Расчет теплового двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Контрольная работа по теме:

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Тюмень 2003

1. Тепловой расчет двигателя

При тепловом расчете вновь проектируемого двигателя предварительно рассчитывают параметры действительного цикла, строят индикаторную диаграмму и определяют основные размеры: диаметр и ход поршня.

Исходными данными являются: - мощность (номинальная), - частота вращения (номинальная), степень сжатия, - число цилиндров, - коэффициент избытка воздуха.

В ходе расчета необходимо задаваться некоторыми коэффициентами, принимая во внимание данные по существующим двигателям.

Порядок расчета следующий.

1.1. Процессы впуска и выпуска

Нормированные параметры давления и температуры: окружающей среды составляют: P0 = 0,1 МПа и Т0 = 288, К. Гидравлические характеристики впускной системы

Ад = 0,525 - 125 / 1750 = 0,525-0,0714=0,453 (дизель)

м/с (0,14*1750)/30=8,1

Принимая находим скорость заряда в горловине клапана

3,5*8,1=28,35м/с

0,1-0,453*803,72*10^-5=0,1-0,0000349=0,099 МН/м2;

Принимаем (в зависимости от типа ДВС и способа смесеобразования) давление и температура на впуске

МН/м2;

0,1*(1+0,43*10^-4*1750)=0,1*(1+ 0,43*0,175)=0,107 МН/м2;

К (дизель)

Tr=1470/16,5+1150/1,5-436+0,08*1750=89,09+766,6=419,69+140=559,69

Принимая T для ДВС с жидкостным охлаждением (10…200), с воздушным (20…400) коэффициент остаточных газов согласно:

Yr =288+ 40 /559,69*0,107/16,5*0,099-0,17=328/559,69*0,107/1,46=0,04

Температура в конце впуска и коэффициент наполнения согласно

Ta=288+40+0,04*559,69/1+0,04= 328+22,38/1,04=336,9

Nv =16,5*0,099-0,107/(16,5-1)*0,1*288/288+40=1,52/1,55*1,13=0,852

Таблица 1 - Интервалы изменения параметров процесса наполнения.

1.2 Параметры процесса сжатия

Для дизеля при отсутствии достоверной информации о температуре самовоспламенения дизтоплива с ЦЧ = 45 ед. её определяем через уровень октанового числа по

ОЧ = 120 - 2 ЦЧ ОЧ=120-2*45=30

ТСВ = 1,2 (ОЧ) + 1,0210-2 (ОЧ)2 + 645, К.

ТСВ = 1,230 + 1,0210-2302 + 645 = 690, К.

Основываясь на

K=(690+260)-2,52 /1,21=0,37

с учетом n1 = K + 1. n1=0,37+1=1,37

Исходя из этого, получим температуру и давление в конце сжатия для обоих типов ДВС.

К.

Tc =336,9*16,5^0,37=950

МН/м2.

Pc =0,099*16,5^1,37=4,6

Таблица 2 - Интервалы изменения параметров процесса сжатия в ДВС

1.3 Параметры процесса сгорания

Для дизеля и инжекторного ДВС Потребное количество воздуха при стехиометрическом составе смеси

кмоль/кг.топл,

L0 =1/0,21*(0,87/12+0,126/4-0,004/32)=0,4946

и свежего заряда

MI = L0 + I / mT. кмоль/кг.топл.

М1 = 1,50,4946 = 0,742 кмоль/кг.топл

Количество компонентов продуктов сгорания согласно и суммарное количество по

в кмолях/кг.топлива,

M2 = 0,0752+0,052+0,063+0,586



кмоль/кг. топл.

М2 = 0,0725 + 0,063 + 0,052 + 0,586 = 0,7735 кмоль/кг.топл., т.е. результаты расчетов совпадают.

Химический и действительный коэффициенты молекулярного изменения согласно

и

Для различных типов двигателей на мощностном номинале принимаются следующие значения :

Таблица 3

1.4 Термодинамический расчет

Для дизеля и инжекторного ДВС Теплоемкость и внутренняя энергия свежего заряда согласно

кДж/кмоль. град. И

(СV)с =20,6+0,00263*951=23,1 кДж/кмоль. град.

кДж/кмоль.

23,1*951=21968,1

И внутренняя энергия продуктов сгорания при > 1 согласно

кДж/кмоль,

(СV)с =20,6 + 0,00263951 =23,1 кДж/кмоль. град.

при значении коэффициентов а и в из табл. 5.

Для дизельных модификаций ДВС характерно высокое значение показателя динамичности процесса сгорания, оцениваемое по формуле

P/ = QV/QP = tg .

Поэтому скорость нарастания давления Р/ выбираем ближе к верхнего пределу

Р/ = tg = 3,78,

откуда

= 75010; и KV =sin = 0,9667.

Подставляем составляющие в уравнение сгорания

откуда

кДж/кмоль,

 кДж/кмоль,

а также по

кДж/кмоль.

кДж/кмоль.

Температура в точке Z процесса сгорания по

tZ = AUZV + B, 0C. и TZ = tZ + 273, K.

tZ = 0,031371188 + 253 = 2228 + 253 = 2481 °C.

ТZ = 2481 + 273 = 2754, К.

и значениях коэфф. А и В по табл., при

Таблица 4

Степень предварительного расширения по

= 1 + (15,6 - 1)(1 - 0,9667) = 1 + 14,60,0333 = 1,47 .

Давление сгорания по зависимости.

Степень последующего расширения и степень повышения давления по зависимостям

Давление сгорания по зависимости

МН/м2.

МН/м2.

Степень последующего расширения и степень повышения давления по зависимостям

= /. , .

= 15,6/1,47 = 10,6;

1.5 Параметры процессов расширения и выпуска

Для бензинового ДВС. Для точки при z условии X = KV, показатель адиабаты

И для точки в индикаторной диаграммы по



температура для которой К.

