теория автомобилей. теория автомобилей задание 2 (вариант 24) СДЕЛАН. 1. Основы технической термодинамики

• Название: 1. Основы технической термодинамики
• Анкор: теория автомобилей
• Дата: 11.10.2022
• Размер: 288.05 Kb.
• Имя файла: теория автомобилей задание 2 (вариант 24) СДЕЛАН.docx
• Тип: Документы; #726658

1. Основы технической термодинамики

1.1. Общие сведения о газовых смесях

Газовые смеси встречаются в технике чаще, нежели чистые газы. Так к газовым смесям относится атмосферный воздух, состоящий из азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара и других газов.

Природный газ также является смесью предельных и непредельных углеводородов, оксида углерода, водорода, сероводорода, азота, кислорода, углекислого газа и других газов.

К газовым смесям относятся также продукты сгорания топлива в котлоагрегатах (дымовые газы), состоящие из углекислого газа, паров воды, азота, кислорода и других газов.

Основные признаки смеси газов (идеальных и реальных) следующие:

• 
  гомогенность, т. е. внутри системы нет макроскопических частей (подсистем), отделенных друг от друга поверхностями раздела;
  
• 
  физическая однородность, т.е. состав и физические свойства системы одинаковы для всех ее макроскопических частей, равных по объему;
  
• 
  все компоненты смеси находятся в одной фазе (агрегатном состоянии);
  
• 
  термодинамические параметры смеси ( ,  ) связаны между собой уравнением состояния, общий вид которого :  , здесь: - температура, удельный объем и температура смеси.
  
• 
  компоненты смеси не вступают между собой в химические реакции, т. е. представляют механическую смесь;
  
• 
  каждый газ смеси распределяется равномерно по всему объему смеси  , сохраняя свои свойства;
  
• 
  все газы смеси имеют в состоянии равновесия одинаковую температуру, равную температуре смеси  ;
  
• 
  каждый газ смеси подчиняется уравнению состояния, аналогичному уравнению состояния смеси. При этом все газы, входящие в смесь, в зависимости от плотности смеси считаются либо реальными, либо идеальными.
  

Смесь газов - это гомогенная термодинамическая система, представляющая собой совокупность нескольких разнородных газов, которые при рассматриваемых условиях не вступают друг с другом в химические реакции.

Компоненты смеси - это газы, образующие смесь.

Молем (грамм-молекулой) называется количество химически однородного вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе  .

Киломолем (килограмм-молекулой) называется количество химически однородного вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе  .

Идеальный газ – это газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а молекулы не имеют размера (материальные точки). Последнее означает, что размеры молекул по сравнению с межмолекулярным пространством пренебрежимо малы.

Поведение реальных газов приближается к идеальному только при малых плотностях. В остальных случаях необходим учет межмолекулярного взаимодействия и конечного объема молекул.

1.2. Что объясняет уравнение состояния газовой смеси

Основными характеристиками физического состояния газа являются его давление, температура и плотность. Все эти величины взаимозависимы. Газы сжимаемы, поэтому их плотность меняется в зависимости от давления и температуры. Связь между давлением, температурой и плотностью для идеальных газов дается уравнением состояния газов, известным из физики. Оно пишется

, (1.1)

где – давление; - удельный объем газа; - температура по шкале Кельвина; - удельная газовая постоянная, зависящая от природы газа.

Для каждого газа существует температура, называемая критической, выше которой любой газ можно с большой степенью точности назвать идеальным. Если температура газа выше критической, то газ ни при каком давлении не может быть переведен ни в жидкое, ни в твердое состояние.

Уравнение состояния можно написать всегда, когда можно применять термодинамическое описание явлений. При этом реальные уравнения состояний реальных веществ могут быть крайне сложными.

Уравнение состояния системы не содержится в постулатах термодинамики и не может быть выведено из неё. Оно должно быть взято со стороны (из опыта или из модели, созданной в рамках статистической физики). Термодинамика же не рассматривает вопросы внутреннего устройства вещества.

Заметим, что соотношения, задаваемые уравнением состояния, справедливы только для состояний термодинамического равновесия.

