Тепловой расчет двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретическая часть

Тепловой расчет позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели работы созданного двигателя.

Рабочий цикл рассчитывают для определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий работы деталей, основных размеров, а также выявления усилий, действующих на его детали, построения характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя.

Результаты теплового расчета зависят от совершенства оценки ряда коэффициентов, используемых в расчете и учитывающих особенности проектируемого двигателя. Они будут тем ближе к действительным, чем больше используются фактические данные испытаний таких двигателей, которые по ряду основных параметров близки к проектируемому.

Результаты теплового расчета дизеля в дальнейшем используются при выполнении кинематического и динамического расчетов. В примерах расчетов не учитывается дозарядка и продувка цилиндров

При выполнении расчета задаемся рядом параметров с учетом пределов их изменения, а также их значений для двигателей, принятых в качестве прототипов. Если задана или определена методом тягового расчета эффективная мощность двигателя, выбраны номинальная частота вращения nн, число цилиндров i и отношение S/D, то при известном значении ре на основе формулы, определяющей эффективную мощность двигателя:

где - эффективное давление, МПа;

- рабочий объем цилиндра, л;

- частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;

- коэффициент тактности двигателя (число ходов поршня за один цикл).

Можно определить основные конструктивные параметры двигателя: диаметр цилиндра и ход поршня. При этом литраж двигателя (рабочий объем всех цилиндров) определяется по формуле:

где - индикаторное давление двигателя, МПа;

- механический КПД.

Рабочий объем одного цилиндра:

где - ход поршня, м.

Обозначим отношение и представим Тогда диаметр цилиндра

и ход поршня

Полученные значения D и S округляют до целых чисел и по принятым их значениям определяют уточненные основные параметры и показатели двигателя.

Литраж двигателя (л):

Эффективная мощность (кВт):

Эффективный крутящий момент (Н·м):

Часовой расход топлива (кг/ч):

где - эффективный удельный расход топлива, г/кВт·ч

Средняя скорость поршня (м/с):

Литровая мощность двигателя (номинальная мощность, отнесенная к единице рабочего объема):

Значение литровой мощности для современных автотракторных двигателей находится в следующих пределах:

для автомобильных карбюраторных двигателей - 20…45 кВт/л;

для автотракторных дизелей - 10…20 кВт/л.

В качестве оценочного показателя применяют также удельную поршневую мощность (номинальную мощность, отнесенную к единице площади поршня):

Значение удельной поршневой мощности для современных автотракторных двигателей находится в следующих пределах: для автомобильных карбюраторных двигателей - 15…35 кВт/дм², для автотракторных дизелей - 15…25 кВт/дм².

Важные удельные показатели двигателя - литровая масса (масса сухого незаправленного двигателя, приходящаяся на единицу рабочего объема цилиндров) и удельная масса (масса сухого двигателя, приходящаяся на единицу номинальной мощности).

Так как

то

Значение литровой массы характеризует совершенство конструкции и технологии изготовления двигателя, а также качество применяемых материалов. При уменьшении литровой массы с учетом создании заданной надежности и долговечности двигателя может быть достигнут существенный экономический эффект. Удельная масса двигателя зависит от литровой массы и степени форсирования, которая характеризуется литровой мощностью. Относительный прирост литровой мощности называют степенью форсирования.

Литровая и удельная массы дизелей больше, чем карбюраторных двигателей (при условии одинаковых их рабочих объемов), в связи с высокими нагрузками от давления газов на детали и соответственно большей поверхностью сопряжений и размеров несущих конструкций.

Форсирование двигателей связано с увеличением механической и тепловой напряженности и поэтому должно сопровождаться конструкторскими и технологическими мероприятиями по обеспечению заданной надежности и долговечности.

Значения литровой и удельной масс для современных автотракторных двигателей находятся в следующих пределах:

для автомобильных карбюраторных двигателей =75…150 кг/л, =1,5…6 кг/кВт;

для автотракторных дизелей = 100… 200 кг/л, = 4…10 кг/кВт.

