1) За счёт увеличения n посредством выбора соответствующих фаз газораспределения и настроек топливной аппаратуры;

2) За счёт увеличения mn посредством повышения цикловых подач топлива gт и воздуха gв;

3) Комбинация первых двух способов.

5. Теория двс

1. Основные понятия термодинамики

Термодинамика изучает общие закономерности обмена тел энергией, без знания которых невозможно изучить теорию ДВС.

Энергия - общая количественная мера для оценки движения материи. В качестве характеристики вида движения материи используют такие понятия как “кинетическая энергия”, “тепловая”, “химическая” и другие. Энергия не уничтожима и не создаваема, она лишь может переходить из одного вида в другие.

Все формы обмена энергией между макротелами можно свести к двум способам:

1) Совершение работы;

2) Теплообмен.

Работой называется передача энергии в результате макроскопического упорядоченного направленного движения. А передача энергии посредством хаотического ненаправленного движения микрочастиц называется теплообменом.

Совокупность макроскопических тел, которые являются объектом термодинамического анализа, называется термодинамической системой. Тела не входящие в состав этой системы, называют окружающей средой.

Вещество, выполняющее главную функцию в машине (горючие газы, пар и т.п.) называют рабочим телом. Границу между рабочим телом и другими элементами системы или средой называют контрольной поверхностью. Например, в ДВС - это поверхности камеры сгорания, цилиндра, тарелок клапанов, днища поршня.

Система называется замкнутой, если контрольная поверхность непроницаема для веществ, то есть между системой и средой отсутствует обмен массой. Система называется изолированной, если контрольную поверхность не могут пересекать ни потоки вещества, ни потоки энергии.

Физические величины, однозначно определяющие состояние системы в любой момент времени, называют параметрами состояния. Ими являются: давление p; объём V; температура T и др. Зависимость какой-либо физической величины от других есть функция состояния. Например, мощность N, КПД  и т.п. Параметры состояния, изменяющиеся под воздействием одного рода и не изменяющиеся под воздействием другого рода, называются координатами термодинамического состояния.

5.2 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов

5.2.1 Параметры состояния рабочего тела и законы идеальных газов

Технической термодинамикой называется наука, изучающая свойства тепловой энергии и законы взаимного превращения тепловой и механической энергии. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания.

Процессы взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах осуществляются с помощью вещества, называемого рабочим телом. Например, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и в газотурбинных установках рабочим телом является газ (воздух).

Физическое состояние рабочего тела характеризуется величинами, которые называют термодинамическими параметрами состояния. В качестве основных термодинамических параметров принимают удельный объем, абсолютное давление и абсолютную температуру.

Удельный объем (м³/кг) представляет собой объем единицы массы вещества:

где V— объем вещества, м³; т — масса вещества, кг.

Плотность (кг/м³) есть масса единицы объема, обратная удельному объему

Давление газа обусловливается совокупностью ударов беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключён газ, и представляет собой силу, действующую на единицу площади поверхности стенки:

где Р — сила, Н; а — площадь поверхности, м². .

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м² . Применяют также укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

1 Па = 1 Н/м² =10^-3 кПа = 10^-6 МПа.

В технике в настоящее время продолжают применять также систему единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда), в которой за единицу давления принимается 1кгс/м². Используют также внесистемные единицы — техническую атмосферу и бар:

1 атм = 1 кгс/см²; 1 бар= 10⁵ Па = 1,02 атм; 1 кгс/м² = 9,81 Па.

Различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. На практике за начало отсчета обычно принимают атмосфсрное {барометрическое) давление. Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объемах. Если абсолютное давление больше атмосферного, то разность между ними характеризует избыточное {манометрическое) давление:

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то разность между ними называется разрежением, или вакуумом:

Вышеприведенные формулы показывают, что при неизменном состоянии газа в сосуде постоянным остается лишь значение р_абс, а р_изг и р_вак изменяются при изменении р_атм. Поэтому параметром состояния газа служит только абсолютное давление, которое и входит во все термодинамические зависимости.

