Тепловой расчет ДВС

Тепловой расчет ДВС

ВВЕДЕНИЕ

Двигатели внутреннего сгорания относятся к наиболее распространенным тепловым машинам. Эти двигатели, работающие на жидком топливе нефтяного происхождения, явились надежной основой развития автотракторостроения.

Факторами, влияющими на конструкцию ДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение надёжности и возможность использования двигателей в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов.

Экономичность и надежность двигателей в значительной степени зависят от систем питания, охлаждения, смазки, автоматизации, регулирования и других систем.

Поэтому рассмотрения особенностей работы, конструирования и расчета этих систем имеет важное значение. При создании новых двигателей и их семейств большое внимание уделяется степени их стандартизации и унификации, которая оценивается долей стандартизованных и унифицированных элементов во всей конструкции двигателя. Степень унификации должна определяться оптимальностью общего решения компоновки и ее экономической целесообразности.

1. Исходные данные двигателя

Тип двигателя: дизельный

Эффективная мощность двигателя на номинальном режиме 35кВт

Частота вращения коленчатого вала: 5000 мин^-1

Число цилиндров:2

Определяем недостающие параметры:

Цикловая подача топлива, г/цикл:

, г/цикл

где n и i - частота вращения коленчатого вала (мин^-1) и число цилиндров двигателя;

g_e - эффективный удельный расход топлива, г/(кВт*ч)

τ - коэффициент тактности двигателя(τ=2- четырехтактный двигатель)

N_e - эффективная мощность двигателя, кВт.

г/цикл

Плотность заряда на впуске, кг/м³:

, кг/м³

где р_к - давление наддува, МПа

R_в - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*К), R_в=287 Дж/(кг*К)

Т_К - температура надувочного воздуха, К,

 K

где Т₀ - температура окружающей среды, К; (Т₀=293 К)

р₀ - давление окружающей среды, кПа; (р₀=100 кПа)

n_k - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

Для центробежных нагнетателей с охлаждаемым корпусом n_k=1,4…1,8; без охлаждаемого корпуса n_k=1,8…2,0. Принимаю n_k=1,4.

К

 кг/м³

Необходимый объем воздуха, л:

, л

где L_Т=14,5 кг - количество воздуха необходимое для сгорания 1кг топлива.

α=1,8…2- коэффициент избытка воздуха;

 л

Ориентировочное значение диаметра цилиндра, м:

, м

где ηн=0,8 - коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом

к=1 - коэффициент короткоходности

 [м]

Ориентировочное значение хода поршня, м:

, [м]

[м]

. Процесс впуска

Определяем температуру в конце процесса впуска:

 , [К]

где Т_К - температура надувочного воздуха, К;

DТ -подогрев свежего заряда, К;

g_r -коэффициент остаточных газов;

Т_r -температура остаточных газов, К,

Принимаем:

Т_к =305 К

DТ =15-для двигателей с поршнем из алюминиевого сплава [стр.82 /1/];

g_r =0,03…0,06 - в четырехтактных дизелях без наддува и с наддувом [стр.19 /3/],

g_r =0,04;

Т_r =700…900 К для дизелей [стр. 8 /4/], Т_r =800 К.

К

Определяем давление в конце впуска:

Р_а =(0,85…0,9)· Р_к , [кПа]

Р_а =0,9·115=103,5 кПа

. Процесс сжатия

Величину n₁ определяем по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию угловой скорости вращения коленвала ω, для дизеля:

Определяем давление в конце сжатия:

Р_с =Р_а·εⁿ¹, [кПа]

где n₁- средний показатель политропы сжатия.

Р_с =103,5·15.5^1,35=4186,8 [кПа]

Определяем температуру в конце сжатия:

Т_с = 338,4·15.5 ^1,35-1 =883,18 [К]

. Процесс сгорания

Определяем теоретически необходимое количество воздуха (в молях) на сгорание 1 кг топлива:

, [кмоль/кг]

где С - содержание углерода в топливе;

Н - содержание водорода в топливе;

О - содержание кислорода в топливе;

Принимаем состав топлива: С=0,87; Н=0,124; О=0,006;

[кмоль/кг]

Определяем действительное количество воздуха:

L=a·L₀, [кмоль/кг]

где a - коэффициент избытка воздуха.