А также по формуле

Усредненная величина по первым двум значениям

Имея в виду, что n2 < К2, принимаем n2. В соответствии с

и

температура и давление в точке в процесса расширения .

Для дизеля. Значение показателя политропы расширения по упрощенной зависимости

И по методике И.И.Вибе для участка диаграммы прилегающего к точке Z по

при условии К2 n2 и X = KV = sin

Аналогично, для точки в с учетом Х = KV = 1,0 по



Усредненное значение в процессе расширения согласно

и температуре по

К.

Усредненное значение в процессе расширения согласно

Принимая во внимание, что n2 < K2 найдем усредненное по двум методикам значение принимаем n2.

Давление и температура в точке в индикаторной диаграммы по зависимостям

и

МН/м2.

К.

1.6 Индикаторные показатели

Теоретическое и действительное среднее индикаторное давление

МН/м2.

При принятом n = 0,95 среднее индикаторное давление действительного цикла по

Pi = n Pi Pr, МН/м2,

где n - коэффициент полноты диаграммы, учитывающий скругления;

Pr - удельная работа газообмена (насосные потери) за цикл

и

Pr = Pr - Pa , МН/м2.

Индикаторный КПД и индикаторный расход топлива

г/кВтч.

Практические значения индикаторных показателей рабочего процесса

Таблица 5

1.7 Эффективные показатели

Таблица 6 - Приближенные значения коэффициентов А и В для двигателей различного типа

Давление механических потерь механический КПД согласно

Pм = A + B Cп, МН/м2.

и Ре = Рr - PM, Нм,,

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива

 г/кВтч.

По формуле

оценим также степень совершенства рабочего цикла через относительный КПД g. Недостающую информацию о термическом КПД t найдем вначале по упрощенной зависимости

где m = К - 1 - значение условного усредненного показателя политропы.

Величину условного показателя адиабаты К в зависимости от коэффициента избытка воздуха можно найти по зависимостям:

Интервалы изменения эффективных показателей ДВС приведены в таблице 7.

Литраж двигателя по

л.

и объём цилиндра по

л.

Принимая = S/ДЦ по прототипу и находим диаметр цилиндра

мм.

Эффективная мощность по

кВт.

Часовой расход топлива по

кг/час.

Литровая мощность, т.е. мощность, приходящаяся на 1,0 л. рабочего объёма двигателя согласно

 кВт/л.

И крутящий момент двигателя по Нм

Таблица 8 - Характеристика двигателей

Модель двигателя	Nе кВт	n		Dмм	S мм		Vл	gе
Прототип
Проектир.

2. Построение индикаторной диаграммы

В основу методики построения политропы расширения положена разработка являющаяся разновидностью метода переменной степени сжатия двигателя. Для ДВС автотракторной размерности обычно выбирают ход поршня Sn = Vh по оси V в масштабе М 1:1.

По оси давлений Р масштаб выбирают с таким расчетом, чтобы ордината точки Рz находилась в интервале 150…200 мм.

мм; мм.

Расстояние точки Z от начала координат V = VC мм. Максимальное давление в точке Z

мм.

Ординаты характерных точек:

мм; мм; мм;

мм; мм.

Для построения индикаторной диаграммы на базе аналитического метода выбирают величину или же 1/ в интервале реального изменения. После нанесения на поле графика в Р - V координатах вычисленных выше характерных точек, промежуточные значения давлений на ветвях сжатия - расширения рассчитываем и наносим через 30° п.к.в..

Для предварительной разбивки по оси перемещений V из данных теплового расчета находим абсолютную величину радиуса кривошипа

мм.

По заимствованным из таблицы значениям f(SП) подстановкой R находим абсолютное значение SX = R f(SП). Например, для первой точки при = 30°, f(SП) получим

SX = R f(SП) мм.

Предварительно вычислив значение f(x) с использованием f(SП) из табл. 9.

Таблица 9

по соотношению

найдем текущее (промежуточное) значение степени сжатая, т.е. f(x) И давление сжатия в этой промежуточной точке согласно

МН/м2.

Задаваясь + = 0,12 и = 0,16 посредством 1 и 2 уточняем положение точек Z1 и Z2 на индикаторной диаграмме, т.е.

1 = - 1;

2 = + ;

мм;

мм.

По

находим f() как постоянную корректирующую поправку к степени последующего расширения х на ветви расширения

и величина n, т.е. значение х в точке Z2 с учетом

 мм.

Функция последующего расширения согласно

f(n) = f(x) - f(),

При малых значениях величин P/, а следовательно соответствующих им больших значениях возможны случаи когда f() > f(x) и f(n) приобретает отрицательное значение. Это означает, что точка Z2 лежит правее 30° п.к.в..

Принимая во внимание, что координата очередной точки при 60° п.к.в. удалена на значительное расстояние от ВМТ, необходимо выбрать промежуточную точку на оси перемещений, например После чего для этой точки находим

а также расстояние от начала координат Vх = Vс+Sх мм. И на разметке оси перемещений её желательно выделить пунктирной линией. Последующие расчеты следует выполнять с привязкой к этой промежуточной точке, соблюдая принятую их последовательность по вышеописанной схеме.

Продолжая расчет по нормальной схеме найдем текущее значение х по

Х= (n - 1) f(n) + 1,

х = (n - 1) f(n) + 1

Давление в этой точке по зависимости

МН/м2;

После выполнения расчетов для удобства пользования и анализа их результаты сводим в таблицу, Выбирая согласно

Рс" = (1,15 1,25) PC

находим давление в точке С" индикаторной диаграммы, т.е. а также с учетом принятого масштаба мм.

