Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей



Введение

Учебные дисциплины “Автомобильные двигатели”, “Рабочие процессы, конструкция и основы расчета тепловых двигателей и энергетических установок” и “Транспортная энергетика” являются, согласно государственным образовательным стандартам по специальностям 19.06.01, 19.06.03 и 24.04.00, специальными дисциплинами и формируют специальные знания будущего специалиста в области движущих элементов подвижного состава автомобильного транспорта.

Предметом изучения данных дисциплин являются автомобильные двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Задачи изучения дисциплины определяются на основе требований к знаниям и умениям студента после изучения данного курса.

Студент должен знать: газовый двигатель температура давление

1) сущность и значение процессов, происходящих в цилиндре ДВС при реализации действительного цикла, закономерности и наиболее эффективные методы превращения химической энергии топлива в работу ДВС;

2) влияние основных конструктивных, эксплуатационных и атмосферно-климатических факторов на протекание процессов в ДВС и на формирование внешних показателей работы двигателя, современные методы улучшения технико-экономических показателей и характеристик двигателя, основные критерии работы ДВС и общепринятые характеристики;

3) тенденции и направления развития ДВС, диктуемые современными требованиями к подвижному составу автотранспорта.

Настоящие методические указания дополняют существующие методические указания к курсовому проектированию по вышеуказанным дисциплинам и содержат методику теплового расчета рабочего цикла автомобильного газового двигателя внутреннего сгорания.



1. Задание на курсовое проектирование

Задание на курсовое проектирование определяется по таблице 1.1 в соответствии с номером варианта, указанным руководителем проекта.

Таблица 1.1 - Задание на курсовое проектирование

Номер варианта	Параметры двигателя
	Тип двигателя	Давление за компрессором рk , МПа	Номинальная мощность Nе, кВт	Номинальная частота вращения nе, мин-1	Число цилиндров, i	Степень сжатия, е	Охлаждение
1	ГН	0,17	185	2400	6	11,0	Ж
2	ГН	0,20	200	2200	8	11,5	Ж
3	ГН	0,22	190	2200	8	12,5	Ж
4	Г	-	40	2400	4	10,5	Ж
5	Г	-	235	1800	8	10,0	Ж
6	Г	-	100	2000	6	8,2	Ж
7	Г	-	105	2800	6	8,0	Ж
8	Г	-	255	1800	6	9,5	Ж
9	Г	-	60	2600	4	10,0	Ж
10	Г	-	165	1800	12	8,0	Ж
11	Г	-	120	3200	8	8,2	Ж
12	Г	-	95	3600	8	8,0	Ж
13	Г	-	100	1600	6	9,0	Ж
14	Г	-	155	1800	6	9,0	Ж
15	ГН	0,17	295	2000	8	10,0	Ж
16	Г	-	170	2000	8	10,0	Ж
17	ГН	0,18	365	2200	8	10,0	Ж
18	Г	-	220	2200	8	10,0	Ж
19	ГН	0,20	550	2200	12	10,0	Ж
20	Г	-	330	2200	12	10,0	Ж

Условные обозначения в таблице: Г - газовый;

ГН - газовый с наддувом;

Ж - жидкостное охлаждение.

2. Тепловой расчёт рабочего цикла газового двигателя

В соответствии с заданием на курсовое проектирование выполняется тепловой расчёт рабочего цикла четырёхтактного автомобильного газового двигателя на номинальном режиме работы, то есть на режиме максимальной мощности, которую развивает данный двигатель. Выбранный расчетный режим соответствует наиболее тяжелым условиям работы деталей двигателя в отношении показателей их прочности и долговечности.

При выполнении расчета следует обратить внимание на его точность, так как ошибка в подсчете одного показателя влечет за собой искажение всего расчета. Поэтому рекомендуется основные параметры теплового расчета регулярно сопоставлять с аналогичными параметрами современных автомобильных двигателей соответствующего назначения и типа. При существенных отличиях расчетных параметров от сопоставляемых необходимо уточнить расчет, а в необходимых случаях и изменить принятые для расчета величины и коэффициенты.

2.1 Рабочее тело и его свойства

Рабочим телом называется вещество, при помощи которого осуществляется рабочий цикл двигателя. Для автомобильных газовых двигателей рабочее тело состоит из атмосферного воздуха, газообразного топлива и продуктов его сгорания. Наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили сжиженные нефтяные газы (СНГ) и компримированный (сжатый) природный газ (КПГ), превосходящие по ряду основных физико-химических и моторных качеств традиционные виды топлива.

