Тепловой расчёт дизельного двигателя

Тепловой расчёт дизельного двигателя

Определение параметров рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива,, вычисляется формулой:

,

где 0,23 - массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха.

кмоль.

Коэффициент избытка воздуха принимают в диапазоне  = 1,6…1,8.

Уменьшение коэффициента избытка воздуха  до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выпускных газов. На дизельных двигателях применяют неразделённые камеры сгорания и разделенные с предкамерой. Для нашего случая мы применим неразделённую камеру сгорания, так как у неё можно достичь наибольшего коэффициента избытка воздуха. Принимаем: коэффициент избытка воздуха  = 1,7.

Действительный расход воздуха L, для номинального режима работы двигателя вычисляется по формуле:

;

 кмоль.

Количество свежего заряда, вычисляется по формуле:

,

где  - молекулярная масса топлива;

.

 кмоль.

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, кислорода О₂ и азота N₂.

Количество отдельных компонентов, входящих в состав продуктов сгорания:

углекислый газ;

;

водяной пар;

;

кислород;

;

азот;

;

.

Общее количество продуктов сгорания,  вычисляется по формуле:

;

Химический коэффициент молекулярного изменения, , вычисляется по формуле:

;

.

Процесс впуска

Параметры окружающей среды:

давление окружающей среды P_о = 0,1 МПа;

температура окружающей среды Т_о = 293 К.

Степень подогрева свежего заряда на номинальном режиме двигателя  Среднюю скорость поршня принимаем С_N = 8,86 м/с.

Температура воздуха после компрессора вычисляется по формуле:

Плотность заряда, поступающего в двигатель, на номинальном режиме вычисляется по формуле:

,

где  - удельная газовая постоянная для воздуха, Дж/кгК;

 287 Дж/кгК;

³.

Ход поршня при номинальной частоте вращения, S_p вычисляется по формуле:

где  = 1900 об/мин;

Отношение площади поршня к площади клапанов вычисляется по формуле:

,

где  = 3,14;

R - радиус поршня, мм;

R = 70 мм;

 - радиус впускного клапана, мм;

 = 12,25 мм;

Максимальная скорость свежего заряда в проходном сечении впускного клапана,  вычисляется по формуле:

;

Сопротивление выпускной системы с учётом коэффициента затухания скорости

;

принимаем .

Давление в цилиндре двигателя в конце впуска , вычисляется по формуле:

Давление остаточных газов на номинальном режиме работы, , двигателя вычисляется по формуле:

Температура остаточных газов , принимаем

Коэффициент остаточных газов  вычисляется по формуле:

где  - степень сжатия;

 = 17,4

.

Температура рабочего тела  в конце наполнения вычисляется по формуле:

где  (теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении, теплоёмкость воздуха при постоянном давлении).

.

Коэффициент наполнения вычисляется по формуле:

;

Процесс сжатия

Для определения показателя адиабаты сжатия по учебному пособию принимаем нижний предел температуры рабочего тела в конце сжатия , расчётную температуру .

Теплоёмкость свежего заряда в точке С согласно таблице 10 будет равна:

,

где  - температура в конце такта сжатия, ();

;

/кмоль.

Теплоёмкость свежего заряда в точке А вычисляется по формуле:

,

Рисунок 1. Расчётный цикл при V= const

где  - температура рабочего тела в конце наполнения, в точке А, ();

;

/кмоль.

Показатель адиабаты сжатия вычисляется по формуле:

;

Принимаем .

Температура рабочего тела в конце сжатия вычисляется по формуле:

.

Ошибка в выборе расчётной температуры рабочего тела в конце сжатия вычисляется по формуле:

Так как ошибка не превышает 2%, значение , выбрано верно.

Давление в конце сжатия вычисляется по формуле:

Процесс сгорания

При определении температуры рабочего тела в конце сгорания предполагаем, что процесс сгорания рабочего тела в начале проходит при постоянном объёме, а затем при постоянном давлении. Температуру рабочего тела в точке определяем на основании уравнения внутренних энергий для точки С и Z с учётом количества теплоты, выделенной при сгорании топлива.

Общее уравнение сгорания для дизельных двигателей имеет следующий вид

,

Действительный коэффициент молекулярного изменения вычисляется по формуле:

.

Степень повышения давления на участке С - Z₁ принимаем .

Коэффициент использования теплоты принимаем  = 0,865.

Определяем значения внутренних энергий:

воздуха в конце сжатия по формуле:

.

продуктов сгорания в конце сжатия при  по формуле:

;

продуктов сгорания в конце сжатия с учётом коэффициента избытка воздуха по формуле:

;

.

;

Правую часть уравнения с учётом данных, приведённых в учебном пособие, преобразуем следующим образом:

определяем внутреннюю энергию рабочего тела в точке Z при по формуле:

определяем внутреннюю энергию воздуха по формуле:

внутреннюю энергию рабочего тела в точке Z с учётом коэффицента избытка воздуха по формуле:

После преобразований получаем:

откуда

;

Давление в конце сгорания вычисляется по формуле:

Степень предварительного расширения вычисляется по формуле:

;

.

Степень последующего расширения вычисляется по формуле:

.