Таблица 10

Параметр	Положение поршня
	0	1	2	3	4	5	6
	12	11	10	9	8	7	6
0, п.к.в.	0	30	60	90	120	150	180
	360	330	300	270	240	210	180
f(Sп)
Sп, мм от ВМТ
f(аx)
x
Рсх, Мн/м2
Рсх, мм
f(аn)
xn2
PBX. МН/м2
PBX. мм

Пользуясь этими табличными данными размечают ветви сжатия и расширения, как это проиллюстрировано на индикаторной диаграммы ДВС бензиновой модификации.

Двигатель в достаточной мере быстроходен и при отсутствии паспортных данных, рекомендованных заводом - изготовителем для обеспечения газообмена принимаем: начало открытия впускного клапана (точка r) за 200 до ВМТ, а закрытие (точка а) через 600 после НМТ; начало открытия выпускного клапана (точка в) 500 до НМТ, а закрытие (точка а") - 25° от НМТ. С учетом частоты вращения коленвала двигателя принимаем угол опережения зажигания з = 25°, а продолжительность периода задержки воспламенения i = 5,0°.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения, углом опережения зажигания и периодом задержки воспламенения определяется положение точек r, a, a, c, f и в по формуле перемещения

f(Sn)

Рис. 1 - Индикаторная диаграмма расчетного цикла бензиновой модификации ДВС

Результаты расчетов ординат этих точек сведены в табл. 11.

Таблица 11

Обозначение точек	Положение точек	0	f(Sп)	Расстояние точек от ВМТ, мм
r'	200 до ВМТ	20
a'	250 после ВМТ	25
a"	600 после НМТ	120
c'	250 до ВМТ	25
f	200 до ВМТ	20
в'	500 до НМТ	130

Полученные расчетным путем точки на ветвях сжатия и расширения после нанесения на график соединяют лекальными кривыми. Соединяя плавными кривые точки r c a, f c C" , выполняя традиционно скругление у точка Z, на ветви расширения в' с в и линией впуска, получим скругленную индикаторную диаграмму в значительной мере приближающуюся к диаграмме действительного цикла raacfСZ1ZZ2ввr. Точность воспроизведения диаграммы действительного цикла в значительной мере зависит также от обоснованности выбора фаз газораспределения, угла опережения зажигания и определяющих характеристик процессов рабочего цикла двигателя.

Для дизеля. Скругления индикаторной диаграммы с учетом фаз газораспределения выполняется с ориентацией на прототип. При отсутствии достоверных данных по прототипу их выбирают в соответствии общепринятыми рекомендациями теории ДВС, базирующихся на статистических данных.

Принимая во внимание отсутствие достоверной информации по прототипу, ориентировочно принимаем значения определяющих параметров: начало открытая впускного клапана (точка r') - за 25° до ВМТ и окончание открытого состояния (точка а) - 60° после НМТ; выпуск - начало (точка в) за 50° до НМТ и окончание (точка а) - 250 после ВМТ. С учетом уровня быстроходности дизеля принят угол опережения топливоподачи за 20° до ВМТ (точка с') и продолжительности периода задержки воспламенения 1 = 8,0° (точка f). Расчетные координаты этих точек на индикаторной диаграмме сведены в табл. 12.

Таблица 12

Обозначение точек	Положение точек	0	f(Sп)	Расстояние точек от ВМТ, мм
r'	200 до ВМТ	25
a'	250 после ВМТ	-
a"	600 после НМТ	120
c'	200 до ВМТ	20
f	(20-6)0 до ВМТ	12
в'	300 до НМТ	150

Найденные расчетным путем точки на ветвях сжатия и расширения наносят на график и соединяют лекальными кривыми. На рис.2. представлена индикаторная диаграмма поршневого, ДВС дизельной модификации.

Рис. 2 - Индикаторная диаграмма дизельной модификации ДВС

3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

дизель двигатель внутренний сгорание

Построение кривых скоростной характеристики ведется в интервале от nmin = nn/4, мин-1 до nmax=(1,1…1,2)nn. Расчетные точки выбираются через каждые 500…1000, мин-1.

Расчетные точки кривой эффективной мощности определяются по эмпирическим зависимостям: для бензиновых двигателей

, кВт;

для дизелей с неразделенными камерами сгорания

, кВт,

где Nen - номинальная мощность двигателя, кВт; nn - частота вращения коленвала в минуту при Nen; Neх и nх - эффективная мощность в кВт и частота вращения в минуту в расчетных точках скоростной характеристики.

По расчетным точкам строится кривая эффективной мощности двигателя. Точки кривой эффективного вращающего момента определяются по формуле

, Н•М.

Величина среднего эффективного давления Pех для расчетных точек может быть определена из выражения

 , МПа.

где - количество тактов;

Vh - объем одного цилиндра;

i - количество цилиндров.

Точки кривой среднего давления трения определяется в соответствии с конструктивными особенностями двигателя по эмпирической формуле

рмх = А + В • Сnx , МПа,

коэффициенты А и В для разных типов двигателей приведены в таблице

Таблица 13

Тип двигателя	А	В
Карбюраторные S/D>1,0	0,049	0,0152
Карбюраторные S/D<1,0	0,039	0,0132
Дизели с неразделенной камерой	0,103	0,0118

Сnx - средняя скорость поршня;

Сnx = S•nx/30

Точки кривой среднего индикаторного давления определяются по формуле

рix = рex + рmx, МПа.

Расчетные точки индикаторного крутящего момента могут быть определены из выражения

, Н•м.

Масштаб коэффициента наполнения v определяется из уравнения

, 1/Н•м.

где С - постоянная величина, равная отношению значений коэффициента наполнения к индикаторному крутящему моменту при максимальной мощности. Значения vх в остальных расчетных точках определяются из выражения

vх = Тix•C.

Кривая удельного эффективного расхода топлива строится с использованием зависимости

, г/кВт•ч,

где х - коэффициент избытка воздуха в расчетных точках.