В широком обиходе под СНГ понимают пропан-бутановую смесь. СНГ получают преимущественно из попутного газа при добыче нефти или ее переработке на нефтеперерабатывающих заводах, а также из природного газа газоконденсатных месторождений, содержащих тяжелее углеводороды. Дополнительно эти газы также извлекают при синтезе бензина. Преимуществом СНГ перед другими видами газообразных топлив (природный газ, биогаз и т.д.) является то, что пропан-бутановая смесь при нормальной температуре и незначительном повышении давления переходит в жидкое состояние. Следует отметить и более низкую себестоимость производства этого вида топлива по сравнению с традиционными моторными топливами - бензинами.

При рассмотрении перспектив применения СНГ в качестве моторного топлива в России следует иметь ввиду, что эти газы являются химическим сырьем для производства целого ряда важных продуктов и незаменимым технологическим материалом в ряде производств. Необходимо также учитывать, что СНГ широко используется для бытовых нужд в местах, удаленных от газопроводов природного и попутного газа (отопление, приготовление пищи). Таким образом, ресурсы СНГ, которые могут быть выделены для использования в качестве моторного топлива, ограничены.

Уникальные физико-химические свойства природного газа (ПГ), значительные естественные запасы, развитая сеть его доставки от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлив позволяют рассматривать ПГ как наиболее перспективное и универсальное моторное топливо России ХХI века. ПГ является наиболее дешевым видом моторного топлива.

2.1.1 Физико-химические и моторные свойства природного газа

ПГ представляет собой газообразное топливо без цвета и запаха, удельный вес которого в два раза ниже воздуха. ПГ используется в качестве моторного топлива в сжатом газообразном и сжиженном состоянии. Основным компонентом данного моторного топлива является метан. Наиболее перспективной является криогенная технология хранения ПГ на борту автомобиля. ПГ добывают непосредственно из газовых скважин. Некоторое его количество получают в процессе переработки нефти, фракционирования газового конденсата или добычи нефтяного попутного газа. ПГ, применяемый в качестве моторного топлива, не требует существенной технологической переработки.

В настоящее время ПГ применяют преимущественно в сжатом (компримированном) состоянии. Основными оценочными параметрами качества КПГ являются: элементарный состав топлива, октановое и цетановое числа, теплота сгорания, воспламеняемость, содержание влаги степень очистки от загрязняющих его веществ. Опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показывает, что удовлетворительные показатели по мощности, топливной экономичности, токсичности и дымности отработавших газов могут быть обеспечены лишь при строгой регламентации компонентного состава газа, поставляемого в качестве топлива для автомобильного транспорта от различных месторождений страны.

Повышение эксплуатационных характеристик КПГ не требует применения антидетонационных присадок. Октановое число КПГ, благодаря наличию высокого содержания метана, достигает 105 ед. Метан относится к числу простых углеводородов. Его молекула содержит максимальное (около 24%) водорода, приходящегося на один атом углерода. Поэтому КПГ обладает высокой теплотворной способностью, достаточно широкими пределами воспламеняемости и относительно низким содержанием токсических компонентов.

Высокое содержание водорода в КПГ обеспечивает более полное сгорание горючей смеси в цилиндрах двигателя по сравнению с СНГ и бензином. При утечке метан улетучивается и скапливается в верхних частях конструкции помещения. Метан имеет высокую детонационную стойкость и допускает форсирование двигателя по степени сжатия равной 9,5 - 10,5.

Одна из наиболее важных проблем эффективного использования КПГ на автомобильном транспорте связана с эффективной его осушкой на АГНКС. Количество влаги в ПГ не должно превышать 9 мг/м³. Несоблюдение этого условия приводит к образованию льда (ледяных пробок) в газовом редукторе при дросселировании КПГ.

Содержание сероводорода в КПГ не должно превышать по массе 0,1 %. Относительная плотность газовой фазы по отношению к воздуху составляет 0,554. Температура кипения метана составляет 111 К. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему пределу воспламеняемости, равен 0,60, а нижнему - 1,88. Коррозионная активность метана отсутствует.

Температура воспламенения метана составляет 913-953 К, а дизельного топлива - 513 К. Такая высокая температура воспламенения КПГ несколько затрудняет пуск двигателя, особенно при пониженной температуре окружающего воздуха.