Процесс расширения и выпуска

Для определения теплоёмкостей рабочего тела используем данные из учебного пособия.

Теплоёмкость продуктов сгорания в точке Z при вычисляется по формуле:

где

Теплоёмкость воздуха в точке Z вычисляется по формуле:

Теплоёмкость рабочего тела в точке Z с учётом коэффициента избытка воздуха, () вычисляется по формуле:

Принимаем температуру рабочего тела в конце расширения

Теплоёмкость продуктов сгорания в точке B для принятой температуры  при  вычисляется по формуле:

;

Теплоёмкость воздуха в точке В для принятой температуры  вычисляется по формуле:

Теплоёмкость рабочего тела в точке B с учётом коэффициента избытка воздуха, () вычисляется по формуле:

Показатель политропы расширения вычисляется по формуле:

;

.

Температура рабочего тела в конце расширения вычисляется по формуле:

где ;

;

.

Ошибка составит:

Так как ошибка не превышает 2%, значение , выбрано верно.

Давление рабочего тела в конце расширения вычисляется по формуле:

где

Проверка выбранной температуры остаточных газов.

где

Ошибка составит:

где

Так как ошибка не превышает 2%, значение температуры остаточных газов выбрано верно.

Показатели работы цикла определяем на основании данных, полученных в результате выполненных расчётов процессов впуска, сжатия, сгорания и расширения.

Среднее теоретическое индикаторное давление вычисляется по формуле:

,

 = .

Для определения действительного среднего индикаторного давления принимаем коэффициент скругления индикаторной диаграммы , коэффициент полноты насосных потерь  Действительное среднее индикаторное давление вычисляется по формуле:

где

Индикаторный коэффициент полезного действия вычисляется по формуле:

.

Индикаторный удельный расход топлива вычисляется по формуле:

 гр/кВт∙ч;

Давление механических потерь вычисляется по формуле:

где

 = 1900 об/мин ();

.

Эффективное давление вычисляется по формуле:

Механический коэффициент полезного действия вычисляется по формуле:

Эффективный коэффициент полезного действия вычисляется по формуле:

;

Эффективный удельный расход топлива вычисляется по формуле:

Индикаторная мощность двигателя вычисляется по формуле:

где

Диаметр цилиндра двигателя вычисляется по формуле:

двигатель сгорание тепловой баланс

где - тактность;

;

Литраж двигателя вычисляется по формуле:

.

Расчётная мощность двигателя вычисляется по формуле:

Крутящий момент двигателя вычисляется по формуле:

Часовой расход топлива вычисляется по формуле:

Тепловой баланс двигателя

Общее количество теплоты, выделенной при полном сгорании топлива за один час, вычисляется по формуле:

где ;

Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя вычисляется по формуле:

,

где

;

Теплота, эквивалентная механическим потерям вычисляется по формуле:

,

где

;

Теплота, потерянная с отработавшими газами, определяется как разность между теплотой, унесённой с отработавшими газами и теплотой, поступающей в цилиндры двигателя со свежим зарядом.

Температура отработавших газов в

где

Температура воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, вычисляется по формуле:

где

Изобарная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре  вычисляется по формуле:

Изобарная теплоёмкость продуктов сгорания при температуре  вычисляется по формуле:

Теплоёмкость отработавших газов с учётом значения коэффициента избытка воздуха вычисляется по формуле:

где α = 1,7;

Изобарная теплоёмкость воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, вычисляется по формуле:

где

Теплота, потерянная с отработавшими газами, вычисляется по формуле:

,

;

Теплота, передаваемая охлаждающей жидкости, вычисляется по формуле:

;

Неучтённые потери вычисляются по формуле:

;

;

Список использованных источников

1. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов./ А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е изд. перераб. и доп. - М: Высш. шк., 2002. - 496 с.

2.  Ховах М.С. конструирование узлов и деталей машин. / В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Войнов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1977. - 592 с.

3.      Богатырёв А.В. и др. Автомобили/ А.В. Богатырёв, Ю.К. Есеновский Лашков, М.Л. Насовский, В.А. Чернышев. - М.: Колос, 2004. - 496 с.

.        Тепловые расчёты автомобильных двигателей: учеб. пособие / Сост. П.Л. Шевченко - Омск: Изд-во СибАДИ. 2007. - 38 с.

.        Шевченко П.Л. Расчёт автомобильных двигателей «Методические указания к курсовому проекту по двигателям внутреннего сгорания, для студентов, обучающихся по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство»»: методические указания / П.Л. Шевченко; СибАДИ. - Омск: СибАДИ, 2008. - 28 с.

.        Сердюк Ю.И. «Методические указания к курсовому проектированию по двигателям внутреннего сгорания «Автомобили и автомобильное хозяйство»»: методические указания / П.Л. Шевченко; СибАДИ. - Омск: СибАДИ, 1989. - 36 с.

8.  Каталог агрегатов ЯМЗ. Режим доступа: http://www.edk.ru/index.htm.

9. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчёт на прочность поршневых и комбинированных двигателей: Учебное пособие для вузов./ А.С. Орлин, В.П. Круглова - 4-е изд. перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1984. - 384 с.