Для определения gex в расчетных точках необходимо задаться законом изменения по частоте вращения. Для карбюраторных двигателей с достаточной степенью точности можно принять значения постоянным на всех скоростных режимах, кроме минимальной частоты вращения. При nx = nmin , следует принимать несколько обогащенный состав смеси, чем при nx = nn , т.е. n min<n n.

В дизелях при работе по скоростной характеристике с увеличением частоты вращения значение несколько увеличивается. Для четырехтактного дизеля с непосредственным впрыском топлива можно принять линейное изменение .

Для карбюраторных двигателей при nmin изменяется в пределах 0,75…0,85, а при nn = 0,85…0,95.

Для дизелей без наддува при nmin = 1,1…1,3, а при n = 1,2…1,7.

Часовой расход топлива определяется по уравнению

Bтх = gex • Nex • 10-3, кг/ч.,

Все результаты расчетов рекомендуется поместить в таблицу и построить внешнюю скоростную характеристику (зависимость Pe, Te, pe, pi, Ti,Bт, bе,v, от n).

Таблица 14

n мин-1	параметры внешней скоростной характеристики
	Ne	Te	Pe	pм	pi	Ti	v		gе	Bт
nmin = nn/4
…
nmax=(1,1…1,2)nn

Для дизеля строится регуляторная ветвь скоростной характеристики из условия, что на этом участке мощность, момент и часовой расход топлива изменяются по линейному закону. При работе на регуляторе частота вращения изменяется от до (максимальной частоты вращения на холостом ходу)

где - коэффициент неравномерности регулятора, принимается в пределах 0,07…0,08.



Рис. 3 - Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 - Скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью

ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ДВС

1. Пример теплового расчета бензинового двигателя

Задание: выполнить тепловой расчет ДВС, вычислить среднее индикаторное давление, удельный и часовой расходы топлива, построить индикаторную диаграмму по следующим исходным данным.

Эффективная мощность .……Ne = 72 кВт;

Частота вращения коленвала n = 4500 мин-1;

Топливо - автобензин ……. АИ-91, ОЧ = 84.

Прототип: автомобильный двигатель карбюраторной модификации ЗМЗ. = 8,2, охлаждение жидкостное. Дц/Sn = 92/92 мм = 0,092 м.

Параметры наполнения и очистки цилиндров ДВС

Нормированные параметры давления и температуры: окружающей среды составляют: PO = 0,1 МПа и ТO = 288, К. Гидравлические характеристики впускной системы

м/с

Принимая находим скорость заряда в горловине клапана

Wвн = 3,5 13,8 = 48,3 м/с, т.е. в пределах нормы.

Ра = 0,1 - 0,6666 48,32 10-5 = 0,1 - 0,0107 = 0,089 МН/м2. Принимая =0,95 давление и температура на впуске

Рr = 0,1(1 + 0,431044500) = 0,119 МН/м2;

К.

Принимая T = 150, коэффициент остаточных газов согласно

Температура в конце впуска и коэффициент наполнения согласно

 К;

Параметры процесса сжатия

Нормальное (бездетонационное) сгорание обеспечивается температурным резервом ТС между температурой самовоспламенения ТСВ топлива и ТС конца сжатия в среднем ТС = ТСВ - TC = 146°. Температура самовоспламенения топлива в функции (ОЧ) рассчитывается по ТСВ = 1,2 (ОЧ) + 1,0210-2 (ОЧ)2 + 645, К.

ТСВ = 1,2 84 + 1,0210-2842 + 645 = 818, К.

С учетом этого допустимая температура конца сжатая в бензиновой модификации

согласно Тсб = ТСВ - ТС , К, Тсб = 818 - 146 = 672, К.

При расчетной величине = 7,3, усредненном значении Та = 335, К находим показатель политропы сжатия на детонационно опасном режиме перегрузки при n = 800 1000 мин-1 по с учетом n1 = K + 1

n1 = 0,35 + 1 = 1,35.

И, аналогично, при расчетном значении Та = 342, К на мощностном номинале при = 8,0

n1 = 0,32 + 1 = 1,32.

Таким образом применительно к пересжатому двигателю для бездетонационной работы на мощностном номинале величина показателя политропы сжатия n1 не должна превышать 1,32. В то же время естественной тенденцией является рост n1 = f(n). Исходя из этого принимаем для расчета n1 = 1,35 и согласно получим

К.

Также и по соотношению , учитывающему рост n1 = f(n)

И соответствующая ему температура конца сжатия

ТС = 342 8,00,366= 342 2,14 = 732, К, (4590С)

И давление МН/м2.

Проверка на вероятность самовоспламенения (дизелинг) вследствие ощутимого пересжатия = 8,0 -7,3 =0,7 ед.. Следовательно, фактический температурный резерв в абсолютном выражении

Тсв = Тсв - ТС = 818 - 732 = 86°;

и, соответственно, в относительном долевом выражении, обозначая

Т = 146 Тсв = 146 - 86 = 60°. получим т.е. 59%.

Столь большое сокращение температурного резерва для предотвращения детонационного характера сгорания на фоне высокой чувствительности топлива к самовоспламенению и в первую очередь низкооктановых фракций неминуемо должны найти свое проявление в виде дизелинга, что и наблюдается на практике в большеразмерных пересжатых двигателях.

Параметры процесса сгорания

Потребное количество воздуха для сжигания 1,0 кг топлива и количество свежего заряда при mТ = 115 находим

кмоль/кг топл.

MI = L0 + I / mT. где МI - количество горючей смеси (кмоль гор.см / кг топл.); mT - молекулярная масса паров топлива, кг / кмоль.

кмоль гор см/кг. топл.

Доля углерода, окислившегося до СО

co = 3,018 (1 - 0,95) = 0,151.

Количество компонентов продуктов сгорания в кмоль/кг. топл.



Суммарное количество газов в рабочем теле

кмоль / кг топл.

М2 = 0,0108 + 0,06049 + 0,0725 + 0,383 = 0,527 кмоль.

Химический и действительный коэффициенты молекулярного изменения по и

Термодинамический расчет

Теплотворность топлива с учетом теплопотерь от недогорания при работе на обогащенной смеси 1,0 согласно

Ни = 119,95 (1 - ) L0, МДж / кг,

Hu = 119950(1 - 0,95)0,51 = 3059 кДж/кг. топл.,

Hu = 44000 - 3059 = 40941 кДж/кг. топл. Принимаем Нu = 40940.

Теплоемкость и внутренняя энергия свежего заряда в точке С индикаторной диаграммы согласно

(СV)C = 20,6 + 0,00263 459 = 21,81 кДж/кмоль. град;

Uc = 2I,8I 459 = 10011 кДж.

С учетом и значений коэффициентов а = 4557 и в = 0,0262 при = 0,95, внутренняя энергия остаточных газов

кДж.

Подставляя в уравнение сгорания, получим



И по кДж/кмоль.

Быстроходные двигатели и в особенности пересжатые и с большим диаметром цилин

дра отличаются, обычно, высокой жесткостью протекания процесса сгорания. С учетом этого выбираем уровень скорости нарастания давления ближе к верхнему пределу, т.е. P/ = 0,35 МПа/0 п.к.в. (P/ = 3,5 кг/см2/0 п.к.в.), что дает P/ = tg = 3,5. Следовательно, = 74°; КV=sin = 0,9613.

По вычисляем долю температурного компонента в суммарной энергетическом характеристике

кДж/кмоль.

Температура сгорания с учетом tZ = AUZV + B, 0C. и TZ = tZ + 273, K. при A =0,03024 и В = 252 из табл. 6.2 tZ = 0,03024 79969 + 252 = 2418 + 252 = 2670 °С;

и, соответственно, в градусах Кельвина ТZ = 2670 + 273 = 2943, К. Степень предварительного расширения согласно = 1 + (8 - 1) (1 0,9613) = 1 + 0,2709 = 1,271.

Давление сгорания согласно

МН/м2.

Степень повышения давления = PZ/PC и степень последующего расширения по = /.

Параметры процессов расширения и выпуска

Для точки при z условии X = KV, показатель адиабаты



И для точки в индикаторной диаграммы по

температура для которой

К.

К2 = 1,27.

А также по формуле n2 = 1,15 + 450/4500 = 1,25.

Усредненная величина по первым двум значениям

Имея в виду, что n2 < К2, принимаем n2 = 1,25. В соответствии с и температура и давление в точке в процесса расширения

ТВ = 2943/6,290,25 = 2943/1,584 = 1858, К;

PB = 5,05/6,291,25 = 5,05/9,96 = 0,507 МН/м2.

Индикаторные показатели

Теоретическое и действительное среднее индикаторное давление

Pr = Pr - Pa , МН/м2.

МН/м2.

Принимая коэффициент полноты диаграммы n = 0,95 получим

Pi = 1,14 0,95 - 0,03 = 1,053 МН/м2

Индикаторный КПД и индикаторный расход топлива

г/кВтч.

Эффективные показатели

Давление механических потерь м механический КПД согласно Pм = A + B Cп, МН/м2. и Ре = Рr - PM, мН,, при А = 0,049 и В = 0,0152 по табл. № 3, СП =I3,8 м/с

РМ = 0,049 + 0,015213,8 = 0,049 + 0,21 = 0,259 МН/м2

Ре = 1,053 - 0,259 = 0,794 МН/м2; м = 1 - 0,259/1,053 = 0,754.

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива

г/кВтч. (227 г/э.л.с.ч.),

т.е. близко к реальному значению.

По формуле оценим также степень совершенства рабочего цикла через относительный КПД g. Недостающую информацию о термическом КПД t найдем вначале по упрощенной зависимости , где m = К - 1 = 0,362 - значение условного усредненного показателя политропы.

Величину условного показателя адиабаты К в зависимости от коэффициента избытка воздуха можно найти по зависимостям:

К = 0,120,95 + 1,232 = 1,346 .

откуда

С учетом этого, получим

Относительный КПД согласно с расчетом t по упрощенной формуле

и, соответственно, по более сложной зависимости

Аналогично, оценочный КПД по где ех - достигнутый уровень эффективности; еэ - экстремальное значение эффективности рабочего цикла (двигателя), еэ = 0,52.

Значение оценочного КПД ео = 0,548 свидетельствует о недопустимо низком уровне степени совершенства рабочего процесса двигателя.

Интервалы изменения эффективных показателей ДВС приведены в таблице

Литраж двигателя по и объём цилиндра по

л.; л.

Принимая = S/ДЦ = 1,0 по прототипу из находим диаметр цилиндра

т.е. 91,9 мм.

Округляя до четного числа, принимаем S = ДЦ = 92,0 мм, что совпадает с размерностью прототипа. Тогда фактический литраж двигателя

л.

и его эффективная мощность по кВт.

превышение обусловлено принятым высоким значением Р/

Часовой расход топлива по GT = 72,8 308,5410-3 = 22,46 кг/час.

Литровая мощность, т.е. мощность, приходящаяся на 1,0 л. рабочего объёма двигателя согласно кВт/л.

И крутящий момент двигателя по

Нм.

Построение индикаторной диаграммы

Масштабы диаграммы: хода поршня МS = 1,0 мм в мм; давлений

МP = 0,025 МН/м2 в мм.

мм; мм.

Расстояние точки Z от начала координат V = VC=13,141,271=16,7 мм. Максимальное давление в точке Z

мм.

Ординаты характерных точек:

 мм; мм; мм;

мм; мм.

