (процесс 3-4). Далее совершается политропное расширение продуктов сгорания (процесс 4-5), по окончании которого, когда поршень приходит в НМТ, открывается выпускной клапан (точка 5) и во время хода выталкивания продукты сгорания выбрасывается в атмосферу. Поскольку суммарная работа процессов всасывания и выталкивания практически равна нулю, идеализируя картину, их заменяют одним изохорным процессом отвода теплоты (процесс 5-1).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 1.3 Расчет цикла ДВС * 

 1.3.1 Определение параметров  характерных точек  цикла 

 Точка 1. По формуле (5) из расчёта ДВС находим: 

 

 

 Точка 2. Из формулы (6) находим . Используя уравнение (6), давление p₂ найдем по формуле (8): 

 

. 

 Величину  Т₂ находим из уравнения (4):  

 

. 

 Точка 3. Из формулы (9) находим

 Температуру Т₃ находим из уравнения (4):  

 

.

 Используя соотношения (12) находим Т₃:  

 

. 

 Практическое  совпадение результатов (невязка около 0,1 % возникает из-за округлений) служит подтверждением безошибочности проведенных вычислений.  

 Точка 4. Из выражения (10)

 

.

 Температуру Т₄ найдем по выражению (13): . 

 Точка 5. . Давление в точке 5 найдем так же, как находили его для точки 2:

 

.

 Температуру Т₅ находим из формулы (4):

  

 

. 

 Полученные  результаты заносим в сводную  таблицу (табл. 1).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 1.3.2 Расчет термодинамических  процессов 

 Рассчитываем  теперь процесс 1-2. Это политропный процесс с показателем политропы n₁ = 1,34. Чтобы реализовать формулы (14) – (18), сначала по формулам (19) и (20) рассчитываем значения средних теплоемкостей, предварительно рассчитав t₁ и t₂ :  

 

 

 

 

   

 

. 

 Теплоту процесса 1-2 находим по формуле (14):  

 

, 

 Работу процесса 1-2 находим по формуле (15):  

 

 

 Изменения внутренней энергии и энтальпии рассчитываем по формулам (16) и (17):

 

 

 

. 

 По формуле (18) находим величину Δs_1-2:  

 

 

 Далее по формуле (21) находим: 

 

 

 Погрешность расчёта (22):

 

 

 Расчет процесса 2-3 начинаем также с определения величин

 

 

 

 

 

 

  

 Поскольку процесс 2-3 изохорный (у таких процессов значение n = ± ), формулы (14), (16), (17) и (18) существенно упрощаются, позволяя рассчитывать значения соответствующих величин:  

 

 

 

 

 

 

 

 

 Для самопроверки воспользуемся соотношением (24): 

 

  

 Погрешность расчёта (24) составляет незначительную величину: 

 

 Процесс 3-4 изобарный и для него показатель политропы n = 0. Это тоже упрощает формулы (14) – (16). Расчеты начинаем с определения температуры t₄ и теплоемкостей:  

 

 

 

 

 

. 

 Определяем  теперь характеристики процесса 3-4:  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Проверку  проведем обоими способами, воспользовавшись формулами (21 - 22):  

 

 

 

 По выражению (23):

   и по формуле(24): 

 

 

 Чтобы рассчитать процесс 4-5, определим температуру t₅, c_νm и c_pm по формулам (19) и (20):  

 

 

 

 

 

 

 . 

 Далее рассчитываем характеристики процесса 4-5 по формулам (14 – 18):  

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 Проверка:

 

 

 

. 

 Производим  расчет последнего процесса 5-1. Это процесс изохорный и расчет его аналогичен расчету процесса 2-3. Начинаем, как обычно, с расчета теплоемкостей:  

 

 

 

 Основные  характеристики процесса: