Рабочие процессы и энергетические установки
Содержание
. Тепловой расчет
. Параметры окружающей среды и остаточных газов
. Процесс впуска
. Процесс сжатия
. Процесс сгорания
. Процесс расширения и выпуска
. Индикаторные параметры рабочего цикла
. Эффективные показатели двигателя
. Основные параметры двигателя
Список использованной литературы
тепловой двигатель сжатие сгорание
Расчет параметров рабочего процесса ДВС
Исходные данные:
Тип двигателя: бензиновый
Эффективная мощность: 125 кВт
Число оборотов коленчатого вала: 6300 об/мин
Степень сжатия: 10,5
Число цилиндров: 8, v-образное
расположение цилиндров
Давление наддува:0,17 МПа
1. Тепловой расчет
В соответствии с исходными данными в качестве топлива выбираем ДТ. Используя
справочные данные, определяется элементарный состав топлива:
=0,855; H=0,145;
Определяется низшая теплота сгорания, используя формулу Д.И.Менделеева:
где: W - количество водяных паров в
продуктах сгорания массовой или объемной единицы топлива, т.о.:
(Принимается .
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
определяется по формулам:
,
где: 0,23 - массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;
,21 - объемное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха;
).
Возможность применения электронного управления системой питания
рассчитываемого двигателя и стремления получить двигатель повышенной литровой
мощности позволяет выбрать значение коэффициента избытка воздуха для двигателя,
обеспечивающее максимальную скорость сгорания и достаточную экономичность. Т.к.
рассчитываемый двигатель является бензиновым, то значение коэффициента избытка
воздуха следует выбирать из заданного промежутка: , примем: .
Количество рабочей смеси при заданном коэффициенте избытка воздуха
вычисляется по формуле:
,
где: mт - молекулярная масса паров топлива. Значение
молекулярной массы паров топлива для бензиновых топлив находится в интервале:
, примем: , т.о.:
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания K=0.47, где K - постоянная величина, зависящая от отношения количества
водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания.
При неполном сгорании топлива (α<1, примем α=0,92) продукты сгорания представляют собой
смесь окиси углерода, углекислого газа, водяного пара, свободного водорода и
азота.
Содержание отдельных компонентов продуктов неполного сгорания жидкого
топлива определяется по формулам:
количество CO2:
,
(
количество CO:
,,
;
количество H2O:
,
количество H2:
,
();
количество N2:
(.
,
+0,5115(.
Проверка: общее количество продуктов неполного сгорания жидкого топлива
определяется по формуле:
(
. Параметры окружающей среды и остаточных газов
Двигатель будет работать с наддувом, согласно исходных данных, поэтому
давление окружающей среды выбирается ро = 0,1 Мн/м2 кг/см2
, а температура Т0 = 295° К.
Температура воздуха после компрессора:
В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится
некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме Vc камеры сгорания.
(12)
=1,15
Температура остаточных газов
В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, числа оборотов, нагрузки
и коэффициента избытка воздуха принимается значение температуры остаточных газов,
которая для бензина - Тr=900-1100 К. Окончательно принимается .
3. Процесс впуска
). Учитывая высокое число оборотов и желание получить хорошее наполнение
цилиндра температура подогрева свежего заряда принимается для, бензинового
двигателя: ∆Т=50-70, примем ∆Т=60.
). Плотность заряда на впуске определяется по формуле:
, кг/м3,
где: В - удельная газовая постоянная (В=287 Дж/). Таким образом,
.
3). Потери давления ∆pа за счет сопротивления впускной
системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении
можно определить из уравнения Бернулли:
Таким образом,
(15)
Таким образом, рассчитанная величина имеет значение, примерно совпадающее
со значением, полученным опытным способом.
). Определим давление в конце впуска по формуле:
, ,
Таким образом:
.
). Величина коэффициента остаточных газов γr определяет качество очистки
цилиндров от продуктов сгорания. С увеличением γrуменьшается количество свежего
заряда, которое может поступить в цилиндр двигателя в процессе впуска.
Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей определяется
по формуле:
,
где: ℇ - степень сжатия;
Тk - температура воздуха после
компрессора, таким образом определяют величину коэффициента остаточных газов:
). Температура в конце впуска с достаточной степенью точности определяют
на основании уравнения баланса теплоты
,
где: - количество теплоты, внесенное свежим зарядом, с учетом
подогрева заряда от стенок;
- количество теплоты, заключающееся в остаточных газах;
- количество теплоты, заключающееся в рабочей смеси.