Конструктивная компактность двигателей характеризуется габаритной мощностью (кВт/м³):

После деления и умножения правой части этого выражения для на литраж двигателя , габаритную мощность можно представить как произведение коэффициента компактности на литровую мощность , т.е.

.

Коэффициент компактности двигателей без воздухоочистителя составляет:

для V-образных дизелей жидкостного охлаждения грузовых автомобилей 13…15;

для V-образных дизелей воздушного охлаждения грузовых автомобилей - 12…14.

Габаритная мощность V-образных дизелей с жидкостным охлаждением составляет 270…325 кВт/м³, а таких же дизелей с воздушным охлаждением значительно ниже - 155…185 кВт/м³. С увеличением числа цилиндров габаритная мощность возрастает. За счет выбора отношения S/D можно изменять габаритные размеры и массу двигателя.

2. Практическая часть

Номинальная мощность дизеля: N_e=65 кВт;

Номинальная частота вращения: n_н= 1950 об/мин;

Степень сжатия е= 15,5;

Отношение хода поршня к диаметру =0,8;

Коэффициент тактности ф_дв=4;

Коэффициент избытка воздуха: б =1,5;

Дизельное топливо: «Л» (ГОСТ 305-82);

Низшая удельная теплота сгорания топлива: Q_H=42400 кДж/кг;

Средний элементный состав топлива: C=0,857%, H=0,135%, O=0,015 кг/кмоль.

По рисунку 1.1 D=160 мм, тогда ход поршня будет равен мм

Средняя скорость поршня:

м/с.

По рис. 1.2 литровая мощность =8 л.с/л (8•0,736=5,89 кВт/л)

Цилиндровая мощность

кВт/л,

где - рабочий объем цилиндра, л; D и S - в дм.

При заданной эффективной мощности двигателя требуемое число цилиндров

.

После определения числа цилиндров следует уточнить значение литровой мощности по формуле

, где

- рабочий объем одного цилиндра:

л

кВт/л

Обоснование необходимости наддува дизельного двигателя и определение его давления

Принятые в п. 1.2 значения литровой мощности двигателя предопределяют уровень среднего эффективного давления

МПа,

где - тактность двигателя.

С другой стороны

,

где - низшая удельная теплота сгорания топлива; - теоретичеки необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива;

- индикаторный КПД; - коэффициент наполнения; - механический КПД; - плотность воздуха, кг/м³.

Предварительно приняв = 0,25…0,30 - для бензиновых двигателей и = 0,30…0,42 - для дизелей, а также = 0,8…0,9 можно определить , требуемую для реализации :

кг/м³

Тогда по известному значению можно определить требуемое давление наддува

МПа

где - давление окружающей среды ( = 0,1 МПа); - плотность атмосферного воздуха (=1,21 кг/м³); - показатель политропы сжатия в компрессоре, зависящий от его типа и степени совершенства протекающего в нем процесса (для центробежных компрессоров = 1,6…2,0 (принимаем 1,8)).

Если давление наддува окажется ниже 0,14 МПа то следует снизить литровую мощность двигателя (уменьшить степень форсирования) и увеличить число цилиндров, т. к. при давлении = 0,1…0,14 МПа применение системы турбонаддува неэффективно.

Определение параметров рабочего цикла дизеля

Параметры рабочего цикла (процесса) двигателя определяются при выполнении теплового расчета. По его результатам определяются индикаторные параметров рабочего цикла, КПД и экономичность, уточняются основные размеры проектируемого двигателя.

Расчет индикаторных параметров четырехтактного дизеля

При выполнении теплового расчета двигателя в первую очередь определяются параметры рабочего тела, окружающей среды и остаточных газов.

