Тепловий розрахунок двигуна. Дизельний двигун

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловий розрахунок двигуна. Дизельний двигун

Провести тепловий розрахунок автомобільного дизеля з наступними технічними характеристиками:

- номінальна потужність двигуна, Ne =90 кВт;

- частота обертання колінчастого вала при Ne , щe = 250хв-1;

- ступінь стиску е = 17;

- коефіцієнт надлишку повітря, б = 1,55;

- відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна, лш = 0,265.

Тип двигуна - чотиритактний, чотирициліндровий, дизель, з наддувом, безпосереднє впорскування, сумішоутворення об'ємне. Нагнітач відцентровий, з приводом від газової турбіни. Тиск наддуву - 0,17 МПа.

У якості прототипу вибрано двигун Д 245.7Е2-1807, технічна характеристика якого наступна:

- номінальна потужність двигуна, Ne =90 кВт;

- частота обертання колінчастого вала при Ne , щe = 254 хв-1;

- ступінь стиску е = 17;

- коефіцієнт надлишку повітря, б = 1,3;

- відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна, лш = 0,267

Тип двигуна - чотиритактий, чотирициліндровий, дизель, з наддувом, безпосереднє впорскування, сумішоутворення об'ємне. Нагнітач відцентровий, з приводом від газової турбіни. Тиск наддуву - рк= 0,17 МПа.

Вибір вихідних даних

Ступінь стиску двигуна, що проектується, приймаємо е = 17. У відповідності з ДСТУ 305-62 для дизеля, що розраховується, приймаємо дизельне паливо (для роботи в літніх умовах - марки Л і для роботи в зимових умовах - марки З). Етанове число палива не менше, ніж 45.

Середній елементарний склад дизельного палива С=0,857; Н=0,133; О=0,01.

Визначаємо нижчу теплоту згоряння згідно з елементарним складом палива за формулою:

кДж/кг.

Розрахунок параметрів робочого тіла

Визначаємо теоретично необхідну кількість повітря для повного згоряння одиниці палива:

- у масових одиницях:

кг.пов./кг.палива;

- у об'ємних одиницях:

кмоль пов. / кг.пал.

де µп =28,96 - молярна маса повітря.

Визначаємо кількість свіжого заряду для дизеля:

M1=·L0 = 1,55·0,501= 0,791 кмоль зар./кг пал.

Загальна кількість продуктів згоряння:

M2=·L0 + Н/4 +О/32 = 0,791 + 0,133/4 + 0,01/32 = 0,825 кмоль/ кг. пал.

Кількість окремих компонентів та загальна кількість продуктів згоряння (при a=1, 55):

МСО2= С/12 = 0,857/12 = 0,0714 кмоль/кг. палива;

МН2О = Н/2 = 0,133/2 = 0,0665 кмоль/кг. палива;

МО2=0,21·(б -1)·L0 = 0,21·(1,55-1) ·0,501=0,058 кмоль/кг.палива;

МN2=0,79·б·L0 = 0,79·1,55·0,501=0,624 кмоль/кг. палива;

Сумарна кількість продуктів згоряння:

М2= МСО2 + МН2О+ МО2+ МN2 = 0,0714+0,0665+0,058+0,624= 0,825 кмоль/кг. палива.

Перевірку здійснюємо за формулою

М2 = С/12+Н/2+ 0,79· б·L0+0,21· (б - 1) ·L0= 0,0714+0,0665+ 0,79·0,501·1,55 + 0,21· (1,5-1) ·0,501 = 0,825 кмоль/ кг. пал.

У наведених розрахунках значення М2 не відрізняються (різниця значень не перевищує 3%).

Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші:

µ0=М2/М1 = 0.825 / 0,791=1,043 (як правило - µ0= 1,02…1,12).

Параметри навколишнього середовища і залишкових газів

Умови на впуску: переважно у розрахунках приймають тиск р0=0.1 МПа, температуру Т0 =293 К.

