Тепловой расчет двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Тепловой расчет двигателя

В тепловом расчете определяются параметры характерных точек индикаторной диаграммы для режима максимальной мощности.

1.1 Расчет параметров рабочего тела

1.1.1 Средний элементарный состав топлива

Состав топлива задается массовыми долями углерода, водорода, кислорода. Примерное содержание названных компонентов для бензина и дизельного топлива приведено в табл.1.1.

Таблица 1.1

Топливо	Массовые доли
	С	Н	От
Дизельное топливо	0,870	0,126	0,004

1.1.2 Низшая теплота сгорания топлива

Низшая теплота топлива вычисляется по формуле Менделеева:

где S и W - массовые доли серы и водяных паров в продуктах сгорания, принимаются равными нулю.

1.1.3 Коэффициент избытка воздуха

Для режима максимальной мощности принимаются следующие значения коэффициента избытка воздуха б = 1,556 (из исходных данных).

1.1.4 Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

,

где кг/кмоль - молекулярная масса воздуха.

1.1.5 Количество горючей смеси

1.1.6 Состав продуктов сгорания

Состав продуктов сгорания во многом зависит от состава горючей смеси. При сгорании богатых или стехиометрических смесей (б1) продукты сгорания включают в себя СО2, Н2О, О₂, N2.

1.1.7 Общее количество продуктов сгорания

1.2 Расчет процесса наполнения

1.2.1 Температура подогрева свежего заряда

Величина температуры подогрева свежего заряда ДТ зависит от конструкции впускного трубопровода, типа системы охлаждения, скорости вращения коленчатого вала двигателя: ДТ = +5,6?С

1.2.2 Плотность заряда на впуске

- температура компрессора;

n_к - показатель компрессора; n_к = 1,4…2,0 для центробежных нагнетателей.

Принимаем n_к = 1,6

В = 287 Дж/кг град - удельная газовая постоянная воздуха.

1.2.3 Потери давления на впуске

МПа

где в - коэффициент затухания скорости движения;

- коэффициент сопротивления впускной системы;

- средняя скорость движения заряда в наиболее узком сечении впускной системы, м/с.

Сумма характеризует сопротивление впускной системы и принимается из диапазона 2,5…4,0. Принимаем =3. Скорость движения воздушного заряда в основном определяется скорость вращения коленчатого вала, рабочим объемом двигателя и площадью наиболее узкого сечения впускной системы = 50…130 м/с. Принимаем = 80 м/с.

МПа- лежит в пределах 0,0116 0,052

1.2.4. Давление в конце впуска

МПа

1.2.5 Коэффициент остаточных газов

где = 600 - температура остаточных газов, К;

= 0,113 - давление остаточных газов, МПа;

- степень сжатия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При установлении величины необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении скорости вращения коленчатого вала - возрастает.

Температура остаточных газов устанавливается в следующих пределах =600…900 К.

Величина устанавливается в зависимости от числа и расположения выпускных клапанов, сопротивления выпускной системы, фаз газораспределения, скорости вращения коленчатого вала из следующего выражения:

МПа

1.2.6 Температура в конце впуска

К

1.2.7 Коэффициент наполнения

1.3 Расчет процесса сжатия

1.3.1 Давление в конце сжатия

МПа

где n1 - средний показатель политропы сжатия.

Величина n1 зависти от скорости вращения коленчатого вала, рабочего объема цилиндра, степени сжатия. Влияние названных факторов на величину n1 определяется интенсивностью тепловыделения по мере сгорания рабочей смеси и теплообмена между рабочим теплом и стенками цилиндра, поршня и камеры сгорания. Согласно рисунку №1 принимаем n₁ = 1,351

1.3.2 Температура в конце впуска

К

1.3.3 Средняя мольная теплоемкость свежей смеси

где - температура конца сжатия, ?С

1.3.4 Средняя мольная теплоемкость остаточных газов

где Мi - количество i-го компонента остаточных газов;

i - средняя мольная теплоемкость i-го компонента остаточных газов. двигатель мощность индикатор заряд

1.3.5 Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси

1.4 Расчет процесса сгорания

1.4.1 Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

1.4.2 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

1.4.3 Количество тепла, потерянного вследствие неполноты сгорания топлива

При б 1 МДж/кг

1.4.4 Теплота сгорания рабочей смеси

кДж/кмоль

1.4.5 Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

где Мi - количество i-го компонента продуктов сгорания;

i - средняя мольная теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания.

