Транспортные двигатели и эксплуатационно-конструкционные материалы

1 Расчет объема камеры сгорания

 

Исходные данные для выполнения контрольной работы приведены в  таблице 1.

 

            Таблица 1 – Исходные данные

Тип двигателя	дизельный
Степень сжатия, ε	17,6
Максимальное давление, Pz, Мпа	8,4
Частота вращения коленчатого вала двигателя, n, об/мин	2900
Число цилиндров двигателя, i	8
Диаметр цилиндра, dц, м	0,108
Ход поршня, S, м	0,11
Длина шатуна, lш, м	0,29

 

Объем камеры сгорания определяется по формуле:

 

,

 

V_c = 0,00101 / (17,6 – 1) = 0,0000608 м³.

 

 

Где V_c – объем камеры сгорания двигателя, м³;

V_h – рабочий объем цилиндра, м³;

e – степень сжатия; e = 17,6

 

Рабочий объем цилиндра определяется по формуле:

 

,

 

V_h = 0,00916 × 0,11 = 0,00101 м³.

 

где   F_п – площадь поршня, м²;

S – ход поршня, S = 0,11 м.

 

F_п = π D² / 4, м²

 

F_п = 3,14*0,108² / 4=0,00916 м²

 

где D – принимается равным диаметру цилиндра, d_ц =0,108 м.

 

 

Объем цилиндра  в точках "а" и "b" индикаторной диаграммы для четырехтактного двигателя:

,

 

V_а = V_в = 0,0000608 + 0,00101 = 0,00107 м³.

 

 

где V_а, V_в – объем цилиндра  в точках   "а"  и "b"   индикаторной  диаграммы

      соответственно.

 

 

2 Расчет процесса наполнения

 

Давление  в цилиндре в конце  процесса  наполнения для  четырехтактных ДВС без наддува можно ориентировочно  принять:

 

Р_а  = (0,85 – 0,9) Р_о,

 

Р_а = 0,85 · 0,101 = 0,085 МПа.

 

где Р_о – атмосферное давление воздуха, МПа.  Для стандартных атмосферных

             условий Р_о = 0,101 МПа .

 

 

Температура заряда в конце процесса наполнения определяется по формуле:

 

 

 

де Т_о – температура воздушного заряда на входе в двигатель, Т_о = 293 К;   

Dt – подогрев рабочего тела в цилиндре от стенок в конце наполнения,

               для четырехтактных и двухтактных дизелей Dt = 15 °C;

Т_r – температура выпускных газов, Т_r = 700 К;

g_r – коэффициент остаточных газов, g_r = 0,03.

 

 

Коэффициент  наполнения  цилиндра определяется по формуле:

 

 

 

3 Расчет параметров  сжатия рабочего тела в цилиндре

    

Давление и температура в  конце сжатия определяется по формуле:

 

 

 

Температура в конце сжатия определяется по формуле:

 

 

 

где n₁ – показатель политропы сжатия для дизельного двигателя, n₁ = 1,35. 

 

 

4 Расчет процесса сгорания

 

Количество воздуха, необходимое  для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле:

 

 

 кмоль.

 

 

где  – элементарный состав соответственно углерода, водорода и

                          кислорода в топливе по массе, .

 

Количество свежего  заряда в  цилиндре, кмоль, приходящегося на 1 кг топлива, определяется по формуле:

М₁ = a L_о,

 

 

М₁ = 1,3 × 0,495 = 0,644 кмоль.

 

где a – коэффициент избытка воздуха,  a  = 1,3.

 

Общее количество продуктов сгорания на 1  кг топлива определяется по формуле:

 

 

 кмоль.

 

Химический коэффициент молекулярного  изменения рабочего тела:

 

 

 

Действительный коэффициент молекулярного  изменения рабочей смеси с  учетом наличия в цилиндре остаточных газов определяется по формуле:

 

 

 

Уравнение сгорания для дизельных двигателей имеет вид:

 

 

 

где x – коэффициент использования теплоты, для дизельных двигателей, x=0,75;                

      Н_u – низшая теплота сгорания  топлива, Н_u = 42500 кДж/кг;

   mc_vc – средняя молярная теплоемкость свежего заряда.

   mc_v^” – средняя молярная теплоемкость  продуктов сгорания.