У двигуні підігрів свіжого заряду здійснюється у впускному трубопроводі, який омивається охолоджуючою рідиною, а також у циліндрах. Враховуючи те, що при підвищеній температурі заряду його щільність знижується, підігрів повинен забезпечувати підвищення температури у межах ДТ0 = 0...20 К. Переважно приймають ДТ0 = 10К.

Враховуючи наддув дизеля, що розраховується (щe =250 хв-1.), можна прийняти підігрів свіжого заряду на T=10К .

Атмосферні умови: р0 =0,1 МПа, T0= 268 K.

Згідно з завданням рk=0,17 МПа - середній наддув.

Температура поступаючого в двигун заряду (після нагріву в компресорі)

де nk - показник політропи стиску, прийнятий для відцентрового нагнітача, що охолоджується тепловипромінюванням від корпусу, nk =1,5.

При наддуві температурний режим двигуна підвищується але достатньо високе значення е =17 знижує температуру і тиск залишкових газів. Тому, приймемо їх значення: Tг =740K ;

рг =0,86·рk=0,86·0,17=0,146 МПа.

автомобільний циліндр двигун дизель

Параметри процесу впуску

Щільність заряду на впуску визначаємо за формулою:

ск = рк·106/RвТк = 0,17·106/287·319= 1,857 кг/м3 ,

де Rв=287 Дж/кг·град - питома газова стала для повітря.

Втрати тиску на впуску визначаємо з рівняння Бернулі:

, МПа

де (в2+овп) = (2,5...4,0) - гідравлічний опір впускної системи; приймаємо для дизеля (в2+овп)= 3;

щвп - швидкість руху заряду у впускній системі; для бензинових і дизельних двигунів щвп = 50…130 м/с . Приймаємо для дизеля щвп = 80 м/с.

Таким чином, втрати тиску на впуску:

Дра= 802·3·1,857 ·10-6/2=0,018 МПа.

Для автомобільних двигунів розрахункові значення величини Дра=(0.006…0.2) МПа. Отримане нами значення входить до наведеного діапазону.

Тиск у кінці процесу впуску:

рa= рk -pа =0,17- 0,018= 0,152 МПа.

Коефіцієнт залишкових газів гг характеризує ступінь очистки циліндра від продуктів згоряння і визначається за формулою:

гг=(Тк+ ДТ)·р г / Тг·( е·ра-рг)= (319+10)·0,146 /740·(17·0,152-0,146)=0,027

Для дизельних двигунів гг= (0,02…0,1).

Температура заряду в кінці процесу впуску визначається за формулою:

Та= (Тк+ ДТ+ гг·Тг) / (1+ гг) = (319+10+0,027·740) / (1+0,027) = 340 К.

Розрахункові значення повинні знаходитись у межах Та=320…360 К.

Коефіцієнт наповнення циліндрів двигуна зv визначається за формулою

Розрахункові значення величини зv для сучасних бензинових двигунів знаходяться у межах зv= 0,7…0,95. Отримане значення зv у нашому випадку знаходиться в існуючих межах.

Параметри процесу стиску

Середній показник адіабати стиску при е = 17 і Ta =340K визначаємо за графіком, який наведено на рисунку 2.1. k1=1,366.

Рисунок - Номограма для визначення показника адіабати стиску к1

Величина показника політропи стиску n1 визначається на основі дослідних даних залежно від ступеня стиску і температури в кінці процесу стиску Та. Для автотракторних двигунів n1=(к1- 0,01)…(к1 - 0,04), де к1 - показник адіабати стиску, який залежить від е і Та. Визначається з номограми (рисунок 2.1).

Приймаємо n1=1,36.

Тиск в кінці процесу стиску визначаємо за формулою:

рс = ра·= 0,152·171,36=6.9 МПа.

Температуру в кінці процесу стиску визначаємо за формулою:

Тс=Та· = 340.170,36 = 943 К.

За формулами, які наведено в таблиці 2.1, середня мольна теплоємність в кінці процесу стиску при сталому об'ємі для повітря і компонентів залишкових газів становить.