Принимается, что: , получим:
Таким образом,
Величина Та в основном зависит от температуры рабочего тела,
коэффициента остаточных газов, степени заряда и в меньшей степени - от
температуры остаточных газов.
). Коэффициент наполнения определим по формуле для четырехтактных
двигателей без учета продувки и дозарядки цилиндра:
.
Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности
двигателя, степени его быстроходности и совершенства системы газораспределения.
4. Процесс сжатия
). Согласно номограмме для определения показателя адиабаты сжатия средний
показатель адиабаты сжатия k1 при ℇ=10,5 и Тa=399,407 К имеет значение: k11,359.
Величина среднего показателя политропы сжатия (n1) устанавливается по опытным данным в зависимости от числа
оборотов двигателя, степени сжатия, размеров цилиндра, теплообмена и других
факторов. Однако, учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро
(0,015-0,005 сек на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим
телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и
величина n1 может быть оценена по среднему показателю адиабаты сжатия
k1.
). Учитывая быстроходность рассчитываемого дизельного двигателя,
принимают:
,
,
применяется n1=1,339.
). Давление и температура в конце процесса сжатия определяются из уравнения
политропы с постоянным показателем n1:
, (МН/м2),
, (К),
Таким образом,
(МН/м2),
(К).
). Среднюю мольную теплоемкость в конце сжатия свежей смеси определяется
согласно справочным данным, выбрав из таблицы 7 значение, из интервала
температур от 0 до 1500 С для воздуха.
А). Средняя мольная теплоемкость свежей смеси:
(33)
(34)
Б). Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия
определяется по таблице 9 (согласно справочным данным) и равна:
(36)
В). Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси:
кДж/кмольград, (37)
(кДж/кмольград) (38)
5. Процесс сгорания
). Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:
,
). Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
). Количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива:
, кДж/кг,
(кДж/кг)
). Теплота сгорания рабочей смеси:
при α<1 (α=0,92):
, МДж/кмольраб.см,
(МДж/кмольраб.см)
). Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:
при α<1
,кДж/кмольград,
, кДж/кмольград (48)
). Коэффициент использования тепла:
Тепловой баланс можно записать в более
краткой форме в виде уравнений:
, кДж
, кДж
где:
- коэффициент
использования тепла на участке видимого сгорания.
Коэффициент ξz выражает долю низшей
теплоты сгорания топлива, используемую на повышение внутренней энергии газа (Uz-Uс) и на совершение работы Lcz.
Uz- внутренняя энергия
газов в конце видимого сгорания, кДж;
Uс- внутренняя энергия
рабочей смеси в конце сжатия, кДж;
Lcz- тепло, идущее на работу
расширения газов от точки с до точки z(для двигателей с воспламенением от искры Lcz = 0), кДж.
Для расчета величину коэффициента
использования тепла принимается на основе экспериментальных данных.
Для бензиного двигателя примем ξz=0,9 (согласно таблицы № 10
справочных данных).
). Температура в конце видимого процесса сгорания:
Значение догорание бензинного топлива в
процессе расширения при n=5800 об/мин будет снижать величину ξz но использовать
обогащение смеси (α=0,92), обеспечивающей
максимальную скорость сгорания, будет несколько уменьшать процессе догорания.
Учитывая эти факторы, можно принять ξz =0,9.
,
где Hраб.см - теплота сгорания рабочей смеси.
Таким образом,
,
откуда:
отсюда следует:
). Максимальное давление сгорания:
Для бензиновых двигателей, работающих по циклу
с подводом тепла при V = const
(53)
). Степень предварительного расширения определяется по
формуле:
Для дизелей ρ
= 3,24-4,2.
Значения температуры и давления конца
сгорания для современных двигателей при работе с полной нагрузкой принимаются и .
6. Процесс расширения и выпуска
). Используя номограмму для определения показателя
адиабаты расширения k2 для дизельного двигателя, определим
его значение: при Tz=2295К
и α=0,92: k2=1,2575.
). Значение показателя политропы расширения (n2) принимаем на основе анализа индикаторных диаграмм.
Согласно справочным данным для бензиновых двигателей: n2=1,231,30, принимаем n2=1,25.
). Значения давления и температуры в конце процесса
расширения. Согласно формулам политропического процесса для бензиновых
двигателей:
, МН/м2,
, К,
Таким образом,
(58)
(К).
Примерные значения pb и Tb для современных
двигателей без наддува (на номинальном режиме), попадают в интервалы, приведенные в методических
указаниях. Проверяется значение ранее принятой
температуры остаточных газов по формуле:
, К,
(К)
, %,
.
7. Индикаторные параметры рабочего цикла
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания
характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторной мощностью и к.п.д.