КПГ представляет собой наиболее безопасный вид моторного топлива. Его нижний предел самовоспламенения значительно выше по сравнению с нефтяными моторными топливами. Пределы воспламенения метана в смеси с воздухом невелики, но ниже по сравнению с пределами горения горючей смеси, образуемой пропаном и бензином.

Объемные доли составляющих ПГ отечественных месторождений представлены в таблице 2.1. Выбранный состав топлива должен отвечать условию:

?С_n Н_mО_r+ N₂= 1 м³, (2.1)

где С_n , Н_m , О_r - объемные доли входящих газов;

N₂ - объемная доля азота.



Таблица 2.1 - Химический состав природного газа, используемого в качестве моторного топлива

Объемные доли компонентов природного газа, м3
метан СН4	этан С2Н6	пропан С3Н8	бутан С4Н10	тяжелые углеводороды С5Н12	углекислый газ СО2	азот N2
0,82..0,95	0,02..0,08	до 0,015	до 0,01	до 0,01	до 0,018	0,01..0,09

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания газообразного топлива Нu в кДж/ м³ определяется по формуле:

(2.2)

2.1.2 Горючая смесь

Для приготовления горючей смеси используется топливо и воздух. Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым L₀, и определяется для газового двигателя в (м³ воздуха/ м³ топлива) по формуле:

(2.3)

В зависимости от условий работы двигателя на каждую единицу топлива приходится количество воздуха, большее или меньшее теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании 1 м3 топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха .

Значение коэффициента зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя. Уменьшение коэффициента избытка воздуха двигателей до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряжённость двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов.

Для газовых двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения коэффициента избытка воздуха:

газовые двигатели = (1,15…1,25);

газовые двигатели с наддувом = (1,4…1,7)

Стендовые испытания, расчетный анализ и наблюдения за подобными газовыми двигателями в опытной эксплуатации подтвердили, что тепловая напряженность такового двигателя не снижает его эксплуатационной надежности.

Действительное количество воздуха L в (м³ воздуха / м³ топлива) определяется по формуле:

(2.4)

В газовых двигателях горючая смесь в цилиндре до начала сгорания состоит из воздуха и газообразного топлива, поэтому количество горючей смеси М₁ в (м³ гор.см. / м³ топлива) определяется по формуле:

(2.5)

2.1.3 Продукты сгорания

При полном сгорании газового топлива (при > 1,0) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО2, водяного пара Н2О, избыточного кислорода О2 и азота N2.

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в

(м³ прод.сгор./м³ топлива) определяются по следующим формулам:

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

Общее количество продуктов полного сгорания М2 в (м3 прод.сгор. / м3 топлива) определяется по формуле:

(2.10)

При сгорании газообразного топлива возможно как уменьшение, так и увеличение объема продуктов сгорания по сравнению с объемом смеси до сгорания. Изменение объема зависит от природы входящих в топливо углеводородов, их количества и соотношения углеводородов, водорода и окиси углерода.

Изменение количества рабочего тела при сгорании ?М в (м3 раб.тела / м3 топлива) определяется по формуле:

(2.11)

Относительное изменение количества при сгорании горючей смеси характеризуетсяхимическимкоэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по форму:

(2.12)



2.2 Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

2.2.1 Давление и температура окружающей среды

Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: p₀ = 0,1 МПа и Т₀ = 293 К.

При работе двигателей с наддувом воздух поступает в цилиндр из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчёте рабочего цикла двигателя с наддувом принимается равной давлению р_k и температуре Т_k воздуха на выходе из компрессора.

В курсовом проекте величина р_k задана в таблице 1.1.

Температура воздуха за компрессором Т_k в градусах Кельвина (К) определятся по формуле:

(2.13)

где - показатель политропы сжатия в компрессоре (нагнетателе),

принимается n_к = 1,4…2,0.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчёте рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются p₀ = 0,1 МПа и Т₀ = 293 К. Для получения однообразных формул в дальнейшем имеется ввиду, что для двигателей без наддува справедливы условия:

и (2.14)



2.2.2 Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объёме V_c камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для двигателей без наддува давление остаточных газов в МПа принимают равным

(2.15)

Для двигателей с газотурбинным наддувом давление остаточных газов в МПа принимают равным:

(2.16)

Значения температуры остаточных газов Т_r принимаются из интервала 750…850 К.

При установлении величины Т_r необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

2.2.3 Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ?Т благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина ?Т зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, скоростного режима, нагрузки, размеров цилиндра. С увеличением числа оборотов величина ?Т при неизменном крутящем моменте двигателя уменьшается приблизительно линейно.

Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, и таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя.

Величина ?Т принимается из интервала 0…20 К.

2.2.4. Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска р_а в МПа определяется по формуле:

(2.17)

где - потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе в МПа определяются по формуле:

(2.18)

где - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана , м/с;

- плотность заряда на впуске, кг/м^3.

При средней скорости заряда от 50 до 130 м/с величину принимают в пределах от 2,5 до 4,0.

Плотность заряда на впуске в кг/м³ определяется по формуле:

(2.19)



где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг · град)

R_в = 287 Дж/(кг · град).

2.2.5 Коэффициент и количество остаточных газов

Величина коэффициента остаточных газов ?_r характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением ?_r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов ?_r для четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания определяется по формуле:

(2.20)

Количество остаточных газов М_r в (м³ ост.газов / м³ топлива ) определяется по формуле:

М_r = (2.21)

2.2.6 Температура в конце впуска

Температуру в конце впуска Т_а в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

2.2.7 Коэффициент наполнения

Наиболее важным параметром, характеризующим процесс впуска, является коэффициент наполнения. Он представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объёме цилиндра при условии, что температура и давление в нём равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд.

Для четырёхтактных двигателей без учёта продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле:

Рассчитанные параметры процесса впуска необходимо сравнить со значениями этих параметров у автомобильных газовых двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Значения параметров процесса впуска

Тип двигателя	Параметры
	? ра, МПа	? r	Та, К	?v
Газовый	0,01…0,02	0,04…0,10	340…400	0,70…0,95

2.3. Процесс сжатия

При выполнении расчета газового двигателя условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с постоянным показателем n₁. Расчет параметров процесса сжатия сводится к определению показателя политропы сжатия n₁, давления р_с и температуры Т_с в конце сжатия, а также теплоёмкости рабочего тела в конце сжатия .

2.3.1 Показатель политропы сжатия

Величина n₁ устанавливается по опытным данным в зависимости от частоты вращения, степени сжатия, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов.

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину для газовых двигателей n₁ можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия k₁ по формуле:

(2.24)

Значение k₁ определяется в зависимости от температуры Т_а и степени сжатия ? по аппроксимирующей формуле:

2.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия

Давление р_с в МПа и температура Т_с в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем n₁ по формулам:

(2.26)

(2.27)

2.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси в конце сжатия

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия t_c в градусах Цельсия (^оС) -

tc ? Tc ? 273.

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия в кДж/(кмоль·град):

(2.28)



Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)

(2.29)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)

(2.30)

Рассчитанные параметры процесса сжатия сравниваются со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Значения параметров процесса сжатия

Тип двигателя	Параметры
	n1	рс, МПа	Тс, К
Газовый	1,36…1,39	1,2…4,0	650…900

2.4 Процесс сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идёт на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Целью расчёта процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.



2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объёма при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

2.4.2 Температура конца видимого сгорания

ТемпературагазаТ_z в концевидимогосгорания определяетсяс использованием решения уравнение сгорания, которое имеет вид:

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из интервала 0,8…0,85;

t_z - температура в конце видимого сгорания, ^о С;

- средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном объёме, кДж/(кмоль·град), которая определяется по формуле:

где , , , - средние мольные теплоёмкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 ^оС, которые могут быть выражены в зависимости от температуры t_z следующими формулами:

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида:

2.38)

Из формулы (2.38) выражается температура в градусах Цельсия (^оС)

Температура Т_z в градусах Кельвина (К) определяется по выражению:

(2.40)

2.4.3 Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла ? определяется по формуле:

2.4.4 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для газовых двигателей .



2.4.5 Максимальное давление сгорания

Величина максимального давления р_z в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

Рассчитанные параметры процесса сгорания сравниваются со значениями этих параметров у автомобильных газовых двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
	?		рz , МПа	Тz , К
Газовый	2,0…3,0	1,0	3,0…10,0	2200…2500

2.5 Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.

В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящему от теплообмена между газами и окружающими стенками, утечки газов через неплотности, уменьшения теплоёмкости продуктов сгорания вследствие понижения температуры при расширении, уменьшения количества газов в связи с началом выпуска.

2.5.1 Показатель политропы расширения

Так же как и при рассмотрении процесса сжатия для упрощения расчётов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем n₂.

С возрастанием коэффициента использования теплоты, интенсивности охлаждения, отношения хода поршня к диаметру цилиндра средний показатель политропы расширения увеличивается и, наоборот, уменьшается с ростом нагрузки и линейных размеров цилиндра. Средний показатель политропы расширения n₂ незначительно отличается от показателя адиабаты k₂ и может быть определён для газового двигателя по следующим формулам:

2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяется по формулам:

Рассчитанные параметры процесса расширения сравниваются со значениями этих параметров у автомобильных газовых двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Параметры
	n2	рь , МПа	Ть , К
Газовый	1,20…1,30	0,30…0,50	1300…1800



2.6 Проверка точности выбора температуры остаточных газов

Расчетная температура остаточных газов в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

Ошибка между принятой величиной Т_r в пункте (2.2.2) и рассчитанной по формуле (2.48) в процентах определяется по формуле:

Если > 10%, то параметры теплового расчёта необходимо пересчитать с пункта 2.2.2, приняв за новое значение Т_r рассчитанное значение .

Если ? 10 %, то расчет продолжается с учетом прежнего значения .

2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

2.7.1 Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление - это условное среднее давление, действующее на поршень и равное теоретической работе газов за цикл, отнесённой к рабочему объёму цилиндра.

Среднее теоретическое индикаторное давление в МПа определяется по формуле:

Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа отличается от теоретического на величину уменьшения работы газов действительного цикла против работы газов теоретического цикла (пропорционально уменьшению расчётной индикаторной диаграммы за счёт ее скругления) и определяется по формуле:

где - коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Значения коэффициента ?_u принимаются из интервала значений 0,94…0,97.

2.7.2 Индикаторный КПД

Индикаторный КПД характеризует степень использования теплоты топлива для получения полезной работы в действительном цикле, то есть индикаторный КПД учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Для газовых двигателей значения Н_и относят к 1 м³ топлива при стандартных условиях, поэтому и М₁ необходимо отнести к 1 м³ топлива, тогда индикаторный КПД ?_i определяется по формуле:

где кДж/(кмоль · К) - универсальная газовая постоянная.

2.7.3 Индикаторный удельный расход топлива

Для газовых двигателей индикаторный удельный расход топлива в м³/(кВт·ч) определяется по формуле:

Теплота сгорания различных газообразных топлив сильно отличается, что не позволяет сравнивать по экономичность рабочих циклов двигателей при их работе на разных топливах. Более удобным и универсальным является метод сравнения их экономичности по удельному расходу теплоты в кДж/(кВт·ч), который можно определить по формуле:

Рассчитанные индикаторные показатели двигателя сравниваются со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Значения индикаторных показателей двигателей

Тип двигателя	Показатели
	pi, МПа	?i	qi , кДж/(кВт·ч)
Газовый	0,6…1,4	0,3…0,45	8000…14000

2.8 Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя и отличаются от индикаторных показателей на величину механических потерь.

2.8.1 Давление механических потерь

К механическим потерям относятся все потери на преодоление различных сопротивлений, таких как трение, привод вспомогательных механизмов, газообмен, привод компрессора. Давление механических потерь - это условное давление, равное отношению работы механических потерь к рабочему объёму цилиндра двигателя. Величину давления механических потерь в МПа оценивают по средней скорости поршня по формуле:

где - экспериментальныекоэффициенты,величиныкоторых приведены в таблице 2.6.

- средняя скорость поршня, м/с, .

Таблица 2.6 - Значения коэффициентов а_м и b_м

Тип двигателя	ам	bм
Газовый с i ? 8 и S/D ? 1,0	0,039	0,0132
Газовый с i ? 6 и S/D ? 1,0	0,034	0,0113
Газовый с i ? 6 и S/D ? 1,0	0,049	0,0152

2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление в МПа определяется по формуле:

2.8.3 Механический КПД

Механический КПД определяется по формуле:



2.8.4 Эффективный КПД

Отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе на валу двигателя, к общему количеству теплоты, внесённой в двигатель с топливом, называется эффективным КПД ?_е , который определяется по формуле:

2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива в м³/(кВт·ч) определяется по формуле:

Так как теплота сгорания газового топлива колеблется в широких пределах, для газовых двигателей используется показатель - удельный эффективный расход теплоты q_е в кДж /(кВт·ч), который можно определить по формуле:

Рассчитанные эффективные показатели двигателя сравниваются со значениями этих показателей современных двигателей внутреннего сгорания, которые представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Значения эффективных показателей двигателей

Тип двигателя	Показатели
	в МПа			qе в кДж/(кВтч
Газовый	0,4...1,0	0,22...0,38	0,70...0,80	10000...17000

2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объём цилиндра в дм³ определяется по формуле:

где - коэффициенттактностирабочегопроцессадвигателя,для четырёхтактного процесса (? = 4);

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D (показатель S/D) принимается из предела (0,86…1,07).

