Математическое моделирование тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания: Курс лекций

Математическое моделирование тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания

Курс лекций

Новосибирск - 2009

Федеральное Агентство Образования

Новосибирский государственный технический университет

Математическое моделирование тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания

Курс лекций для студентов IV курса факультета летательных аппаратов и механико-технологического факультета (специальности )

всех форм обучения

Новосибирск-2009

УДК 536.24

Составители:  доктор техн. наук, проф. Ю.В. Дьяченко канд. физ.-мат. наук, доц. М.А. Пахомов

Рецензент: канд. техн. наук,       доц. Э.В. Клещин

Работа подготовлена кафедрой технической теплофизики

Введение

Тепловые машины, работающие по прямому термодинамическому циклу, называются тепловыми двигателями (теплосиловыми установками). В этих циклах происходит преобразование тепла в работу.

Циклы тепловых двигателей подразделяются на три основные группы: газовые, паровые и циклы прямого преобразования тепла в электроэнергию.

В газовых циклах рабочее тело находится в виде газа в течение всего времени цикла, причем при умеренном давлении и значительных температурах, что позволяет с достаточной точностью рассматривать газ как идеальный.

В паровых циклах агрегатное состояние рабочего тела меняется от жидкого состояния до перегретого пара, поэтому законы идеальных газов не применимы.

Третья группа состоит из циклов, предназначенных для прямого преобразования тепла в работу и несколько отстоит от первых двух.

В настоящем учебном пособии рассмотрены методы термодинамического анализа тепловых двигателей, основные типы двигателей и их реальные циклы.

1. Эволюция учения о теплообмене в ДВС от Нуссельта до наших дней

Поршневой ДВС - величайшее достижение техники XIX в. Французский механик Ж. Ленуар в 1860 г. создал первую жизнеспособную конструкцию двигателя, работающего на "светильном" (каменноугольном) газе.   Купец из Кельна Николаус Аугуст Отто, будучи в 1867 г.  построил двигатель, существенно опережавший машину Ленуара по экономичности.   В историю развития ДВС Отто вошел как создатель четырехтактного двигателя, работающего по циклу, названного в честь его создателя. Заслуги немецкого изобретателя и конструктора были отмечены дипломом ПО четного доктора, присужденного университетом г. Вюрцбурга.   Отмечалось, что "удостоен звания и чести почетного доктора философии изобретательный и глубоко мысленный Н.А. Отто, отличившийся изобретением двигателя, названного его именем и приносящего большую пользу промышленности.

Конец XIX столетия по праву можно считать "золотым веком" в истории развития тепловых машин. Кроме Ж. Ленуара и Н.А. Отто, этот период знаменует замечательная плеяда инженеров и ученых. В их ряду имя Рудольфа Дизеля занимает особое место. Патент, выданный ему в 1893 г., привел к перевороту в теплоэнергетике, поскольку предложенный им тепловой двигатель не только вытеснил паровые машины, но и до настоящего времени остается перспективным двигателем будущего XXI столетия. Являясь, по отзывам современников, блестящим специалистом в области термодинамики и механики, Дизель сформулировал три основных условия совершенного сгорания и проанализировал термодинамические принципы работы нового двигателя, снабдив анализ расчетами. В частности, им выдвигался принцип медленного сгорания, в процессе которого сохраняется практически постоянная температура. При этом, как указывает Дизель, тепловые потери минимизируются, увеличивается КПД двигателя и упрощается его конструкция - не нужна рубашка охлаждения. Принцип, предложенный им, по существу предвосхитил идею "адиабатного" двигателя. Однако опыт создания и экспериментального исследования первогo образца нового двигателя показал необходимость использования водяного охлаждения цилиндра. Дизель пришел к выводу, что для увеличения мощности двигателя требуется тщательно изучить теплообмен, но при этом отрицательно относился к идее "продувки-наддува" цилиндра сжатым воздухом из под поршневой полости, считая, что это приводит к снижению КПД цикла и только 1958 г. К. Циннер показал, что Дизель заблуждался.

В дальнейшем (в 1898 г.) российский инженер Г.В. Тринкклер (1876-1957) усовершенствовал двигатель Дизеля и предложил цикл со смешанным подводом теплоты.

Вопросы теплообмена в ДВС - основной предмет данного лекционного курса. С практической точки зрения без изучения сложных физических процессов теплообмена невозможно проектировать новые, а также усовершенствовать существующие двигатели.   С научной точки зрения разработанные теоретические и экспериментальные методы исследования,  опытные данные, полученные для современных поршневых двигателей, можно обобщить и успешно применять не только для поршневых ДВС будущего поколения, но и для других теплоэнергетических установок, которые по сложности протекающих в них физических процессов, как правило, заметно уступают ДВС.

Впервые теплообмен в поршневых ДВС начал изучать В. Нуссельт (1882-1957) - один из крупнейших теплофизиков, создатель теории подобия в теплопередаче. Обрабатывая экспериментальные результаты, связанные с тепловым балансом тихоходного газового двигателя, Нуссельт получил формулу коэффициента теплоотдачи в цилиндре поршневого двигателя,

которая имеет аддитивную структуру: