Тепловой расчет ДВС

Размещено на http://www.allbest.ru/

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)

ф - коэффициент тактности двигателя(ф=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.

б=1,8…2- коэффициент избытка воздуха;

л

Ориентировочное значение диаметра цилиндра, м:

, м

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

к=1 - коэффициент короткоходности

[м]

Ориентировочное значение хода поршня, м:

, [м]

[м]

2. Процесс впуска

Определяем температуру в конце процесса впуска:

, [К]

где Т_К - температура надувочного воздуха, К;

Т -подогрев свежего заряда, К;

_r -коэффициент остаточных газов;

Т_r -температура остаточных газов, К,

Принимаем:

Т_к =305 К

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

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

_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

3. Процесс сжатия

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

Определяем давление в конце сжатия:

Р_с =Р_а·еⁿ¹, [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 = Т_а · е^n1-1 [К]

Т_с = 338,4·15.5 ^1,35-1 =883,18 [К]

4. 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=·L₀, [кмоль/кг]

где - коэффициент избытка воздуха.

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

Принимаем =2 (стр.31 /3/)

L=2·0,492=1 кмоль/кг

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

Определим химический коэффициент молярного изменения:

Находим действительный коэффициент молярного изменения:

Определяем теплоёмкость газов для чистого воздуха:

·С^с=а+в·Т_с [кДж/кмоль·град]

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

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

Для продуктов сгорания при >1:

Теплоёмкость при постоянном давлении:

·С^z_р =·С^z +·R

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

·С^z_р =

·С^z_р =

Температура в конце сгорания Т_z определяется для дизеля из выражения:

где - коэффициент использования тепла;

Q_H -низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг,

- степень повышения давления.

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

Для дизелей = 0,7…0,85 [стр.10/4/], принимаем =0,8 с учетом обогащения смеси ( =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

5. 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]

6. 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

7. Построение индикаторной диаграммы

Для построение индикаторной диаграммы выбираем масштабы:

- для давления: 30 кПа/мм

- для объёма : 10 мм = V_c

V_a = V_c · е = 10 · 15,5 = 155 мм

Определяем промежуточные точки политроп сжатия и расширения по уравнениям:

- для сжатия:

,

- для расширения:

.

двигатель конструкция тепловой баланс



Таблица 3.1

Промежуточные точки политропы сжатия

- для сжатия:

Vx, мм	30	50	70	90	115	135
Рx, кПа	950,1	476,7	302,7	215,6	124,7	124,7
Рx, мм	31,7	15,9	10,1	7,2	4,2	4,2

- для расширения:

Vy, мм	30	50	70	90	115	135
Рy, кПа	2562,2	1358,5	894,5	654,7	482,8	395,7
Рy, мм	85,41	45,28	29,82	21,82	16,09	13,19

8. 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;

=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 =· Р_ia^`-Р, [кПа]

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

=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 Р_i = 1,08 % не превысила допустимую Р_i = 3…5%.

Индикаторный коэффициент полезного действия определяем по формуле:

Находим индикаторный удельный расход топлива:

кг/кВт·ч

9. 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:

_с=_i·_м,

где _м -механический коэффициент полезного действия.

_с=0,5·0,753=0,337

Эффективный удельный расход топлива:

(кг/кВт·ч)

10. 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 =·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]

11. 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]

, [м]

Удельная литровая мощность двигателя:

, [кВт/м³]

кВт/м³

Удельная поршневая мощность двигателя:

, [кВт/м²]

кВт/м²

12. 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]

G_т=0,224·35=7,84

Режим холостого хода, регуляторная ветвь

- угловая скорость холостого хода

[с^-1]

где д_р-степень неравномерности регулятора д_р =0,07…0,08, принимаем д_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.:

щ_мин= (54…90) [с^-1]

щ_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

n,мин-1	Nе,кВт	gе,г/кВт*ч	Мк,Нм	GТ,кг/ч
1000	5,1	254	56,7	5,07
2000	6,7	238	58,3	6,08
3000	10,2	223	59,4	6,12
4000	19,5	215	58,4	6,35
5000	35	213	66,8	7,56
6000	27,2	217	52,4	8,9

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.

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

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

Размещено на Allbest.ru