Диаметр цилиндра D в мм определяется по формуле:

Ход поршня двигателя S в мм определяется по формуле:

Полученные значения S и D округляются в большую сторону до целых чисел чётных или кратных пяти.

Расчетная средняя скорость поршня в м/с определяется по формуле:

Ошибка между принятой величиной в пункте (2.8.1) и рассчитанной по формуле (2.63) в процентах определяется по формуле:

Если , то необходимо пересчитать с пункта 2.8.1, приняв за новое значение рассчитанное значение . Если , то расчёт продолжается с учётом прежнего значения .

По принятым значениям D и S определяют окончательные основные параметры и показатели двигателя.

Рабочий объём одного цилиндра V_h в дм³ определяется по формуле:

Литраж двигателя V_л в дм³ определяется по формуле:

Объём камеры сгорания V_с в дм³ определяется по формуле:

Полный объём цилиндра V_а в дм³ определяется по формуле:

Мощность двигателя в кВт определяется по формуле:

Поршневая мощность двигателя N_n в кВт/дм² определяется по формуле:

Эффективный крутящий момент определяется по формуле:

Часовой расход газообразного топлива в м³/ч определяется по формуле:

2.10 Тепловой баланс

Для анализа характера теплоиспользования и путей его улучшения при расчете двигателя определяются составляющие теплового баланса.

2.10.1 Уравнение теплового баланса

Уравнение теплового баланса имеет вид:

где - общее количество теплоты, введённое в цилиндр, Дж/с;

Q_e - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с;

Q_охл - теплота, отданная охлаждающей среде, Дж/с;

Q_r - теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с;

Q_н.с - теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с;

Q_ост - неучтённые потери теплоты, Дж/с

2.10.2 Общее количество теплоты

Общее количество теплоты в Дж/с определяется по формуле:

2.10.3 Теплота, эквивалентная эффективной работе

Теплота , эквивалентная эффективной работе, в Дж/с определяется по формуле:

2.10.4 Теплота, отданная охлаждающей среде

Теплота , отданнаяохлаждающейсредеприжидкостном охлаждении в Дж/с определяется по формуле:

где с - коэффициент пропорциональности, с = 0,45…0,53;

m - показатель степени, m = 0,6…0,7;

D - диаметр цилиндра, мм

2.10.5 Теплота, унесённая из двигателя с отработавшими газами

Теплота , унесённая из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с определяется по формуле:

где - температура остаточных газов, ^оС; .

- теплоёмкость остаточных газов в кДж/(кмоль ·град), которую можно определить по формуле (2.29) при подстановке в данную формулу значения температуры остаточных газов ;

- теплоёмкость свежего заряда в кДж/(кмоль ·град), которую можно определить по формуле (2.28) при подстановке в данную формулу значения температуры t_o = 20 ⁰C.

2.10.6 Неучтённые потери теплоты

Неучтённые потери теплоты Q_ост в Дж/с определяются по формуле:

Если значение , то то необходимо пересчитать величину , уменьшив значения коэффициента с и (или) показателя m.

2.10.7Относительные значения составляющих теплового баланса

i. Тепловой баланс определяется также в процентах от всего количества введённой теплоты по следующим формулам:

ii.

iii.

iv.

v.

Очевидно, что должно выполняться условие

Рассчитанные значения составляющих теплового баланса сравниваются со значениями у современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания, представленных в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Значения составляющих теплового баланса в процентах

Тип двигателя	Составляющие теплового баланса в процентах
	qe	qохл	qr	qост
Газовый	25…42	15…32	30…45	3…10

Если значение не входят в указанные диапазоны, то необходимо пересчитать величину ( ) изменив значения коэффициента с и (или) показателя m.

А.1 Задание на тепловой расчет

Вариант 2

Тип двигателя - газовый с наддувом;

Давление за компрессором р₀ = 0,2 МПа;

Номинальная мощность N_e=200 кВт;

Номинальная частота вращения n=2200 мин^-1;

Число цилиндров i = 8;

Степень сжатия ? = 11,5;

Охлаждение - жидкостное;

А.2 Тепловой расчёт рабочего цикла

А.2.1 Рабочее тело и его свойства

А.2.1.1 Топливо

Топливом для рассчитываемого двигателя служит компримированный (сжатый) природный газ. Элементный состав топлива представлен в таблице А.2.1.