Для дизелей с объемным смесеобразовании a=1,8…2,0 (стр.31 /3/),

Принимаем a=2 (стр.31 /3/)

L=2·0,492=1 кмоль/кг

Определяем число молей продуктов сгорания 1 кг топлива при a >1:

Определим химический коэффициент молярного изменения:

Находим действительный коэффициент молярного изменения:

Определяем теплоёмкость газов для чистого воздуха:

m·С^с_n=а+в·Т_с [кДж/кмоль·град]

где а=20,16; в=1,738·10^-3 - постоянные коэффициенты. [стр.10 /4/]

m·С^с_n=20,16+1,738·10^-3 ·883,18=21,695 [кДж/кмоль·град]

Для продуктов сгорания при a >1:

Теплоёмкость при постоянном давлении:

m·С^z_р =m·С^z_n +m·R

где m·R =8,314- универсальная газовая постоянная[стр.10 /4/]

m·С^z_р =

m·С^z_р =

Температура в конце сгорания Т_z определяется для дизеля из выражения:

где x- коэффициент использования тепла;

Q_H -низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг,

l- степень повышения давления.

Для дизелей с полураздельными камерами сгорания величина l =1,7…2,2 [стр.10/4/], принимаем l =1,8 с учетом несовершенства конструкции двигателя.

Для дизелей x= 0,7…0,85 [стр.10/4/], принимаем x=0,8 с учетом обогащения смеси (a =2) и несовершенством процесса смесеобразования;

Для дизельных топлив Q_H = 42500 кДж/кг [стр.10/4/].

Решая квадратное уравнение, определяем Т_z.:  К

Определяем давление в конце сгорания:

 [кПа]

 кПа

. Процесс расширения

Определяем степень предварительного расширения:

Степень последующего расширения:

Давление в конце расширения:

где n₂ - показатель политропы расширения, который можно определить по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова для дизельного двигателя:

[кПа]

Температура в конце расширения

 [К]

. Процесс выхлопа

Давление в конце выхлопа для двигателей без наддувом:

Р_r =к_r· Р_к, [кПа]

где к_r=(0,75…0,98) для двигателей с наддувом ,[стр. 11 /4/]

Р_r =0,98·115=112,7 кПа

. Построение индикаторной диаграммы

Для построение индикаторной диаграммы выбираем масштабы:

для давления: 30 кПа/мм

для объёма : 10 мм = V_c

V_a = V_c · ε = 10 · 15,5 = 155 мм

для сжатия:

,

- для расширения:

.

двигатель конструкция тепловой баланс

Таблица 3.1

Промежуточные точки политропы сжатия

для сжатия:

- для расширения:

. Определение индикаторных показателей

Среднее теоретическое индикаторное давление Р_i^` определяем графическим и аналитическим методами.

Графическое определение среднее теоретического индикаторного давление Р_i^`.

, [кПа]

где A- площадь индикаторной диаграммы, мм²;

l =V_h =145 длина диаграммы по оси, мм;

m=30 кПа/мм - масштаб давления.

A=3930мм²;

кПа

Для аналитического определения теоретического индикаторного среднее давление используем для дизеля формулу:

(кПа)

Действительное среднее индикаторное давление определяем с учетом округления диаграммы и затрат на осуществления насосных ходов поршня:

Р_i =f· Р_ia^`-DР, [кПа]

где DР=Р_r-Р_а, кПа (принимается DР=(5…25)), DР=9,

f=0,92…0,95- коэффициент округления

Р_i =0,95·856,3-9,2=804,3 (кПа)

Среднее индикаторное давление Р_i это такое условное постоянное давление в цилиндре двигателя, которое, действуя в течение одного хода поршня совершает такую же работу, что и переменное давление внутри цилиндра.

Определяем процент несовпадения величин среднего индикаторного давления вычисленных графическим и аналитическим методом:

Действительная погрешность DР_i = 1,08 % не превысила допустимую DР_i = 3…5%.

Индикаторный коэффициент полезного действия определяем по формуле:

Находим индикаторный удельный расход топлива:

 кг/кВт·ч

. Определение эффективных показателей работы двигателя

Среднее эффективное давление:

Р_е=Р_i-Р_м ,[кПа]

где Р_м -механические потери мощности, [кПа].