). Теоретическое среднее индикаторное давление для бензинного
двигателя с искровым зажиганием, работающего по циклу с подводом тепла при V=const:
, МН/м2
= =1,076(МН/м2).
2). Среднее индикаторное давление:
, МН/м2
Уменьшение теоретического среднего индикаторного
давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла
оценивается коэффициентом полноты диаграммы φии величиной среднего давления насосных потерь ∆рi.
, МН/м2
3). Индикаторная мощность: Индикаторная
мощность двигателя (Ni) - работа, совершаемая газами внутри цилиндров в
единицу времени.
Для многоцилиндрового двигателя
определяется по формуле:
, кВт
где: pi - среднее индикаторное давление, Мн/м2;
Vh - рабочий объем одного
цилиндра, л (дм3);
I - число цилиндров;
n - число оборотов
коленчатого вала, об/мин;
τ
- тактность
двигателя;
=76,657 кВт (69)
). Индикаторный КПД:
Индикаторный к. п. д. ηi характеризует степень
использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной
работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной
работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.
Для бензиновых двигателей, работающих на
жидком топливе:
,
0,33.
). Индикаторный удельный расход жидкого
топлива определяется по уравнению:
, г/кВтч
(г/кВтч).
8. Эффективные показатели двигателя
Параметры, характеризующие работу двигателя, отличаются от
индикаторных наличием необходимых затрат полезной работы на преодоление
различных механических сопротивлений (трение в кривошипно-шатунном механизме,
приведение в действие вспомогательных механизмов и нагнетателя и др.) и на
совершение процессов впуска и выпуска.
1). Среднее давление механических потерь:
Потери на преодоление различных
сопротивлений оцениваются величиной мощности механических потерь или величиной
работы, соответствующей мощности механических потерь, отнесенной к единице
рабочего объема цилиндра. Согласно эмпирическим данным среднее давление
механических потерь для дизелей с вихревыми камерами:
, МН/м2,
где средняя скорость поршня для транспортных дизелейvп.ср = 9÷12м/сек, таким образом:
МН/м2.
). Среднее эффективное давление:
Среднее эффективное давление ре представляет
собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема
цилиндра.
При расчетах двигателей среднее
эффективное давление ре определяется по среднему индикаторному
давлению:
, МН/м2,
МН/м2.
С ростом среднего эффективного давления
улучшаются условия использования рабочего объема цилиндра, что дает возможность
создавать более легкие и компактные двигатели.
). Механический КПД определяется по
формуле:
,
.
4). Эффективная мощность:
(80)
5). Эффективный КПД ηе и эффективный удельный расход топлива ge характеризуют
экономичность работы двигателя:
,
.
). Эффективный расход жидкого топлива:
, г/кВтч
(г/кВтч).
). Часовой расход топлива:
, кг/ч,
(кг/ч).
9. Основные параметры двигателя
Если задана эффективная мощность двигателя
и выбрана величина S/D,
то основные конструктивные параметры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня)
определяют следующим образом:
). Литраж двигателя:
, л
(л)
). Рабочий объем одного цилиндра:
,л,
(л)
3). Диаметр и ход поршня:
Дизели, как правило, выполняются с
отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D>1. Однако уменьшение S/D для бензина, так же как
и для карбюраторного двигателя, снижает скорость поршня и повышает ηм. В связи с этим целесообразно принять S/D= 0,85
4). Диаметр цилиндра:
, мм
, мм
). Ход поршня:
, мм
, мм
Принимается - D = 76 мм, S = 65 мм.
По окончательно принятым значениям D и S определим основные
параметры двигателя:
Литраж двигателя:
, л,
л
Площадь поршня:
, см2
см2
,кВт,
кВт
Эффективный крутящий момент:
, Нм
Нм
Часовой расход топлива:
, кг/ч,
Средняя скорость поршня:
, м/сек,
м/сек
,%, (107)
=2,5 %,
Список использованной литературы
1. Методические указания по выполнению курсового проекта
(курсовой работы) по учебной дисциплине "Рабочие процессы, конструкция и
основы расчёта тепловых двигателей энергетических установок и ТТО" по
специальности 2301.00.02. "Сервис транспортных и технологических машин и
оборудования (автомобильный транспорт)". СПб
ГУСЭ, кафедра ТОТС, 2005 год.
2. Учебник. Дыбок В.В. Рабочие процессы, конструкция и основы
расчёта тепловых двигателей энергетических установок и
транспортно-технологического оборудованя. СПб ГУСЭ,
кафедра ТОТС, 2005 год.
3. Конспект лекций.