2. Основы теории двигателей внутреннего сгорания

2.1. Газообменные процессы в 4-тактных двигателях

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

Такт впуска - в течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

Такт сжатия - поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия.

 Такт выпуска - после НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

2.2. Опишите процессы газообмена и приведите схему

Характер работы клапанной системы и изменение давлений на впуске и выпуске можно проанализировать графически во взаимосвязи с индикаторной диаграммой, построенной по углу поворота вала (рисунок 1): точки 1 и 4 - начало открытия выпускного и впускного клапанов, точки 2 и 5 – моменты их закрытия.



Рисунок 1- Процесс газообмена в 4-тактном карбюраторном двигателе

Процесс выпуска

В конце такта расширения с опереже­нием 40...70 °С до прихода поршня в НМТ начинается выпуск отработавших газов. В результате быстрого уменьше­ния количества газов в цилиндре и их расширения давление заметно понижается, и скорость истечения газов становится ниже критической. Первый период процесса выпуска называют периодом свободного выпуска.Он заканчивается вблизи НМТ. За относительно малое время свободного выпуска из цилиндра удаляется до 50...70% отработавших газов.

Во время второго периода, называемого принудительным выпуском,т. е. при движении поршня к ВМТ, выпуск происходит под его вытесняющим действием.

Момент начала выпуска выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить хорошую очистку цилиндра, с другой стороны, уменьшить затраты энергии на этот процесс. Если, например, клапан начнет открываться слишком рано, то увеличится потеря полезной работы газов в период предварения выпуска. Если же клапан открывать по­здно, то возрастет отрицательная работа во время принудитель­ного выпуска.

Газообмен в период перекрытия клапанов

Опыт показывает, что для лучшего газообмена впускной клапан необходимо начать открывать примерно за 10...30° до прихода поршня в ВМТ, а выпускной клапан закры­вать спустя 10...50° после ВМТ. Период, когда одновременно открыты оба клапана, называют перекрытием клапанов. В оптимальном случае через впускной клапан в цилиндр поступает свежий заряд, а через выпускной удаляются отработавшие газы.

Такой газообмен называют про­дувкой цилиндра.В действительности свежий заряд смешивается в цилиндре с отработанными газами. В период перекрытия клапановчасть свежего заряда может через выпускной клапан поки­нуть цилиндр. Наиболее типичный случай обратного течения газов имеет место, например, в двигателях с искровым зажигани­ем на режимах холостого хода, когда дроссельная заслонка сильно прикрыта. На этих режимах в период перекрытия клапанов отработанные газы через выпускной клапан поступают из системы выпуска обратно в цилиндр, а через впускной клапан происходит истечение газов из цилиндра в систему впуска.

Процесс впуска

После начала открытия впускного клапана начи­нается впуск. Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течение процес­са впуска, зависит от об­щего гидравлического со­противления впускной си­стемы, т. е. от разности между давлением окружа­ющей среды р₀и давлени­ем в цилиндре р, которая изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ. Естественно, что чем меньше потеря давления во впускной системе к приходу поршня в НМТ тем больше количество свежего заряда, заполня­ющего цилиндр к этому моменту.

(2.1.)

При увеличении частоты вращения коленчатого вала поток воздуха движется с возрастающей скоростью и под действием сил инерции в системе впуска давление р_хтакже возрастает. Поэтому если в начале хода сжатия р_х>р, то впуск продолжается. Этот процесс называют дозарядкой.Для осуществления дозарядки впуск­ной клапан закрывают спустя 35...85° после НМТ. При малой частоте вращения, когда инерция свежего заряда невелика, во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытес­няет часть заряда из цилиндра обратно во впускную систему, т. е. происходит обратный выброс.Таким образом, в общем случае количество свежего заряда, заполняющего цилиндр после окон­чания впуска, меньше общего количества заряда, поступившего в цилиндр в течение газообмена.

Поверхности впускного трубо­провода, канала в головке и внутри цилиндровые поверхности имеют температуру более высокую, чем свежий заряд, поэтому последний вследствие теплообмена в процессе впуска нагревает­ся. Нагревание свежего заряда происходит и вследствие его сме­шения с горячими остаточными газами.

