Тепловой расчет двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данном разделе следует построить индикаторную диаграмму, произвести расчет основных параметров двигателя: т.к. диаметр цилиндра, ход поршня ит.д., также нужно построить график скоростной характеристики дизеля.

Определяем силы давления газов, сил инерции, суммарные силы и т.д.

Исходные данные

1. Марка трактора: МТЗ-80

2. Марка двигателя: Д-240

3. Номинальная мощность проектируемого двигателя:

a. N_{e н} =60 л.с..

4. Номинальная частота вращения коленчатого вала:

a. n_н=2000 об/мин.

5. Степень сжатия: 17



1. Тепловой расчет двигателя и определение основных размеров двигателя

1.1 Определение исходных данных для построения индикаторной диаграммы

При выполнении теплового расчета двигателя необходимо определить параметры состояния газов ( абсолютное давление ри абсолютная температура Т) в характерных для диаграммы точках.

Такими точками являются:

а - конец процесса впуска;

с - конец процесса сжатия;

z- конец процесса сгорания;

b -конец процесса расширения.

Для этого в последовательном порядке определяется:

давления р_аи температура Т_а в конце процесса впуска

р_а=

з_v- коэффициент наполнения цилиндров для бензина: з_v=0,80…0,85

? - степень сжатия из задания: 17

Т₀ и р₀ - давление и температура окружающей среды, Мпа и К: р₀ =0,1 Мпа,

Т₀= 298 К.



р_rи Т_r- давление и температура остаточных газов, Мпа и К: р_r= 0,105…0,12 Мпа,

Т_r= 700…900 К.

р_а=

давления р_си температура Т_с в конце процесса сжатия

(3)

(4)

n₁ - показатель политропы сжатия;

где n_н - частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин ^-1 .

(5)

(6)

количество газов, находящихся в цилиндре в конце процесса сжатия

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива:



(8)

где С, Н и О - весовая доля соответствующих компонентов в 1 кг топлива (см. табл.1)

Таблица 1. Средний элементарный состав топлива

Топливо	Содержание. кг
	С	Н	О
Бензин	0,855	0,145	-
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004

(8)

(9)

(9)

Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива:

(10)

где б- коэффициент избытка воздуха, для дизеля без надува: б=1,50…1,70

(10)

количество свежего заряда М₁ равно:

(11)



где м_т- молекулярная масса бензина: м_т=115 кг/кмоль.

(11)

кроме поступившей горючей смеси или воздуха в цилиндре находятся остаточные газы, количество которых определяется по следующей формуле:

(12)

г_r - коэффициент остаточных газов.

Значение г_rопределяется по формуле:

(13)

(13)

(12)

Общее количество газов, находящихся в цилиндре в конце сжатия:

(13)

(13)

Количество газов, находящихся в цилиндре в конце процесса сгорания

(14)

где М₂- количество молей продуктов сгорания топлива: диз. топливо:



(14)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

(15)

(15)

Давление P_zи температура Т_zв конце процесса сгорания

МПА (16)

(16)

Температура в конце сгорания определяется на основании уравнения сгорания, которое имеет вид:

(17)

где - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания жидкого топлива при постоянном объеме;

мС_v- средняя мольная теплоемкость рабочей смеси при постоянном объеме ;

о - коэффициент использования тепла: о=0,80…0,90

м-коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси;

Н_u- теплота сгорания топлива.

Средние мольные теплоемкости определяются по уравнениям:



(18)

, кДж/(кмоль•град).

, кДж/(кмоль•град). (19)

Подставим все известные значения в уравнение, сначала в левую часть:

(17)

А затем и в правую часть:

Уравнение второго порядка:

(20)

(21)

Давление р_ви температура Т_вв конце процесса расширения

Значения давления и температуры в конце процесса расширения определяются по формулам политропического процесса.