Для построения индикаторной диаграммы на базе аналитического метода выбирают

величину или же 1/ в интервале реального изменения. Нами выбрано значение 1/ = 3,6; ( = 0,28).

После нанесения на поле графика в Р - V координатах вычисленных выше характерных точек, промежуточные значения давлений на ветвях сжатия - расширения рассчитываем и наносим через 30° п.к.в..

Для предварительной разбивки по оси перемещений V из данных теплового расчета находим абсолютную величину радиуса кривошипа

мм.

По заимствованным из таблицы значениям f(SП) подстановкой R находим абсолютное значение SX = R f(SП). Например, для первой точки при = 30°, f(SП) = 0,169, получим

SX = R f(SП) = 46 0,169 = 7,8 мм.

Предварительно вычислив значение f(x) с использованием f(SП) из табл.

по соотношению найдем текущее (промежуточное) значение степени сжатая, т.е. f(x) = 0,169/2,0 = 0,0845;

И давление сжатия в этой промежуточной точке согласно

Рсх = 0,0896,0251,36 = 0,089 8,025 = 0,80 МН/м2.

Задаваясь + = 0,12 и = 0,16 посредством 1 и 2 уточняем положение точек Z1 и Z2 на индикаторной диаграмме, т.е.

1 = - = 1,271 - 1,2710,16 = 1,271 - 0,20336 = 1,068;

2 = + = 1,271 + 1,2710,12 = 1,271 + 0,153 = 1,424;

мм;

мм.

По находим f() как постоянную корректирующую поправку к

степени последующего расширения х на ветви расширения

и величина n, т.е. значение х в точке Z2 с учетом

мм.

Функция последующего расширения согласно f(n) = f(x) - f(),

f(n) = f(x) - f() = 0,0845 - 0,039 = 0,0455.

При малых значениях величин P/, а следовательно соответствующих им больших значениях возможны случаи когда f() > f(x) и f(n) приобретает отрицательное значение. Это означает, что точка Z2 лежит правее 30° п.к.в..

Принимая во внимание, что координата очередной точки при 60° п.к.в. удалена на значительное расстояние от ВМТ, необходимо выбрать промежуточную точку на оси перемещений, например мм. После чего для этой точки находим

а также расстояние от начала координат Vх = Vс+Sх=I3,I4+20=33,14 мм. И на разметке оси перемещений её желательно выделить пунктирной линией. Последующие расчеты следует выполнять с привязкой к этой промежуточной точке, соблюдая принятую их последовательность по вышеописанной схеме.

Продолжая расчет по нормальной схеме найдем текущее значение х по Х= (n - 1) f(n) + 1, х = (n - 1) f(n) + 1 = (6,212 - 1) 0,0455 = 1,237.

Давление в этой точке по зависимости

Pвх = 5,05/1,2371,25 = 3,87 МН/м2;

и в принятом масштабе

Рвх = 3,87/0,025 = 154,8 мм.

После выполнения расчетов для удобства пользования и анализа их результаты сводим в таблицу, Выбирая согласно Рс" = (1,15 1,25) PC находим давление в точке С" индикаторной диаграммы, т.е.

МН/м2.

а также с учетом принятого масштаба

мм.

Таблица 15

Пользуясь этими табличными данными размечают ветви сжатия и расширения, как это проиллюстрировано на индикаторной диаграммы ДВС бензиновой модификации.

Двигатель в достаточной мере быстроходен и при отсутствии паспортных данных, рекомендованных заводом - изготовителем для обеспечения газообмена принимаем: начало открытия впускного клапана (точка r) за 200 до ВМТ, а закрытие (точка а) через 600 после НМТ; начало открытия выпускного клапана (точка в) 500 до НМТ, а закрытие (точка а") - 25° от НМТ. С учетом частоты вращения коленвала двигателя принимаем угол опережения зажигания з = 25°, а продолжительность периода задержки воспламенения i = 5,0°.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения, углом опережения зажигания и периодом задержки воспламенения определяется положение точек r, a, a, c, f и в по формуле перемещения f(Sn) . Результаты расчетов ординат этих точек сведены в табл. 16.

Таблица 16

Полученные расчетным путем точки на ветвях сжатия и расширения после нанесения на график соединяют лекальными кривыми. Соединяя плавными кривые точки r c a, f c C" , выполняя традиционно скругление у точка Z, на ветви расширения в' с в и линией впуска, получим скругленную индикаторную диаграмму в значительной мере приближающуюся к диаграмме действительного цикла raacfСZ1ZZ2ввr. Точность воспроизведения диаграммы действительного цикла в значительной мере зависит также от обоснованности выбора фаз газораспределения, угла опережения зажигания и определяющих характеристик процессов рабочего цикла двигателя.

Пользуясь банком надежных статистических данных представляется возможным производить расчеты в замкнутом расчетном цикле с широким использованием современных средств вычислительной техники. Исходя из этих позиций проиллюстрированный на этом примере новый метод теплового расчета является составном частью (скажем, наиболее важной) в цикле реального проектирования ДВС поршневого типа.

4. Пример теплового расчета дизельной модификации

Задние: выполнить тепловой расчет, установить размеры цилиндра, построить индикаторную диаграмму по исходным данным.

Эффективная мощность Ne = 250 кВт;

Частота вращения коленвала n = 1800 мин-1;

Число цилиндров i = 8;

Топливо дизельное автотракторное ЦЧ = 45 ед.

Прототип двигатель тракторного типа V - образной компоновке с воздушным охлаждением. Размерность 15/15 см с камерой типа ЦНИДИ, степень сжатия = 15,6, коэффициент избытка воздуха = 1,5. Элементный состав топлива: С = 0,87, Н = 0,126, ОТ = 0,004; теплотворность Hu = 42000 кДж/кг,

PО = 0,1 МН/м2, ТО = 0,1 К.