Таблиця - Середні мольні теплоємності для газів

Найменування газу	Формула для визначення mcv залежно від температури
	-	від 0 до1500С	від 1501 до2800С
Повітря	-	20,6+0,002638· t	22,387+0,00145· t
Кисень	O2	20,930+0,004641 ·t-0,00000084· t2	23,723+0,00155· t
Нітроген (азот)	N2	20,398+0,0025· t	21,951+0,001457 ·t
Гідроген (водень)	H2	20,684+0,000206· t+0,000000588 ·t2	19,678+0,001758·t
Окись вуглецю	CO	20,597+0,00267· t	22,49+0,001430 ·t
Вуглекислий газ	CO2	27,941+0,019· t- 0,0000055· t2	39,123+0,003349 ·t
Водяна пара	H2O	24,953+0,005359 ·t	26,67+0,004438 ·t

- повітря

=20,6+0,002638·tс = 20,6+0,002638· 670= 22,36 кДж/(кмоль·К)

де tc =(Tc-273)C = (943- 273)=670 C;

-вуглекислий газ СО2

=27,941+0,019·tс - 0,0000055·t2с= =27,941+0,019·670- 0,0000055·(670)2 = 38,2 кДж/(кмоль·К);

-водяна пара

= 24,953+0,005359· tс = 24,953+0,005359·670 = 28,54 кДж/(кмоль·К);

-кисень

= 20,930 +0,004641·tс - 0,00000084·t2с =20,930+0,004641·670- 0,00000084·(670)2 = 23.662 кДж/(кмоль·К);

-азот

= 20,398+0,0025· tс= 20,398+0,0025·670= 22.073 кДж/(кмоль·К).

Середню мольну теплоємність в кінці процесу стискування при сталому об'ємі для залишкових газів при a =1,55 і tс =6700С визначаємо за формулою

кДж/(кмоль·К).

Середню мольну теплоємність робочої суміші mcv' (свіжий заряд + залишкові гази) визначаємо за формулою

Після підстановки значень параметрів знаходимо

кДж/(кмоль·К).

За формулою, яку наведено в [1], середнє значення теплоємності у процесі стиску без врахування залишкових газів:

mcvс = 20,16 + 1,74·10-3·Тс =20,16 + 1,74·10-3·943= 21,801 кДж/(кмоль·К).

Таким чином, отримане середнє значення теплоємності робочої суміші знаходиться у існуючих межах = 20…25 кДж/(кмоль·К).

Визначаємо кількість молів залишкових газів (кмоль):

Визначаємо кількість молів газів в кінці процесу стиску до згоряння(кмоль):

Мс = М1+Мг =0,791+0,021= 0,812.

Параметри процесу згоряння

Для дизеля коефіцієнт молекулярної зміни свіжої суміші:

0=M2 / M1=0,825 / 0,791 = 1,043.

Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші:

Теплота згоряння робочої суміші:

кДж/кмоль роб. сум.

Застосування наддувy при струйному сумішоутворенні підвищує теплостійкість двигуна і створює сприятливі умови для протікання процесу згоряння. Значення коефіцієнта використання теплоти визначається за дослідними даними з урахуванням кількості палива, що подається до циліндрів, форми камери згоряння тощо. Це дозволяє приймати коефіцієнт використання теплоти о z = 0,7...0,9. Приймаємо о z = 0,86.

Ступінь підвищення тиску в дизелі в основному залежить від величини циклової подачі палива та від камери згоряння.

Орієнтовно значення ступіня підвищення тиску приймають:

для дизелів з нерозділеними камерами згоряння та об'ємним сумішоутворенням =1,6…2,5;

– для дизелів з нерозділеними камерами згоряння та плівочним сумішоутворенням, передкамерних та вихрекамерних дизелів =1,2…1,8.

З метою зниження навантажень на деталі кривошипно-шатунного механізму необхідно слідкувати, щоб максимальний тиск згоряння не перевер -ував перевищував 12 МПа.

