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;
ge -
эффективный удельный расход топлива, г/(кВт*ч)
τ - коэффициент тактности
двигателя(τ=2-
четырехтактный
двигатель)
Ne -
эффективная мощность двигателя, кВт.
г/цикл
Плотность заряда на впуске, кг/м3:
, кг/м3
где рк - давление наддува, МПа
Rв
- газовая постоянная воздуха, Дж/(кг*К), Rв=287
Дж/(кг*К)
ТК - температура надувочного воздуха,
К,
K
где Т0 - температура
окружающей среды, К; (Т0=293 К)
р0 - давление окружающей
среды, кПа; (р0=100 кПа)
nk -
показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.
Для центробежных нагнетателей с
охлаждаемым корпусом nk=1,4…1,8;
без охлаждаемого корпуса nk=1,8…2,0.
Принимаю nk=1,4.
К
кг/м3
Необходимый объем воздуха, л:
, л
где LТ=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 ТК - температура
надувочного воздуха, К;
DТ -подогрев свежего заряда, К;
gr -коэффициент
остаточных газов;
Тr
-температура остаточных газов, К,
Принимаем:
Тк =305 К
DТ =15-для двигателей с поршнем из алюминиевого
сплава [стр.82 /1/];
gr =0,03…0,06 -
в четырехтактных дизелях без наддува и с наддувом [стр.19 /3/],
gr =0,04;
Тr =700…900 К
для дизелей [стр. 8 /4/], Тr =800 К.
К
Определяем давление в конце впуска:
Ра =(0,85…0,9)· Рк
, [кПа]
Ра =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:
Рс =Ра·εn1, [кПа]
где n1- средний
показатель политропы сжатия.
Рс =103,5·15.51,35=4186,8
[кПа]
Определяем температуру в конце
сжатия:
Тс = 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·Ссn=а+в·Тс
[кДж/кмоль·град]
где а=20,16; в=1,738·10-3 -
постоянные коэффициенты. [стр.10 /4/]
m·Ссn=20,16+1,738·10-3
·883,18=21,695 [кДж/кмоль·град]
Для продуктов сгорания при a
>1:
Теплоёмкость при постоянном давлении:
m·Сzр
=m·Сzn
+m·R
где m·R
=8,314- универсальная газовая постоянная[стр.10 /4/]
m·Сzр =
m·Сzр =
Температура в конце сгорания Тz
определяется для дизеля из выражения:
где x- коэффициент использования тепла;
QH -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 QH = 42500
кДж/кг [стр.10/4/].
Решая квадратное уравнение,
определяем Тz.: 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:
Рr
=кr·
Рк, [кПа]
где кr=(0,75…0,98)
для двигателей с наддувом ,[стр. 11 /4/]
Рr
=0,98·115=112,7 кПа
. Построение индикаторной диаграммы
Для построение индикаторной диаграммы выбираем
масштабы:
для давления: 30 кПа/мм
для объёма : 10 мм = Vc
Va
= Vc · ε
= 10 · 15,5 = 155 мм
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
|
. Определение индикаторных показателей
Среднее теоретическое индикаторное давление Рi`
определяем
графическим и аналитическим методами.
Графическое определение среднее теоретического
индикаторного давление Рi`.
, [кПа]
где A- площадь
индикаторной диаграммы, мм2;
l =Vh =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:
Рi =f· Рia`-DР, [кПа]
где DР=Рr-Ра,
кПа (принимается DР=(5…25)), DР=9,
f=0,92…0,95- коэффициент округления
Рi
=0,95·856,3-9,2=804,3 (кПа)
Среднее индикаторное давление Рi 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 DРi = 1,08 % не
превысила допустимую DРi = 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:
Ре=Рi-Рм
,[кПа]
где Рм -механические
потери мощности, [кПа].
Рм=(0,9+(0,11…0,15)Сm)102,
[кПа]
где Сm
- средняя скорость поршня, [м/с].
(м/с).
(кПа)
Предварительно определяем среднее эффективное
давление:
Ре=804,3 -198,2=606,1 [кПа]
Определяем эффективных коэффициент полезного
действия:
hс=hi·hм,
где hм
-механический коэффициент полезного действия.
hс=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·GT,[кДж/ч]
где GT -часовой
расход топлива, кг/ч.
GT = qe·Neн
GT = 0,224·35
= 7,84 кг\час
Q=42500·7,84
=333[кДж/ч]
Теплота, эквивалентная эффективной
работе:
Qe=3600·Ne , ,[кДж/ч]
Qe=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:
Qг
=Ср·(Тr-
Tк)·(Gв+Gт),
[кДж/ч]
где Ср - средняя теплоемкость
отработавших газов при постоянном давлении,
Ср =1,04 кДж/кг·град [стр.17 /4/]
Gв
- часовой расход воздуха, кг/ч
Gв =a·L0Gт
·28,95 ,
Gв =2·0,494·29,19·28,95=836,17
[кг/ч]
Qr
=1,04·(800- 305)·(836,17+29,19)=364195,4 [кДж/ч]
Неучтенные потери:
Qн.у. =Q-( Qe+ Qг + Qв), [кДж/ч]
Qн.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
Gт=ge·Ne
[кг/ч]т=0,224·35=7,84
Режим холостого хода, регуляторная ветвь
угловая скорость холостого хода
[с-1]
где δр-степень
неравномерности регулятора δр =0,07…0,08,
принимаем δр =0,075
[с-1]
крутящий момент холостого хода
[Н·м]
часовой расход холостого хода
Gхх=(0,26…0,3)·GТ [кг/ч]
Gтх=0,28*7,8=2
[кг/ч]
корректорная ветвь
- минимальная угловая скорость вращения к.в.:
ωмин=
(54…90) [с-1]
ωмин=
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:
Gтmin=gemin·Nemin·10-3[кг/ч]
Gтmin=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
|
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.
.
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.