Тепловой расчет двигателя

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К РАСЧЕТУ ДВИГАТЕЛЯ

 

1. Номинальная мощность Ne = 42,5 кВт;
2. Частота вращения коленчатого вала n = 5300 мин-1;
3. Число цилиндров и их расположение Р – 4;
4. Степень сжатия e = 9,5;
5. Коэффициент избытка воздуха a = 0,9;
6. Число клапанов на цилиндр i = 2;
7. Тип КС – Шатровая;
8. Тип охлаждения – жидкостное;

 

2. СОСТАВ ТОПЛИВА И НЕКОТОРЫЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

gC	gH	gОТ	mТ кг/кмоль	HU МДж/кгТ	L0 кмоль/кгТ	l0 кг/кгТ
0,855	0,145	0	115	44,0	0,512	14,96

, где gC и gH – массовые доли, показывающие содержание углерода и водорода;

mТ – кажущаяся молекулярная масса топлива;

HU – низшая теплота сгорания;

L0 и l0 – количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива.

 

3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧЕГО ТЕЛА

 

1. Количество свежей смеси

Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания топлива:

2. Суммарное число свежей смеси:

М1 = 1/mТ + a * L0 = 1/115 + 0,9 * 0.512 = 0.469 кмоль/кгТ.

3. Состав и количество продуктов сгорания

Приняв К = МН2/МСО = 0.5 получим:

Суммарное число кмолей продуктов сгорания:

М2 = МСО + МСО2 + МН2 + МН2О + МN2;

М2 = 0,014 + 0.0713 + 0,007 + 0.0725 + 0.364 = 0.5288 кмоль.

 

4. Мольные или объёмные доли компонентов продуктов сгорания:

 

Проверка: Sri = 0,026 + 0.1348 + 0,013 + 0.137 + 0.688 = 1.0.

5. Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

 

4. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА

 

1. Условия на впуске

Атмосферное давление Р0 и температура воздуха на входе в двигатель Т0:

Р0 = 0.1 МПа;

Т0 = 298 К.

Плотность заряда на впуске:

где R = 287 Дж/кг×К – газовая постоянная для воздуха.

2. Параметры остаточных газов.

Принимаем ориентировочные значения давления Pr и температуры Тr остаточных газов:

Pr = (1.05…1.25) * P0.

Принимаем Pr = 0.11 МПа.

Tr = 900…1100 K – для бензиновых двигателей.

Принимаем Тr = 1000 K.

3. Подогрев свежего заряда на впуске.

Для бензиновых двигателей DТ = 0…20.

Принимаем DТ = 10.

4. Давление в конце впуска.

Давление в конце впуска определяется величиной гидравлических потерь DРа во впускном трубопроводе:

Ра = Р0 - DРа

где b - коэффициент затухания скорости;

x - коэффициент сопротивления выпускной системы.

По опытным данным на номинальном режиме b2 + x = 2.5…4.0.

Принимаем b2 + x = 3,5.

W – средняя за процесс впуска скорость смеси в наименьшем сечении впускного тракта (как правило в клапане).

По опытным данным на номинальном режиме W = 60…100 м/с.

Принимаем W = 90 м/с.

Ра = 0,1 – 0,017 = 0,083 МПа.

5. Коэффициент остаточных газов.

6. Температура конца впуска.

j = 1.00…1.03 – отношение теплоёмкости остаточных газов к теплоёмкости свежего заряда.

Для бензиновых двигателей Та = 320…360 К.

7. Коэффициент наполнения.

 

5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ

 

При расчете процесса сжатия предполагается, что он протекает в течении всего хода поршня от НМТ до ВМТ. Сам процесс сжатия считается политропным с постоянным показателем политропы n1.

1. Выбор показателя политропы сжатия n1.

Из диапазона n1 = 1,34…1,39 для бензиновых двигателей принимаем n1 = 1,36.

2. Параметры рабочего тела в конце такта сжатия.

РС = j1 * Ра * en1 = 1.03 * 0.083 * 9,51.36 = 1,83 МПа;

ТС = Та * en1 – 1 = 342×9,50.36 = 769 К.

У выполненных конструкций бензиновых двигателей данные величины лежат в пределах:

РС = 1,0…2,0 МПа;

ТС = 600…850 К.

 

6. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ

 

1. Определение теплоты сгорания рабочей смеси.

где DНU – потери теплоты вследствие неполноты сгорания.

DНU = 114 * (1 + a) * L0 = 114 * (1 – 0,9) * 0.512 = 0,014 МДж/кмоль.

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

2. Коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания.

Из диапазона xZ = 0,82…0,92 для бензиновых двигателей и с учетом всех факторов способствующих усилению теплоотдачи от заряда к стенкам КС в процессе сгорания принимаем xZ = 0,82.

3. Уравнение 1 – го закона термодинамики для процесса сгорания для цикла с подводом теплоты при V = const.

UC – внутренняя энергия 1 кмоля воздуха при Т = ТС в МДж/кмоль;

UC” – внутренняя энергия 1 кмоля продуктов сгорания при Т = ТС;

UZ” – внутренняя энергия 1 кмоля продуктов сгорания при Т = ТZ.

Находим внутреннюю энергию отработавших газов UC” при Т = ТС:

где ri – объёмные доли продуктов сгорания.