Температура представляет собой степень нагретости рабочего тела. Ее измеряют по международной стоградусной шкале Цельсия с обозначением t (°С), или абсолютной шкале Кельвина с обозначением Г (К). Соотношение между температурой в Кельвинах и в градусах Цельсия следующее:

Т= t + 273,16.

Абсолютная температура, измеряемая в Кельвинах, является параметром состояния.

При изучении свойств рабочего тела в технической термодинамике вводят понятие идеального газа. При построении модели идеального газа придерживаются следующих положений:

♦ пренебрегают силами межмолекулярного взаимодействия;

♦ рассматривают молекулы газа как абсолютно упругие частицы, объем которых бесконечно мал по сравнению с объемом газа.

В технике в качестве рабочих тел применяют реальные газы и их смеси — 0₂, Н₂, N2, СО2, NO3, перегретый водяной пар, атмосферный воздух и др. Реальный газ отличается от идеального тем, что у него молекулы имеют конечный объем и между ними действуют силы сцепления.

Газообразные продукты сгорания топлива, являясь рабочим телом в ДВС, по своим свойствам близки к идеальным газам, учитывая ту область состояний, в которой протекает процесс в двигателе. Поэтому в тепловых расчетах допустимо считать их идеальными газами.

В XVII—XIX вв. англичанин Р. Бойль, французы Э. Мариотт, Ж. Гей-Люссак, Ж. Шарль, итальянец А. Авогадро экспериментально установили ряд зависимостей, которые стали называться законами идеальных газов.

Закон Бойля — Мариотта. При постоянной температуре удельные объемы данного газа обратно пропорциональны его аб­солютным давлениям:

(5.1)

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному и конечному состоянию газа в процессе его расширения или сжатия.

Из выражения (1.1) следует, что

(1.2)

Закон Гей-Люссака. При постоянном абсолютном давлении удельные объемы идеального газа прямо пропорциональны его абсолютным температурам:

(1.3)

Из уравнения (1.3) следует, что

(1.4)

Закон Шарля. При постоянном объеме данной массы газа абсолютные давления идеального газа прямо пропорциональны его абсолютным температурам

(1.5)

Выражение (1.5) можно записать в следующем виде

(1.6)

Закон Авогадро. В равных объемах разных идеальных газов при одинаковых температуре и давлении содержится равное число молекул — число Авогадро (N_A = 6,022 • 10²³ моль^-1).

Под количеством вещества понимаем отношение числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода

где n — число молекул в данном теле, шт.; N_A — число Авогадро, моль^-1.

Количество вещества измеряют в молях. Моль — это количество вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода. В Международной системе единиц (СИ) под молем понимают количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе. Тысяча молей составляет один киломоль (1 кмоль = 10³ моль).

Молярной массой вещества называется величина, равная отношению массы вещества к его количеству:

где

т — масса вещества, г (кг); n — количество вещества, моль.

Молярная масса выражается в г/моль (кг/моль).

Объем одного киломоля при нормальных условиях для всех газов равен 22,4 м³/кмоль. Отсюда следует, что можно легко определить удельный объем и плотность любого газа при нормальных условиях (р = 760 мм рт. ст. = 101,3 кПа и Т = 273 К):

(1.7)

Для равновесного состояния газа, когда его термодинамические параметры р, V, Т сколь угодно долго остаются неизменными, существует аналитическая зависимость, называемая уравнением состояния газа. Для произвольного количества вещества эта зависимость выражается уравнением Менделеева — Клапейрона:

(1.8)

где V— объем данного количества вещества при давлении р и температуре Т, т — масса вещества; М — молярная масса вещества; R₀ — универсальная газовая постоянная (R₀ =8,315 кДж/кмоль • К).

Для произвольной массы газа уравнение состояния идеального газа имеет вид уравнения Клапейрона:

где R — газовая постоянная, Дж/(кг • К).

Данная постоянная величина зависит от природы газа, но не зависит от его состояния, т.е. она является физической константой вещества.

Уравнение Менделеева — Клапейрона лежит в основе теплового расчета ДВС