Параметры наполнения

Гидравлическая характеристика согласно и

Принимая отношение FП/fкл = 3,5, скорость воздушного потока в проходном сечении впускного клапана и давление на впуск по

Wвп = 3,59,0 = 31,5 м/с.

Ра = 0,1 - 0,45631,5210-5 = 0,0908 МН/м2.

Давление и температура газов на выпуске согласно и

Рr = 0,1/l + 0,4310-41800 = 0,108 МН/м2;

К.

При Т = 40° в связи с более высоким подогревом в ДВС с воздушным охлаждением, коэффициент остаточных газов согласно

Температура заряда в конце впуска с учетом

К.

И коэффициент наполнения по

При отсутствии достоверной информации о температуре самовоспламенения дизтоплива с ЦЧ = 45 ед. её определяем через уровень октанового числа по ОЧ = 120 - 2 ЦЧ,, т.е. ОЧ = 120 - 2,45 = 30 ед.

С учетом этого температура самовоспламенения топлива по

ТСВ = 1,2 (ОЧ) + 1,0210-2 (ОЧ)2 + 645, К.

ТСВ = 1,230 + 1,0210-2302 + 645 = 690, К.

Основываясь на при ТС = 260° найдем значение показателя политропы сжатая

Определим также значение n1 по формуле

Принимая во внимание, что двигатель с воздушным охлаждением обладает более высокими значениями температуры цилиндро-поршневой группы, принимаем более высокое значение n1 = 1,372. С учетом этого, давление и температура в конце сжатия по и

Рс = 0,090815,61,372 = 0,090843,35 = 3,94 МН/м2;

Тс = 34215,60,372 = 3422,78 = 951, К.

Параметры процесса сгорания

Потребное количество воздуха при стехиометрическом составе смеси по

кмоль/кг.топл,

и свежего заряда М1 = 1,50,4946 = 0,742 кмоль/кг.топл.

Количество компонентов продуктов сгорания согласно и суммарное количество по в кмолях/кг.топлива,

кмоль/кг. топл.

М2 = 0,0725 + 0,063 + 0,052 + 0,586 = 0,7735 кмоль/кг.топл., т.е. результаты расчетов совпадают.

Химический и действительный коэффициенты молекулярного изменения согласно и

Теплоемкость и внутренняя энергия свежего заряда согласно и (СV)с =20,6 + 0,00263951 =23,1 кДж/кмоль. град.

Uс = 23,1951 = 21968 кДж/кмоль.

И внутренняя энергия продуктов сгорания при = 1,5 согласно при значении коэффициентов а = 4457,6 и в = 0,0255 из табл. 9.

Значения коэффициентов а и b помещены в таблице.

кДж/кмоль.

Для дизельных модификаций ДВС характерно высокое значение показателя динамичности процесса сгорания, оцениваемое по формуле P/ = QV/QP = tg .. Поэтому скорость нарастания давления Р/ выбираем ближе к верхнего пределу Р/ = tg = 3,78, откуда = 75010; и KV =sin = 0,9667.

Подставляя составляющие в уравнение сгорания

получим

откуда согласно получим

кДж/кмоль,

а также по ) кДж/кмоль.

Температура в точке Z процесса сгорания по tZ = AUZV + B, 0C. и TZ = tZ + 273, K. и значениях коэфф. А = 0,0313 и В = 253 по табл. 9, = 1,5

tZ = 0,031371188 + 253 = 2228 + 253 = 2481 °C.

ТZ = 2481 + 273 = 2754, К.

Степень предварительного расширения по

= 1 + (15,6 - 1)(1 - 0,9667) = 1 + 14,60,0333 = 1,47 .

Давление сгорания по зависимости

МН/м2.

Степень последующего расширения и степень повышения давления по зависимостям

= /. , = 15,6/1,47 = 10,6;

Параметры процессов расширения и выпуска

Значение показателя политропы расширения по упрощенной зависимости

И по методике И.И.Вибе для участка диаграммы прилегающего к точке Z по

при условии К2 n2 и X = KV = sin

Аналогично, для точки в с учетом Х = KV = 1,0 по и температуре по К.

Усредненное значение в процессе расширения согласно

Принимая во внимание, что n2 < K2 найдем усредненное по двум методикам значение Принимаем n2 = 1,24.

Давление и температура в точке в индикаторной диаграммы по зависимостям и

МН/м2.

К.

Индикаторные показатели

Теоретическое среднее индикаторное давление по

1,02 МН/м2.

При принятом n = 0,95 среднее индикаторное давление действительного цикла по Pi = n Pi Pr, МН/м2,

где n - коэффициент полноты диаграммы, учитывающий скругления;

Pr - удельная работа газообмена (насосные потери) за цикл

и Pr = Pr - Pa , МН/м2.

Рr = 0,108 - 0,0908 = 0,0172 МН/м2;

Pi = 0,951,02 - 0,0172 = 0,952 МН/м2.

Индикаторный КПД и удельный расход топлива по и

г/кВтч.

Эффективные показатели работа ДВС

Давление механических потерь Рм и механический КПД м с учетом СП = 9,0 м/с, А = 0,089 и В = 0,0118 по табл.

РМ = 0,089 + 0,01189,0 = 0,089 + 0,1062 = 0,1952 МН/м2;

Ре = 0,952 - 0,1952 = 0,757 МН/м2,

1

Эффективный КПД и удельный расход топлива с учетом

и

е = 0,510,795 = 0,405;

г/кВтч.

Часовой расход топлива по

GT = 25021110-3 = 52,75 кг/час.

Объём цилиндра двигателя согласно , с учетом i = 8

л.

Принимая = S/Д = 1,0 по прототипу с учетом получим

дм; Дц = 152 мм.

