Тепловой и динамический расчет двигателя Д-21

1. Тепловой расчет дизельного двигателя Д-21

1.1 Параметры окружающей среды и рабочего тела

Давление воздуха, р₀ = 0,1 МПа

Температура воздуха, Т₀ = 293 К

Топливо - дизельное топливо.

Низшая теплота сгорания, Q_Н = 42500 кДж/кг.

Элементный состав топлива:

· углерод С = 0,857

· водород Н = 0,133

· кислород, растворенный в топливе О_Т = 0,01

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива:

- килограммах, ₀, кг воздуха/кг топлива:

- То же в молях, L₀ , кмоль/кг

где м_В = 28,97 - молекулярная масса воздуха, кг/кмоль.

Количество свежего заряда (действительный расход воздуха двигателем) М₁ , кмоль:

где б - коэффициент избытка воздуха.

1.2 Параметры впуска

Давление воздуха в цилиндре в конце впуска, р_а, МПа:

где з_v - коэффициент наполнения цилиндра свежим воздухом; е - степень сжатия; T ^'₀ = T₀ +Дt - температура свежего заряда на впуске (до впускного клапана), К; Дt - подогрев свежего заряда во впускном трубопроводе, градусов; p_r - давление остаточных газов в цилиндре в конце такта выпуска, МПа.

T ^'₀ = 293+17 = 310К

Коэффициент остаточных газов, г:

где Т_r - температура остаточных газов в цилиндре в конце выпуска, К.

Температура воздуха в цилиндре в конце впуска, Т_а, К:

1.3 Процесс сжатия

Давление в конце сжатия, р_с, МПа:

где n₁ - показатель политропы сжатия.

Температура в конце сжатия, Т_с, К:

1.4 Процесс сгорания

Количество молей остаточных газов, М_r, кмоль:

Общее количество рабочей смеси (свежий воздух плюс остаточные газы) в конце сжатия до начала сгорания, М_с, кмоль:

Количество продуктов сгорания (без остаточных газов) М ₂, кмоль:

Общее количество молей после сгорания, М_z, кмоль:

Коэффициент молекулярного изменения, м:

Количество теплоты, передаваемой газам на участке горения топлива (точки czz' (Q,):

Q = ·Q_Н

Q = 0,8·42500 =34000

где - коэффициент использования теплоты на участке czz'

Средняя молярная теплоёмкость воздуха в конце такта сжатия перед началом горения С_vc, кДж/кмоль·град:

Максимальная температура сгорания, Т_z, К:

где = 29,149+0,0025· - средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кмоль·град;

- степень повышения давления газов в цилиндре.

Решаем это уравнение как полное квадратное уравнение типа:

отсюда:

Считаем значения коэффициентов: ,,

= ·0.0025 = 0,0026

= 29,149· = 30,256

Из двух корней выбираем один с реальным ответом (положительный), величина Tz в пределах 1900-2300 К.

Максимальное давление газов в конце сгорания на участке zz' р_z, МПа:

Степень предварительного расширения газов на участке zz' :

Определяем положение точки z' на индикаторной диаграмме:

где - объем камеры сгорания, литров; определяется из формулы:

,

где Va - полный объем цилиндра, литров; Vh - рабочий объем одного цилиндра, литров.

отсюда:

Для чего: находим Vh, литр:

Vh=Fn•S•10^-6,

где Fn - площадь поршня,

,

Vh = 8654.625·0.120•10^-6 =1.038 литра.

тогда:

Положение точки z' на индикаторной диаграмме:

Степень последующего расширения газов на участке z' в:

,

1.5 Процесс расширения

Давление газов в нижней мёртвой точке в конце расширения, р_в, МПа:

где n₂ - показатель политропы расширения.

Температура газов в нижней мёртвой точке в конце расширения, Т_в, К:

1.6 Среднее давление газов в цилиндре

Среднее расчётное индикаторное давление газов внутри цилиндра по нескруглённой индикаторной диаграмме, р_{i расч} , МПа:

Действительное среднее индикаторное давление газов внутри цилиндра по скруглённой индикаторной диаграмме, р_i , МПа:

где ц - коэффициент скругления индикаторной диаграммы, учитывающий окончание сгорания в начале такта расширения и потери давления при предварительном открытии выпускного клапана.

Среднее эффективное давление, р_е , МПа:

где з_m - механический кпд двигателя.

Среднее давление механических потерь, р_m , МПа:

1.7 Коэффициент полезного действия двигателя

Индикаторный КПД двигателя, з_i:

где Q_Н - низшая теплота сгорания, Q_Н = 42,50 МДж/кг; с₀ = р₀·10⁶ /R_в·Т₀ - плотность

воздуха, кг/м³; R_в = 287 Дж/(кг·град) - удельная газовая постоянная для воздуха.

с₀ = 0,1·10⁶ /287·293 = 1,1892 кг/м³

Эффективный КПД двигателя, з_е:

1.8 Эксплуатационные показатели двигателя

Эффективная мощность двигателя, N_e, кВт:

где V_h - рабочий объём одного цилиндра, литр; i - число цилиндров двигателя; n - частота вращения коленчатого вала, мин -¹.

Крутящий момент двигателя, М_к, Н·м:

Удельный расход топлива (экономичность двигателя), g_e, г/(кВт·ч):

Часовой расход топлива двигателем, G_т , кг/ч:

Часовой расход воздуха двигателем, G_в , кг/ч:

Литровая мощность двигателя, N_л, кВт/литр:

1.9 Построение индикаторной диаграммы

По заданным, , , и определить объемы: - объем камеры сгорания, литров; - полный объем цилиндра, литров:

Определяем давление газов в промежуточных точках , индикаторной диаграммы на тактах сжатия и расширения и заносим данные в таблицу:

Для линии сжатия:

где - давление сжатия на точке , МПа.

Для линии расширения:

где - давление расширения на точке , МПа.

Таблица 2.1 - Давление газов в промежуточных точках , индикаторной диаграммы на тактах сжатия и расширения

В соответствии с полученными результатами расчетов строим индикаторную диаграмму