1.4.6 Коэффициент использования тепла

Коэффициент использования тепла выражает долю Hu, использованную на повышение внутренней энергии рабочего тела: = 0,7

1.4.7 Уравнение сгорания

где м - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

, кДж/(кг?град) - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении

К лежит в пределах 1800…2600 К

1.4.8. Максимальное давление сгорания

МПа

1.5 Расчет процесса расширения

1.5.1 Степень предварительного расширения

1.5.2 Степень последующего расширения

1.5.3 Давление в конце расширения

МПа

где n2 - средний показатель политропы расширения.

Величина зависит от интенсивности теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра, камеры сгорания и днища поршня. Подвод тепла к рабочему телу или сокращение отвода тепла на линии расширения приводит к уменьшению среднего показателя политропы расширения. Согласно приложению принимаем n₂ = 1,269.

1.5.4 Температура в конце расширения

К

1.5.5 Проверка корректности принятых величин

1.6 Индикаторные показатели рабочего цикла

1.6.1 Теоретическое среднее индикаторное давление

1.6.2 Среднее индикаторное давление

МПа

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Коэффициент учитывает уменьшение площади индикаторной диаграммы, связанное с опережением открытия и запаздыванием закрытия клапанов: = 0,95

1.6.3 Индикаторный КПД

где - среднее индикаторное давление, МПа;

- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива;

- низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

- плотность заряда, кг/мі

- коэффициент наполнения.

1.6.4 Индикаторный удельный расход топлива

г/кВт ч

1.7 Эффективные показатели рабочего цикла

1.7.1 Среднее давление механических потерь

МПа

где - средняя скорость поршня. Величина зависит от размеров деталей кривошипно-шатунного механизма и скорости вращения коленчатого вала: = 6,5…12 м/с. Принимаем = 8,54 м/с

1.7.2 Среднее эффективное давление

МПа

1.7.3 Механический КПД

1.7.4 Эффективный КПД

1.7.5 Эффективный удельный расход топлива

г/кВт ч

1.7.6 Часовой расход топлива

кг/ч

1.8 Основные параметры цилиндра и двигателя

1.8.1 Рабочий объем двигателя

л

1.8.2 Рабочий объем цилиндра

л

1.8.3 Диаметр поршня

мм

1.8.4 Ход поршня

мм

1.8.5 Действительные параметры двигателя

л

кВт

Н м

кг/ч

1.9 Построение индикаторной диаграммы

1.9.1. Индикаторная диаграмма

мм

где АВ - отрезок, соответствующий ходу поршня, мм.

мм

Принимаем М_Р = 0,2 МПа/мм и М_S = 1 мм/мм

Pr = 0,113/0,2 = 0,6 мм

Pa = 0,1593/0,2 = 0,8 мм

Pc = 7,0658/0,2 = 35,4 мм

Pz = 14,527/0,2 = 72,7 мм

Pb = 0,4521/0,2 = 2,3 мм

Для политропы сжатия:

мм

Для политропы расширения:

мм

где - масштаб давления, МПа/мм

Данные для построения политроп сжатия и расширения сводим в табл. 1.2.