Таблица А.2.1 - Химический состав природного газа

Объемные доли компонентов природного газа, м3
метан СН4	этан С2Н6	пропан С3Н8	бутан С4Н10	тяжелые углеводороды С5Н12	Углекис-лый газ СО2	азот N2
0,88	0,04	0,01	0,005	0,006	0,009	0,05

Проверка условия ?С_n Н_mО_r+ N₂=1 м³: 0,88+0,04+0,01+0,005+0,006+0,009+0,05=1 м³.

Низшая теплота сгорания Н_u в кДж/ м³ составит

? кДж/ м³

А.2.1.2 Горючая смесь

Теоретически необходимое количество воздуха L₀ в м³ возд./м³ топлива:

Коэффициент избытка воздуха принимаем ?=1,6.

Действительное количество воздуха L в м³ воздуха / м³ топлива

Количество горючей смеси М₁ в м³ гор.см. / м³ топлива

А.2.1.3 Продукты сгорания

Продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О,

избыточного кислорода О₂ и азота N₂.

Количествоотдельныхсоставляющихпродуктовсгоранияв кмоль м³ прод.сгор. / м³ топлива:

ОбщееколичествопродуктовсгоранияжидкоготопливаМ₂в м³ прод.сгор. / м³ топлива:

.

Изменениеколичествамолейрабочеготелаприсгорании?Мв м³ раб.тела / м³ топлива

.

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

А.2.2 Процесс впуска

А.2.2.1 Давление и температура окружающей среды Атмосферные условия: МПа; К.

Температура воздуха за компрессором в градусах Кельвина (К)

А.2.2.2 Давление и температура остаточных газов

Давление остаточных паров в МПа принимаем

Температура остаточных газов принимаем К

А.2.2.3 Степень подогрева заряда

?Т = 10 К.

А.2.2.4 Давление в конце впуска

Принимаем(?_вп+?²)=3,25; средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана ?_вп = 90 м/с

Плотность заряда на впуске в кг/м³

Потери давления во впускном трубопроводе в МПа

Давление в конце впуска в МПа

А.2.2.5 Коэффициент и количество остаточных газов Коэффициент остаточных газов ?_r

Количество остаточных газов М_r в м³ ост.газов / м³ топлива

М_r = 0,0463·18,87= 0,874.

А.2.2.6 Температура в конце впуска

Температура в конце впуска Т_а в градусах Кельвина (К)

А.2.2.7 Коэффициент наполнения

Рассчитанные параметры процесса впуска приведены в таблице А.2.2 в сравнении со значениями этих параметров у современных автомобильных двигателей

Таблица А.2.2 - Значения параметров процесса впуска

Тип двигателя	Параметры
	? ра, МПа	? r	Та, К	?v
Газовый	0,01…0,02	0,04…0,10	340…400	0,70…0,95
Рассчитываемый двигатель	0,0235	0,0463	417,4	0,86

А.2.3 Процесс сжатия

А.2.3.1 Показатель политропы сжатия Средний показатель адиабаты сжатия k₁

k ? 1,4359 ? 0,132 ?10?3 ?417,4 ? 0,1643?10?2 ?11,5 ? 1,362.

Показатель политропы сжатия

n1 ? 1,362 ? 0,001 ? 1,361.

А.2.3.2 Давление и температура конца процесса сжатия

Давление р_а в МПа и температура Т_а в градусах Кельвина (К) в конце процесса сжатия

А.2.3.3 Средняя мольная теплоёмкость рабочей смеси в конце сжатия Температураконцапроцессасжатияt_cвградусахЦельсия(^оС)

tc ? 1008 ? 273 ? 735 K .