Для дизелів середня мольна теплоємність продуктів згоряння при р=const і

кДж/(кмоль·К).

Отже знаходимо (кДж/(кмоль·К)):

Температура в кінці процесу згоряння для дизелів (цикл з підводом тепла при V=const і р=const) визначається за формулою



де = рz / рc - ступінь підвищення тиску. Попередньо приймаємо =1,6.

Після підстановки значень параметрів отримуємо:

Далі отримуємо квадратне рівняння:

Розв'язуючи останнє рівняння, знаходимо:

=2190 К.

tz = 2190 - 273= 1971 0C.

Для дизеля, що проектується, визначаємо максимальний тиск в кінці звідки процесу згоряння:

рz= ·рc= 1,6·7,16 = 11,45 МПа,

а також ступінь попереднього розширення

Для дизелів с = 1,2…1,7.

Дійсне максимальне значення

Параметри процесу розширення

У процесі розширення під впливом догоряння робочої суміші, яка не встигла згоріти на лінії згоряння, відбувається наступне розширення. Ступінь наступного розширення:

д= е /с=17 /1,514 =11,229.

Процес розширення відбувається, як і при стискуванні, за політропою розширення. Для чого, спочатку визначаємо адіабату розширення.

Рисунок - Номограма для визначення показника адіабати стиску к2

Середній показник адіабати розширення при д =11,229, Tz =2190 K, =1,55 визначаємо з номограми (рисунок 2.2) k2=1,282.

Середній показник політропи розширення приймаємо n2 =1,282.

Тиск в кінці розширення:

МПа.

Температура в кінці розширення:

К.

Параметри процесу випуску

Для дизеля температура залишкових газів на початку розрахунку приймалась Тг = 7600 К. За формулою Є. К. Мазінга:

Розходження між прийнятими і отриманими значеннями Тг не повинно перевершувати 5%:

Індикаторні параметри робочого циклу

Середній розрахунковий індикаторний тиск за цикл визначається за формулою:

МПа.

При значеннях розрахункових параметрів рс = 7,16 МПа, =17, n1=1,36, n2=1,27, =1,6, с = 1,514, д=11,22 знаходимо:

1,19 МПа.

Дійсний індикаторний тиск рі визначається за формулою

рі= ц· ,

де ц =0,9…0,97 - коефіцієнт повноти індикаторної діаграми.

Приймаємо ц=0,9, знаходимо середній індикаторний тиск при ц =0,9

рі = 0,9·1,19 = 1.071 МПа.

Індикаторний коефіцієнт корисної дії (індикаторний ККД) визначається за формулою:

Визначаємо індикаторні питомі витрати палива за формулою:

г/кВт·год.

Розрахункові значення величин рі, , для сучасних автотракторних двигунів знаходяться у межах рі= 0,6…1,4 МПа, = 0,26…0,45, = 205…290 г/кВт·год.

Механічні показники двигуна

Середній ефективний тиск визначається за формулою:

ре= рі - рм.

Середній тиск механічних втрат рм визначаємо за емпіричною формулою залежно від типу двигуна, кількості циліндрів, середньої швидкості поршня Vп..с.

Для чотиритактного дизеля і ne = 2400 об/хв. Vп.с.= 9…11 м/с; приймаємо Vп.с.= 10 м/с ;

S/D = 1,1; і=4.

Формула для визначення механічних втрат дизелів з нерозділеними камерами

рM=0,089+0,0118·Vп.с..

Отже, для двигуна, який проектується,

Рм = 0,089+0,0118·10 =0,207 МПа.

Ефективні показники двигуна

Середній ефективний тиск:

ре= 1,19 - 0,207 = 0.983 МПа.

Механічний коефіцієнт корисної дії (ККД) враховує механічні втрати двигуна і визначаємо за формулою:

Ефективний ККД враховує теплові і механічні втрати двигуна і визначається за формулою:

Питомі ефективні витрати палива визначаємо за формулою:

г/кВт·год.

Для сучасних автотракторних двигунів ре= 0,5…1,1 МПа, , =270…350 г/кВт·год.