Таблица 1.2

№ точки	ОХ, мм	ОВ/ОХ		Рх/Мр, мм	Рх, МПа		Рх/Мр, мм	Рх, МПа
1	17,4	7,04	13,97	11,12	2,23	11,91	26,93	5,39
2	27,4	4,47	7,57	6,03	1,21	6,69	15,13	3,03
3	37,4	3,28	4,98	3,97	0,80	4,52	10,22	2,01
4	47,4	2,59	3,62	2,89	0,58	3,35	7,58	1,52
5	57,4	2,14	2,80	2,24	0,45	2,63	5,95	1,19
6	67,4	1,82	2,25	1,80	0,36	2,14	4,84	0,97
7	77,4	1,59	1,88	1,50	0,30	1,81	4,09	0,82
8	87,4	1,41	1,60	1,28	0,26	1,55	3,51	0,71

, мм

где с - степень предварительного расширения.

, мм

Теоретическое среднее индикаторное давление:

МПа

где F - площадь индикаторной диаграммы, F = 800 ммІ;

Мр - масштаб давления, МПа/мм.

1.9.2 Коррекция теоретической индикаторной диаграммы

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической тем, что процесс сгорания в действительности протекает не мгновенно, а в течение определенного промежутка времени. Кроме того, выпуск отработанных газов и впуск свежего заряда начинаются не в мертвых точках, а с некоторым опережением и заканчиваются с запаздыванием.

В связи с этим необходимо принять фазы газораспределения, принимая во внимание быстроходность двигателя, конструкцию и характеристики впускного и выпускного тактов, рабочий объем двигателя, а также опираясь на прототип. Необходимо задаться углом опережения и периодом задержки воспламенения. Ниже приводятся диапазоны изменения названных величин:

угол опережения открытия:

впускного клапана 10…30є

выпускного клапана 40…80є

угол запаздывания закрытия:

впускного клапана 40…80є

выпускного клапана 15…60є

для режима максимальной мощности:

угол опережения зажигания 30…40є

угол опережения впрыска 15…25є

период задержки воспламенения:

для бензина 15…18є

Давление конца сжатия:

МПа

Максимальное давление сгорания:

МПа

Допустимая скорость нарастания давления:

МПа/град

где Vp - скорость нарастания давления;

- действительное максимальное давление сгорания, МПа;

- действительное давление конца сжатия, МПа;

- угол поворота коленчатого вала, соответствующий движению поршня от ВМТ до точки Z_Д, град п.к.в.

После определения фаз газораспределения, угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения, угла определяют положение поршня, соответствующее названным углам.

, мм

где АХ - отрезок определяющий положение искомой точки на индикаторной диаграмме;

- угол поворота коленчатого вала ВМТ, град п.к.в.

л' - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. л'=0,26

Результаты вычисления заносим в таблицу 1.3

Таблица 1.3

Обозначение точки	Положение	ц		АХ, мм
r'	20° до ВМТ	20	0,0755	4,342
a”	60° после НМТ	240	1,5975	91,857
b'	50° до НМТ	230	1,719	98,843
c'	20° до ВМТ	20	0,0755	4,342
r”	40° после ВМТ	40	0,2877	16,543
f	10° до ВМТ	10	0,0191	1,099
Zд	10° после ВМТ	10	0,0191	1,099

Поправка Брикса

, мм

1.10 Тепловой баланс

1.10.1 Общее количество теплоты, введенной в двигатель за 1 с

Дж/с

где - низшая теплота сгорания, кДж/кг

- часовой расход топлива, кг/ч.

1.10.2 Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с

Дж/с

1.10.3 Теплота, передаваемая охлаждающей среде за 1 с

где с = 0,45 - коэффициент пропорциональности;

m = 0,6 - показатель степени;

i - число цилиндров;

D - диаметр цилиндра, см;

n - скорость вращения коленчатого вала, об/мин.

1.10.4 Теплота, унесенная с отработавшими газами за 1 с

где - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении. При t_r = 610,8-273 = 337,8 K и б = 1,556;

- средняя мольная теплоемкость свежей смеси при постоянном давлении. При t = 20°.

1.10.5 Теплота, потерянная вследствие химической неполноты сгорания топлива за 1 с

Дж/с

где - количество потерянного тепла, кДж/кг

1.10.6 Неучтенные потери тепла

%

Размещено на Allbest.ru

...