Р_м=(0,9+(0,11…0,15)Сm)10², [кПа]

где Сm - средняя скорость поршня, [м/с].

 (м/с).

 (кПа)

Предварительно определяем среднее эффективное давление:

Р_е=804,3 -198,2=606,1 [кПа]

Определяем эффективных коэффициент полезного действия:

h_с=h_i·h_м,

где h_м -механический коэффициент полезного действия.

h_с=0,5·0,753=0,337

Эффективный удельный расход топлива:

 (кг/кВт·ч)

. Тепловой баланс двигателя

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:

Q=Qн·G_T,[кДж/ч]

где G_T -часовой расход топлива, кг/ч.

G_T = q_e·N_eн

G_T = 0,224·35 = 7,84 кг\час

Q=42500·7,84 =333[кДж/ч]

Теплота, эквивалентная эффективной работе:

Q_e=3600·N_e , ,[кДж/ч]

Q_e=3600·35=126 [кДж/ч]

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

, [кДж/ч]

где С-коэффициент, равный 0,45…0,53[стр.17 /4/]

, [кДж/ч]

Теплота, уносимая с отработавшими газами:

Q_г =С_р·(Т_r- T_к)·(G_в+G_т), [кДж/ч]

где С_р - средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении,

С_р =1,04 кДж/кг·град [стр.17 /4/]

G_в - часовой расход воздуха, кг/ч

G_в =a·L₀G_т ·28,95 ,

G_в =2·0,494·29,19·28,95=836,17 [кг/ч]

Q_r =1,04·(800- 305)·(836,17+29,19)=364195,4 [кДж/ч]

Неучтенные потери:

Q_н.у. =Q-( Q_e+ Q_г + Q_в), [кДж/ч]

Q_н.п. =1240839-( 468000+ 364195,4 + 206375,9)=202267,7 [кДж/ч]

. Определение размеров цилиндра

Рабочий объем одного цилиндра

[м³]

где i - число цилиндров.

[м³]

Предварительный диаметр цилиндра:

, [м]

, [м]

Ход поршня:

S=к·D(м)

S =1·0,118=0,081м

Радиус кривошипа:

, [м]

Удельная литровая мощность двигателя:

, [кВт/м³]

 кВт/м³

Удельная поршневая мощность двигателя:

, [кВт/м²]

 кВт/м²

. Регуляторная характеристика двигателя

Номинальный режим

угловая скорость вращения к.в.:

 [с^-1]

 [с^-1]

крутящий момент двигателя:

 [Н·м]

 [Н·м]

часовой расход топлива

G_т=g_e·N_e [кг/ч]_т=0,224·35=7,84

Режим холостого хода, регуляторная ветвь

угловая скорость холостого хода

[с^-1]

где δ_р-степень неравномерности регулятора δ_р =0,07…0,08, принимаем δ_р =0,075

[с^-1]

крутящий момент холостого хода

 [Н·м]

часовой расход холостого хода

G_хх=(0,26…0,3)·G_Т [кг/ч]

G_тх=0,28*7,8=2 [кг/ч]

корректорная ветвь

- минимальная угловая скорость вращения к.в.:

ω_мин= (54…90) [с^-1]

ω_мин= 90[с^-1]

номинальная мощность двигателя

[кВт]

[кВт]

минимальный крутящий момент

 [кН·м]

[Н·м]

минимальный удельный расход топлива:

 [кг/кВт·ч]

 [г/кВт·ч]

минимальный часовой расход топлива:

G_тmin=g_emin·N_emin·10^-3[кг/ч]

G_тmin=254·51·10^-3=1,295[кг/ч]

Результаты расчетов заносятся в таблицу.

Результаты вычислений

По данным точкам строится регуляторная характеристика двигателя

Использованная литература

1. Николаенко А.В. Теория и расчет автотракторных двигателей [Текст]: учебное пособие / А.В. Николенко -М.: Колос, 1984.-335с.

. Методическое пособие к выполнению курсовой работы (проекта) [Текст] / [Р.М. Баширов, Инсафуддинов С.З.] - Уфа: БГАУ, 2008.-36 с.

. Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля [Текст]: учебное пособие / Г.М. Кутьков - М.: Машиностроение, 1996.-247 с.