Вычисляем левую часть уравнения, обозначив её F1:

Находим истинное значение

Величина зависит от величины ТZ и состава рабочего тела. Поэтому уравнение 1 – го закона термодинамики решается методом последовательного приближения. Задаёмся ТZ = TZ1 (tz = tz1), а затем вычисляем:

Вычисленное значение сравниваем с его исходным значением Если то при следующем шаге задаёмся tz2 > tz1 и повторяем расчет. Если при этом окажется, что то для получения истинного значения tz (TZ) достаточно точки и соединить прямой линией и в точке её пересечения с прямой линией найти значение tz.

tz = 2456 C; TZ = 2729 K.

 

Результаты расчёта представляем в виде таблицы.

 

Значение удельной внутренней энергии в (МДж/кмоль) компонентов

свежей смеси и продуктов сгорания в точках «С» и «Z».

 

		СО2	СО	N2	H2	H2O	Воздух (UC)
	ri	0.1348	0.026	0.688	0.013	0.137
tc=496		18.022	10.578	10.653	10.405	13.589	10.598	12.0932	73.476
tz1=2400		113.002	62.174	61.085	57.359	89.597			71.603
tz2=2500		118.277	65.063	63.89	60.164	94.245			74.973

 

Степень повышения давления:

l = mД * Тz/Тc = 1.12 * 2729/769 = 3.97;

Теоретическое максимальное давление

Pz = l * Pc = 3.97 * 1.83 = 7.26 МПа.

Для современных бензиновых двигателей

Pz = 3.5…7.5  l = 3.5…4.5 МПа.

Действительное максимальное значение давления

Pzд = 0,85 * Pz = 0.85 * 7.26 = 6.13 МПа.

Pzд = 3,00…6.5 МПа.

 

7. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ

 

1. Выбор показания политропы расширения n2. Из анализа экспериментальных индикаторных диаграмм n2 = 1.23…1.30. Принимаем n2 = 1.25.
2. Параметры рабочего тела в конце расширения.

Рв = Pz/en2 = 7.26/9,5 1.25 = 0.43 МПа;

Tв = Tz/en2-1 = 2729/9,50.25 = 1554 К.

Проверка правильности выбора параметров остальных газов

 

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДИКИТОРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ

 

1. Расчетное среднее индикаторное давление:

Действительное среднее индикаторное давление

Pi = jI * Pip = 1.14 * 0.95 = 1.083 МПа.

2. Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива.

 

 

9. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И ЭФФЕКТИВНЫЕ

ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ

 

1. Средне давление механических потерь:

PM = a + b * CП = 0.024 + 0.0053 * 13.5 = 0.11 МПа,

где СП = 13.5 м/с – средняя скорость поршня за один его ход, принятая по прототипу;

a = 0.024 и b = 0.0053 – постоянные коэффициенты, зависящие от типа двигателя.

 

2. Среднее эффективное давление и механический КПД:

Pe = Pi – PМ = 1.083 – 0.11 = 0,973 МПа.

 

3. Механический КПД:

hм = Pe/Pi = 0.973/1.083 = 0.898.

 

4. Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива:

he=hi × hм = 0.35 × 0.898 = 0.31.

 

5. Часовой расход топлива:

GT = ge × Ne × 10-3 = 318 × 42,5 × 10-3 = 13,5кг/ч.

 

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЦИЛИНДРА

 

Размеры цилиндра определяются исходя из заданной эффективной мощности Ne, заданного скоростного режима nH и рассчитанного значения среднего эффективного давления Ре.

1. Рабочий объём двигателя:

Объем одного цилиндра:

10.2 Размеры цилиндра:

Задаемся коэффициентом короткоходности К.

Принимаем К = 0,95.

Диаметр цилиндра

Полученное значение D округляем до ближайшего четного значения.

Таким образом D = 70 мм.

Ход поршня

S = D * K = 70 × 0,95 = 66.5 мм.

Найденное значение хода поршня округляем до ближайшего четного или кратного 5 значения. Таким образом S = 68 мм.

10.3. Средняя скорость поршня;

Cn = S × n/30 = 68 × 5300/30 = 12 м/с.

10.4. Уточнение рабочего объема двигателя и его мощности:

10.5. Эффективный крутящий момент и литровая мощность.

 

11. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

 

Построение индикаторной диаграммы производится по данным теплового расчета в координатах: давление (Р), ход поршня (S).

1. Выбор масштабов.

а) По оси ординат (масштаб давлений):

mP = 0.04 МПа/мм.

б) По оси абсцисс (масштаб хода поршня):

mS = 0,5 мм хода/мм.

2. Расчет политропы сжатия и расширения.

 

 

Sx	Sx2	Sa/(Sx+Sc)	(Sa/(Sx+Sc))n1	Px	Px2	(Sa/(Sx+Sc))n2	Px	Px2
1	0,5	9,50	21,37	1,83	45,75	16,68	7,26	181,50
2	1	7,60	15,77	1,39	34,70	12,62	5,43	135,65
5	2,5	5,85	11,04	0,97	24,29	9,09	3,91	97,72
10	5	4,22	7,09	0,62	15,60	6,05	2,60	65,06
20	10	2,71	3,89	0,34	8,55	3,48	1,50	37,45
30	15	2,00	2,57	0,23	5,65	2,38	1,02	25,57
40	20	1,58	1,87	0,16	4,11	1,78	0,76	19,09
50	25	1,31	1,44	0,13	3,18	1,40	0,60	15,07
60	30	1,12	1,16	0,10	2,56	1,15	0,49	12,35
68	34	1,00	1,00	0,09	2,20	1,00	0,43	10,75