Средняя мольная теплоёмкость свежей смеси в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)

Средняя мольная теплоёмкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град)



Таблица А.2.3 - Значения параметров процесса сжатия

Тип двигателя	Параметры
	n1	рс, МПа	Тс, К
Газовый	1,36…1,39	1,2…4,0	650…900
Рассчитываемый двигатель	1,361	4,902	1008

А.2.4 Процесс сгорания

А.2.4.1 Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

А.2.4.2 Температура конца видимого сгорания

Принимаем следующие параметры: коэффициент использования низшеё теплоты сгорания на участке видимого сгорания

Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянно объёме в кДж/(кмоль·град)

Уравнение сгорания

Получаем квадратное уравнение вида

Температура в конце видимого сгорания в градусах Цельсия

Температура в градусах Кельвина (К)

А.2.4.3 Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла

А.2.4.4 Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения

Таблица А.2.4 - Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
	?	с	рz , МПа	Тz , К
Газовый	2,0…3,0	1,0	3,0…10,0	2200…2500
Рассчитываемый двигатель	2,13	1,0	10,44	2180

А.2.5 Процесс расширения

А.2.5.1 Показатель политропы расширения Средний показатель адиабаты расширения

k2 ? 1,33 ? 0,00076?11,5 ? 0,000014? 2180 ? 0,0462?1,6 ? 1,234.

Показатель политропы расширения

n2 ? =1,248.

А.2.5.2 Давление и температура конца процесса расширения

Давление в МПа ии температура в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения



Таблица А.2.5 - Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Параметры
	n2	рь , МПа	Ть , К
Газовый	1,20…1,30	0,30…0,50	1300…1800
Рассчитываемый двигатель	1,234	0,512	1231

А.2.6 Проверка точности выбора температуры остаточных газов

РасчетноезначениетемпературыостаточныхгазовТr

в градусах Кельвина (К)

Расхождение между принятой и рассчитанной

Температура остаточных газов в градусах Цельсия

А.2.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

А.2.7.1 Среднее индикаторное давление

Среднее теоретическое индикаторное давление в МПа

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы принимаем

Среднее индикаторное давление действительного цикла в МПа

А.2.7.2 Индикаторный КПД

Индикаторный КПД

А.2.7.3 Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива vi в м³/(кВт·ч)

Удельный расход теплоты q_i в кДж /(кВт·ч)

qi ? 0,2185 ? 36330 ? 7938 .

Таблица А.2.6 - Значения индикаторных показателей двигателей

Тип двигателя	Показатели
	pi, МПа	?i	qi , кДж/(кВт·ч)
Газовый	0,6…1,4	0,3…0,45	8000…14000
Рассчитываемый двигатель	1,038	0,4543	7938

А.2.8 Эффективные показатели двигателя

А.2.8.1 Давление механических потерь

Принимаем: экспериментальные коэффициенты и ; средняя скорость поршня м/с

Давление механических потерь

А.2.8.2 Среднее эффективное давление

Среднее эффективное давление в МПа

А.2.8.3 Механический КПД

А.2.8.4 Эффективный КПД

А.2.8.5 Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива в м³/(кВт·ч)

Удельный расход топлива в кДж /(кВт·ч)

Таблица А.2.7 - Значения эффективных показателей двигателей

Тип двигателя	Показатели
	ре, МПа	?е	?м	qе , кДж/(кВт·ч)
Газовый	0,4…1,0	0,22…0,38	0,70…0,80	10000…17000
Рассчитываемый двигатель	0,8802	0,384	0,848	9373

А.2.9 Основные параметры и показатели двигателя

Рабочий объём цилиндра в дм³

Принимаем отношение линейных размеров цилиндра S/D=1

Диаметр цилиндра двигателя D в мм

Ход поршня двигателя S в мм:

Полученные значения S и D округляем в большую сторону до чётного числа : D=126 мм; S= 126 мм

Окончательная средняя скорость поршня в м/с

Ошибка выбора

Ввиду малого расхождения м/с

Рабочий объём одного цилиндра в дм³

Литраж двигателя в дм³

Объём камеры сгорания в дм³

Полный объём цилиндра в дм³

Эффективная мощность двигателя в кВт

Поршневая мощность двигателя в кВт/дм²

Эффективный крутящий момент

Часовой расход газообразного топлива в м³/ч

А.2.10 Тепловой баланс

Общее количество теплоты в Дж/с

Теплота , эквивалентная эффективной работе, в Дж/с

Принимаем и . Тогда , отводимая охлаждающей жидкостью, в Дж/с

Теплота , унесённая из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с

Неучтённые потери в Дж/с

Тепловой баланс в процентах от всего количества введённой теплоты:

Таблица А.2.8 - Значения составляющих теплового баланса в процентах

Тип двигателя	Составляющие теплового баланса в процентах
	qe	qохл	qr	qост
Газовый	22…42	15…32	30…45	3…10
Рассчитываемый двигатель	38,4	16,32	40,18	5,1

Размещено на Allbest.ru