3. Основы конструкции двигателей внутреннего сгорания

3.1. Конструктивные особенности анализаторов отработавших газов (датчик кислорода)

Функцией автомобильного лямбда-зонда является определения и регулировка количества остаточного или не участвовавшего в процессе горения кислорода в общем составе автомобильного выхлопа.

Основным конструктивным элементом кислородного датчика является пустотелый керамический наконечник, выполненный из оксида циркония. На его внутреннюю и внешнюю поверхность наносится пористое покрытие из платины, которое выполняет функции внутреннего и внешнего электродов. При нагревании до температуры 300-350C материал превращается в диэлектрик, который проводит сигнал от наружного электрода к внутреннему, что возникает от разности соотношения кислорода между выхлопными газами внутри / снаружи автомобильной системы выхлопа. Ионы кислорода начинают двигаться в направлении от одного из электродов к близлежащему, от области с большой концентрацией кислорода или атмосферы в ту область, где концентрация наименьшая – к выхлопу. При этом возникает электрический ток, причем его сила зависит от степени плотности кислорода с обеих сторон. Данный показатель фиксируется и поступает на ЭБУ, задачей которого является регулировать продолжительность работы инжекторов. Для надежности работы датчика, имеющиеся в нем внутренние и внешние электроды надежно заизолированы. В свою очередь, погруженная часть, находящаяся в выпускной системе, изолируется от наружного воздуха.

3.2. Приветите схемы датчиков

Известны два типа датчиков, реагирующих на содержание кислорода. В одном из них чувствительным элементом является диоксид циркония ZrO₂, во втором – диоксид титанаTiO₂. Оба типа датчиков реагируют на парциальное давление кислорода, содержащегося в смеси газов.

Циркониевый датчик (рис. 2) имеет два электрода – внешний 4 и внутренний 5. Оба электрода выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита, которым является диоксид циркония ZrO₂с добавлением оксида иттрияY₂O₃для повышения ионной проводимости.



Рисунок - 2. Схема циркониевого датчика кислорода:

Где - 1. Электропроводное уплотнение; 2. Корпус; 3. Твердый электролит; 4. Внешний электрод; 5. Внутренний электрод

Конструкция датчика кислорода на основе диоксида циркония показана на рис. 3.


Рисунок 3 – Конструктивная схема циркониевого датчика кислорода

Где - 1. Металлический корпус; 2. Уплотнение; 3. Соединительный кабель; 4. Кожух; 5. Контактный стержень; 6. Активный элемент из двуоксида циркония; 7. Защитный колпачок с прорезями.

Принцип работы датчика кислорода на основе двуокиси титана TiO₂основан на изменении электропроводностиTiO₂при изменении парциального давления кислорода в выхлопных газах. Принципиальных отличий в его конструкции по сравнению с вышеописанным циркониевым датчиком нет. Чувствительный элемент из двуокиси титана, закрытый кожухом с отверстиями или прорезями, установлен в металлическом корпусе, от которого он защищен изолятором.

4. Задача

Двигатель внутреннего сгорания работает на установившемся режиме.

Дано: i = 6; τ = 4; n = 4000об/мин; Ɛ = 7,6; k = 1,4; q_e = 260г/кВт·ч; Ne= 130л.с. Pi= 7,5ати; Pe=8,5 ати.

Определить: Ме, G_T, ɳ_m, P_m.

Условные обозначения:

– число цилиндров. ;

– тактность двигателя. = 4;

– частота вращения коленчатого вала. ;

– степень сжатия. = 7,6;

k – показатель адиабаты. k = 1,4;

q_e – удельный эффективный расход топлива. q_e = 260 г/кВт⸳ч;

N_е – эффективный крутящий момент. N_е = 130 л.с. = 95,62 кВт

P_i – среднее индикаторное давление. P_i = 8,2 атм = 0,831 МПа;

P_е – среднее эффективное давление. Р_е = 7,5 атм = 0,760 МПа.

Решение:

Определим давление механических потерь

Р_м = Р_i – Р_е = 0,831 – 0,76 = 0,071 МПа

Определим механический КПД



Определим эффективный момент ( )



где - угловая скорость вращения коленчатого вала



Определим часовой расход топлива