(22)



n₂- показатель политропы расширения, для различных автомобильных и тракторных двигателей изменяется в пределах: n₂ = 1,18…1,28

1.2 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса. При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту, равную 1,2- 1,7 ее основания. В начале построения на оси абсцисс откладывается произвольный отрезок, изображающий в каком-либо масштабе объем камеры сгорания V_c. Дальше откладываются на оси абсцисс в принятом масштабе объемы:

V_z=p·V_c = 1,3·10=13,1 мм V_a= ? ·V_c= V_c+V_h= 17*10=170 мм (24)

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладываем в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: а, с, z, b, r.

Масштаб для построения М_р=0,033 Мпа/мм , V_c=10мм

Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом.

При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между V_cи V_aи между V_zи V_bпо уравнению политропы pVⁿ¹ = const

(25)



где р_хи V_х - давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

Отношения и изменяются в пределах 1-.

При аналитическом методе построения диаграммы определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производим в табличной форме (табл. 2)

Таблица 2. Определение расчетных точек политроп сжатия и расширения.

№	ОХ,мм	ОВ/ОХ	политропа сжатия	политропа расширения
			(ОВ/ОХ)n1	РХ /МР, мм	Рх ,Мпа	(ОВ/ОХ)n2	РХ /МР, мм	Рх ,Мпа
1	150	1,2	1,28	3,24	0,107	1,262	10,6	0,350
2	120	1,5	1,73	4,39	0,145	1,68	14,15	0,467
3	90	2	2,56	6,51	0,215	2,42	20,36	0,672
4	75	2,4	3,28	7,78	0,275	3,06	25,7	0,850
5	60	3	4,45	11,3	0,373	4,08	34,36	1,134
6	55	3,27	5	12,7	0,420	4,55	38,3	1,264
7	50	3,6	5,7	14,4	0,478	5,15	43,36	1,431
8	45	4	6,58	16,7	0,552	5,89	49,6	1,637
9	40	4,5	7,73	19,6	0,650	6,85	57,7	1,904
10	35	5,14	9,26	23,5	0,777	8,12	68,39	2,257
11	30	6	11,43	29,0	0,960	9,9	83,3	2,75
12	25	7,2	14,65	37,2	1,230	12,51	105,1	3,47
13	20	9	19,8	50,3	1,663	16,65	140	4,62
14	17	10,58	24,73	62,9	2,077	20,48	172,4	5,69
15	15	12	29,3	74,5	2,461	24,06	202,4	6,68
16	11	16,36	44,7	113,7	3,754	26,26	221,2	7,3

Для проверки теплового расчета и правильности построения диаграммы определяется аналитическим путем значение индикаторного давления.



Точность построения индикаторной диаграмм определяется коэффициентом погрешности.

Соединяя точки а и с плавной кривой, проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграммы точки политропы сжатия, а точки zи b - кривой, проходящей через точки политропы расширения и соединяя точки ссz, а b с а прямыми линиями получаем расчетную индикаторную диаграмму. Процессы выпуска и впуска принимаются протекающими при р= const и V= const.

По построенной индикаторной диаграмме определяется среднее теоретическое индикаторное давление:

(27)

коэффициент погрешности:

(28)

значение коэффициента не должно превышать 3-4%.

Действительное среднее индикаторное давление:

(29)

v- коэффициент неполноты индикаторной диаграммы: v= 0.92…0,95



1.3 Определение основных параметров двигателя

Параметры, характеризующие работу двигателя, отличаются от индикаторных наличием необходимых затрат полезной работы на преодоление различных механических сопротивлений и на совершение процессов впуска и выпуска.

Механический КПД

По опытным данным значение з_м для различных двигателей изменяется в следующих пределах:

Бензиновый двигатель з_м= 0,80…0,88

Дизель без наддува з_м= 0,75…0,80

Дизель с наддувом з_м= 0,80…0,90

Среднее эффективное давление:

(30)

Рабочий объем цилиндров проектируемого двигателя:

(31)

где ф - коэффициент тактности: ф=2.

Рабочий объем одного цилиндра:

(32)



Диаметр цилиндра:

(33)

Ход поршня:

(34)

Полученные значения D и S округляют до целых чисел, кратных 5. По окончанию принятым значениям D и S определяют основные параметры и показатели двигателя: V_л ,N_e, М_е .