В связи с получением результатов близких к размерности прототипа, принимаем размерность прототипа, т.е. Дц/SП = 150 мм.

Тогда объём цилиндра двигателя

л.

И, соответственно, литраж двигателя

Vh = 2,6498 = 21,192 = 21.2 л.

Крутящий момент согласно

Нм.

Построение индикаторной диаграммы

Придерживаясь существующей традиции выбора масштаба перемещения для автотракторной размерности МS = 1:1, имеем МS = 1,0 мм в мм и масштабе давлений МР = 0,04 МН/м2 в мм, получим

мм; при Vh = SП, для объема камеры сгорания.

мм.

Расстояние точки Z от начала координат

V = VC = 10,2741,47 = 15,103 мм.

Давление в точке Z и ординаты характерных точек диаграммы

мм; мм;

мм; мм;

мм; мм;

Выбираем = 0,263, 1/ = 3,8. Радиус кривошипа

мм.

Заимствуя из табл. 6 значения f(SП) через 30° п.к.в. находим положение промежуточных точек по оси перемещений. Так, для первой точки при = 30° п.к.в. f(SП) = 0,167, получим.

SX = Rf(SП) = 750,167 = 12,525 мм.

Текущее значение f(X) для этой же точки

Текущее значение степени сжатия вычисляем по формуле



И давление на сжатии для этой промежуточной точки по

PCX = 0,09087,031,372 = 0,090814,52 = 1,318 МН/м2;

и в принятом масштабе давлений

PCX = 1,318/0,04 = 32,95 мм.

Для удобства пользования результаты всех промежуточных расчетов заносим в табл. 10.

Уточняем координаты точек Z1 и Z2, для чего выбираем + = 0,12 и - = 0,14, тогда

1 = = 1,47 - 1,470,14 =1,47 - 0,21 = 1,26;

2 = + = 1,47 + 1,470,12 =1,47 + 0,176 = 1,646.

И, соответственно, координаты в принятом масштабе

мм;

мм.

Найденные координаты точек наносятся на уровне точки.

Таблица 17

Корректирующая поправка f() к функции перемещения по , учитывающая координату точки Z от ВМТ на ветви расширения, являющаяся величиной постоянной

Величина n, т.е. значение Х в точке Z2 диаграммы по являющаяся также постоянной величиной

Функция последующего расширения согласно f(n) = f(x) - f(),

Текущее значение степени последующего расширения Х по

Х= (n - 1) f(n) + 1,

И давление на линии расширения в расчетной точке согласно

МН/м2;

и в принятом масштабе, в мм

PBX = 5,063/0,04 = 126,6 мм.

Положение точки С определяется из соотношения Рс" = (1,15 1,25) PC. Принимая , получим

МН/м2, и с учетом принятого масштаба

мм.

Скругления индикаторной диаграммы с учетом фаз газораспределения выполняется с ориентацией на прототип. При отсутствии достоверных данных по прототипу их выбирают в соответствии общепринятыми рекомендациями теории ДВС, базирующихся на статистических данных.

Принимая во внимание отсутствие достоверной информации по прототипу, ориентировочно принимаем значения определяющих параметров: начало открытая впускного клапана (точка r') - за 25° до ВМТ и окончание открытого состояния (точка а) - 60° после НМТ; выпуск - начало (точка в) за 50° до НМТ и окончание (точка а) - 250 после ВМТ. С учетом уровня быстроходности дизеля принят угол опережения топливоподачи за 20° до ВМТ (точка с') и продолжительности периода задержки воспламенения 1 = 8,0° (точка f). Расчетные координаты этих точек на индикаторной диаграмме сведены в табл.

Таблица 18

Найденные расчетным путем точки на ветвях сжатия и расширения наносят на график и соединяют лекальными кривыми. На рис.2. представлена индикаторная диаграмма поршневого, ДВС дизельной модификации.

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Принимаем за основу мощностной номинал прототипа ЗМЗ-24Д:

Pen =78,4 кВт; частота вращения коленвала n = 4500мин-1; минимальный удельный расход топлива bemin = 307 г/кВтч; количество цилиндров i = 4; Sn/Dц = 92/92.

Промежуточные точки эффективной мощности

Промежуточные точки эффективного вращающего момента

С учетом того, что = i = 4 при Vh = 0,695 л. промежуточные величины среднего эффективного давления pех

Промежуточные точки среднего индикаторного давления трения. При S = Дц =96 мм, принимаем А = 0,044 и В = 0,0142.

.

И, точки среднего индикаторного давления,

pix = 0,92 + 0,179 =1,099 Мн/м2.

Аналогично, индикаторного крутящего момента, с учетом = i = 4.

Значение константы С.

и коэффициент наполнения согласно

vх = 0,00374 • 243,25 = 0,844.

Точки кривой эффективного удельного расхода топлива при l0 =15 и

х = 1,208

Промежуточные точки кривой часового расхода топлива

Gтх =297,2 • 63,87 • 10-3 = 18,98 кг/час.

Значения промежуточных точек внешней скоростной характеристики.

n мин-1	параметры внешней скоростной характеристики
	Ne	Te	Pe	pм	pi	Ti	v		gе	Gт
1000	20,43	195,2	0,88	0,089	0,969	214,50	0,802	0,750	315,0	6,44
2000	43,45	207,7	0,94	0,134	1,074	237,72	0,825	0,775	293,5	12,75
3000	63,87	203,4	0,92	0,179	1,099	243,25	0,844	0,80	297,2	18,98
4000	76,59	182,94	0,83	0,224	1,054	233,29	0,809	0,85	297,3	22,76
5000	76,65	146,5	0,66	0,269	0,929	205,62	0,713	0,8775	321,3	24,63
6000	58,54	93,2	0,42	0,314	0,734	162,46	0,564	0,90	386,7	22,64

Размещено на Allbest.ru