Погодинні витрати палива двигуном визначаємо за формулою:

кг /год.

Основні параметри циліндра і двигуна

На основі заданих: ефективної потужності, номінальної частоти обертання колінчастого вала, розрахунку середнього ефективного тиску, тактності двигуна і числа циліндрів визначаємо робочий об'єм двигуна за формулою:

л.

Робочий об'єм одного циліндра:

л.

Таблиця 2.2 - Вибір відношення ходу поршня до діаметру циліндра S/D

Однорядні двигуни	S/D
Бензинові легкових автомобілів	0,9…1,6
Бензинові вантажних автомобілів	1,0…1,5
Дизелі чотиритактні	1,10…1,45
Дизелі двотактні	1,14…1,45
V-образні двигуни
Бензинові легкових автомобілів	0,75…0,95
Бензинові легкових автомобілів	0,92…1,1
Дизелі чотиритактні	0,95…1,4

Прийнявши попередньо згідно з таблицею 2.2 відношення к= S/D, визначаємо, округлюючи до цілого, діаметр циліндра і хід поршя за формулами

мм;

S = D·k = 110·1,1 = 121 мм.

Остаточно уточнюємо основні розміри і параметри двигуна за формулами:

-робочий об'єм двигуна

л;

-діаметр циліндра за формулою

мм

-хід поршня за формулою

S = D·k = 110·1,1 = 121 мм

-площу дна поршня

мм2;

Vп.с.= S·nе / 30·103 = 121·2400 / 30·103= 9,68м/с.

Похибка Д= (10-9,68) ·100/10 =2,62%.

Якщо похибка між прийнятою і розрахунковою середньою швидкістю руху поршня Vп.с. перебільшує 4%, ведуть перерахунок ефективних показників двигуна.

Визначаємо ефективну потужність двигуна

кВт.

Потужність двигуна, віднесену до 1л об'єму, визначаємо за формулою:

кВт / л.

Для автотракторних двигунів літрова потужність знаходиться у межах 20…50 кВт/л.

Погодинну витрата палива визначаємо за формулою:

кг /год.

Тепловий баланс двигуна

Тепло, що вводиться до циліндрів двигуна, розподіляється за наступними складовими

, Дж/с.

У останній формулі складові мають наступні значення.

Загальна кількість теплоти, що вводиться в двигун з паливом:

, Дж/с.

Теплота, еквівалентна ефективній роботі за 1 с:

Qe=1000·Ne=1000·120=120000 Дж/с.

Теплота, що передається охолоджуючому середовищу:

, Дж/с,

де с - коефіцієнт пропорційності.

Для чотиритактних двигунів

с = 0,45…0, 53. Приймаємо с = 0,5;

i - число циліндрів;

D - діаметр циліндра, см;

m - показник степені.

Для чотиритактних двигунів m = 0,6…0,7. Приймаємо m = 0,65;

nе -кількість обертів колінчастого вала двигуна, хв-1.

Теплота, винесена з відпрацьованими газами

,Дж/с;

,- відповідно теплоємності відпрацьованих газів і свіжого заряду, кДж / (кмоль·град).

кДж / (кмоль·К) .

де = 23.36 визначене з таблиці 3.9 додаток 1 методом интерполяції при та tг =Тг - 273 =526 0С

Аналогічно знаходимо величину теплоємності свіжого заряду:

кДж / (кмоль·К).

Після підстановки значень параметрів отримуємо:

125160 Дж / с.

Невраховані втрати теплоти

Складові теплового балансу зводимо в таблицю

Таблиця

Складові теплового балансу двигуна	Q, Дж / с	q, %
Теплота, еквівалентна ефективній роботі	120000	28,9
Теплота, що передається навколишньому середовищу	78230	18,8
Теплота, винесена з відпрацьованими газами	125160	30,2
Теплота, втрачена із-за неповноти згоряння палива	91710	22,1
Загальна кількість тепла, введена в двигун з паливом	415100	100

Размещено на Allbest.ru