Индикаторный и эффективный удельные расходы топлива

(35)

где р_в- плотность заряда на впуске:



Индикаторный КПД

(38)

Эффективный КПД

(39)

Для оценки проектируемого двигателя и сравнения с прототипом определяются следующие показатели:

Удельная литровая мощность

(40)

Удельная поршневая мощность

(41)

где площадь поршня:

(42)



Тогда выражение (41) :

(43)

1.4 Тепловой баланс двигателя

Тепловым балансом двигателя называется распределение теплоты, выделяемой при сгорании вводимого в цилиндры двигателя топлива, на полезно используемую и отдельные виды потерь.

(44)

Отдельные составляющие теплового баланса: Q₀ - количество теплоты, выделяемой при сгорании вводимого в двигатель топлива за 1 с, Дж/с:

(45)

Q_e - теплота, эквивалентная эффективной работе, Дж/с:

(46)

Q_охл- количество теплота, передаваемой охлаждающей жидкости, Дж/с:

Теплоту, передаваемую охлаждающей среде, определяют по эмпирическим формулам:



(47)

двигатель топливо диаграмма

где С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С=0,45…0,53);

i-число цилиндров;

D-диаметр цилиндра, см;

m-показатель степени (для четырехтактных двигателей m=0,6…0,7)

n-частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Q_газ - количество теплоты, теряемое с отработавшими газами, Дж/с:

(48)

где - расход топлива двигателем, кг/с;

- соответственно средние молярные теплоемкости отработавшых газов и свежего заряда, Дж/(моль К);

- температура отработавших газов на выходе из двигателя, К;

- температура свежего заряда на впуске в двигатель;

Q_н.с. - теплота, не выделившаяся в двигателе вследствие неполноты сгорания. Если двигатели работают на смеси, характерезующий коэффициентом избыта воздуха б1, то при составлении теплового баланса Q_н.с включают в остаточный член баланса Q_ост. Q_ост. - остаточный член теплового баланса, Дж/с

(49)

(50)

где -

(52)



Для анализа теплового баланса данные расчета сводится в таблицу 3.

Таблица 3. Анализ теплового баланса

Составление теплового баланса	Q,Дж/с	g,%
Теплота эквивалентная эффективной работе
Теплота, передаваемая охлаждающей среде
Теплота, унесенная с отработавшими газами
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива
Неучтенные потери теплоты
Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом



2. Характеристики двигателя

Графики теоретической регуляторной характеристики проектируемого двигателя в функции от частоты вращения f(n) строится для анализа работы: оценки мощностных показателей.

2.1 Построение внешней скоростной характеристики

Внешняя скоростная характеристика строится по результатам теплового расчета, проведенного для одного режима работы двигателя - режима максимальной мощности, и использования эмпирических зависимостей.

Построение кривых скоростной характеристики ведется в интервале:

от n_min=600…1000 мин^-1 до n_N

где n_N- частота вращения к/в при номинальной мощности.

Расчетные точки кривой эффективности мощности N_e определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 600…1000 мин^-1:



- эффективная мощность и частота вращения к/в в искомой точке скоростной характеристики двигателя.

Точки кривой эффективного крутящего момента М_е определяют по формуле:

Удельный эффективный расход топлива.

(55)

где - удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности, г/(кВт ч)

При n_x =500

При n_x=1000



При n_x =1500

При n_x=1800

Часовой расход топлива

(56)

При n_x =500

При n_x =1000

При n_x =1500

При n_x=1800

По скоростной характеристике определяют коэффициент приспособляемости, представляющий собой отношение максимального крутящего момента к крутящему моменту при номинальной мощности:



Этот коэффициент служит для оценки приспособляемости двигателя к изменению внешней нагрузки и характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки.

Таблица 4. Данные для построения скоростной характеристики

Частота вращения к/в об/мин	Параметры внешней скоростной характеристики
	Ne,кВт	ge ,г/(кВт ч)	Me,н м	GT,кг/ч
500	11,24	284,9	214,68	3,2
1000	24,17	238	230,82	5,7
1500	34,5	223,7	219,65	7,7
1800	37	238	196,3	8,8

Размещено на Allbest.ru

...