Параметры окружающей среды и остаточных газов

Атмосферные условия, необходимые для последующих расчетов принимаются следующие: = 0,1 МПа; = 293 K. Давление остаточных газов = 0,11…0,17 МПа в зависимости от сопротивления выпускного тракта: для дизелей без наддува = 0,11…0,12 МПа (принимаем =0,115 МПа); для дизелей с наддувом в зависимости от давления наддува = (0,12…0,17) МПа. Чем выше давление тем выше (= (0,8…0,9) ), температура остаточных газов принимается из интервала = 750…900 K (принимаем =900К). При работе дизеля с турбонаддувом воздух поступает в цилиндры не из атмосферы, а из компрессора. Значения и в последующих расчетах принимаются равными давлению и температуре на выходе из компрессора и .

Давление и температура остаточных газов:

МПа,

При этом

542 К

Параметры рабочего тела.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

кг

или при =28,96 кг/кмоль:

кмоль;

Количество свежего заряда:

кмоль.

Помимо поступившего воздуха в цилиндре находятся остаточные газы, количество которых

.



Коэффициент остаточных газов определяется по формуле:

где ,

кмоль.

Общее количество газов, находящихся в цилиндре в конце сжатия

кмоль.

Общее количество продуктов сгорания:

кмоль;

С учетом остаточных газов количество газов, находящихся в цилиндре в конце сгорания:

кмоль.

Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

Определение параметров рабочего цикла.

Здесь определяются параметры состояния газов (абсолютное давление p и абсолютная температура Т) в характерных точках индикаторной диаграммы. Такими точками являются: а - конец впуска; с - конец сжатия; z - конец сгорания; b - конец расширения. Для этого в последовательном порядке определяются:

Давление и температура в конце процесса впуска

,

где - величина потери давления на впуске, МПа.

где в - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; - коэффициент сопротивления впускной системы; - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило в клапане), м/с; - плотность заряда на впуске, кг/м3.

Обычно принимают для дизелей = 2,5…3,5; для бензиновых двигателей и газовых =3,0…4,0; =65…90 м/с для дизелей; = 85…130 - для бензиновых и газовых двигателей.

Чем выше скорость поршня , тем выше .

Принимаем:

=3,0 .

МПа

МПа

Действительный коэффициент остаточных газов

.

Температура в конце впуска:

K.

Коэффициент наполнения:

.

Процесс сжатия.

С учетом характерных значений показателя политропы сжатия для заданных параметров двигателя принимаем:

об/мин.

Давление в конце сжатия:

МПа.

Температура в конце сжатия:

К.

Давление и температура в конце сгорания (расчет процесса сгорания).

Задаваясь значением степени повышения давления при сгорании определяем давление в конце сгорания

,

У дизелей с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием = 1,5…1,8; при непосредственном впрыске в неразделенную камеру = 1,8…2,2 Чем ниже коэффициент избытка воздуха , тем выше . Принимаем =1,8

МПа

Температура определяется из уравнения сгорания, которое

для четырехтактного дизеля имеет вид:

где - средняя мольная теплоемкость воздуха при постоянном объеме, кДж/(кмоль?град); - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, кДж/(моль?град); о - коэффициент использования теплоты; - низшая теплота сгорания топлива (для дизельного топлива = 42500 кДж/кг).

У четырехтактных дизелей коэффициент использования теплоты о = 0,8…0,9 (принимаем 0,85). Более низкие значения коэффициента о соответствуют быстроходным дизелям с неразделенной камерой.



двигатель давление дизель газ

=2717 К

Cтепень предварительного расширения:

.

Степень последующего расширения:

.

Давление в конце расширения:

МПа;

К

где - показатель политропы расширения. У дизелей = 1,18…1,28. Чем выше коэффициент использования теплоты о, тем ниже .Принимаем =1,23.

После определения параметров в конце расширения выполняется оценка правильности выбора значения температуры отработавших газов, сделанной в начале теплового расчета, по формуле:

К;

%.

Погрешность не входит в допустимый предел 5%.

Размещено на Allbest.ru