 

Средняя молярная теплоемкость свежего заряда определяется по формуле:

          

mc_vc = 20,16 + 1,74 ×10^-3 Т_с;

 

mc_vc = 20,16 + 1,74 ×10^-3 ∙ 870 = 21,674.

 

Средняя молярная теплоемкость  продуктов  сгорания определяется по формуле:

 

mc_v^” =

 

mc_v^” =

 

Степень  повышения давления в цилиндре определяется по формуле:

 

l_z = P_z  / P_c.

 

l_z = 8,4 / 4,082 = 2,058

 

Подставляя полученные значения  величин в уравнения сгорания, получаем уравнение с двумя неизвестными:  максимальной температурой сгорания Т_z  и теплоемкости продуктов сгорания mc_v^” при этой же температуре.

После подстановки в уравнение сгорания известных параметров в виде числовых значений и последующих преобразований оно превращается  в квадратное уравнение:

 

АТ_z² + ВТ_z + С = 0,

 

0,00275 Т_z² + 30,664 Т_z – 81819,187 = 0.

 

где  А, В, С –  числовые коэффициенты.

Тогда решение уравнения имеет вид

 

 

 

               

 

Максимальная  температура сгорания равна Т_z = 2255 К.

 

Теоретическое максимальное давление цикла определяется по формуле:

 

Р_z¢ = Р_z.

 

Р_z¢ = 8,4  МПа.

 

5 Расчет процесса расширения

 

Степень предварительного расширения для дизельных двигателей   определяется по формуле:

 

r = (m / l_z ) × (Т_z / Т_с) ;

 

r = (1,053 / 2,058) · (2225 / 870) = 1,309.

 

Объем  цилиндра в точке  Z определяется по формуле:

 

V_z = V_c  r;

 

V_z = 0,0000608 × 1,309 = 0,0000796 м³.

 

Степень  последующего  расширения определяется по формуле:

 

d = e / r;

 

d = 17,6 / 1,309 = 13,445.

 

Давление в цилиндре в конце процесса расширения определяются по формуле:

 

Р_в = 8,4 / 13,445^1,26 = 0,318 МПа;

 

 

Температура в цилиндре в конце процесса расширения определяются по формуле:

 

 

Т_в = 2225 / 13,445^{1,26 – 1}   = 1132 К.

 

где n₂ – показатель политропы расширения, n₂ = 1,26.

 

6 Индикаторные показатели работы двигателя

 

После определения параметров характерных  точек индикаторной диаграммы вычисляются  показатели рабочего процесса.

Средним индикаторным давлением  Р_i  называют отношение работы газов за цикл L_i  к рабочему объему  V_h четырехтактного двигателя. Среднее индикаторное давление теоретического цикла для  дизелей определяется по формуле:

 

 

                                                    

 

Среднее индикаторное давление  действительного  цикла для  четырехтактного двигателя определяется по формуле:

 

Р_i = j_п Р_i¢ ,

 

Р_i = 0,94 · 0,594 = 0,558 МПа.

 

где j_п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, j_п = 0,94.

Индикаторный коэффициент  полезного  действия  h_i характеризует степень совершенства рабочего процесса в двигателе и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе  цикла, к теплоте сгорания топлива:

 

 

 

Удельный индикаторный  расход  топлива определяется по формуле:

 

 

 г/кВт.ч.

 

Индикаторная мощность двигателя определяется по формуле:

 

 

 кВт.

 

где i – число цилиндров двигателя, i = 4;

        n – частота вращения коленчатого вала двигателя, n = 5200 об/мин;

        t – коэффициент тактности двигателя, для 4-х тактных ДВС t = 4,

 

7 Эффективные показатели  работы двигателя

 

Эффективные показатели характеризуют  двигатели в целом, так как  учитывают не только потери теплоты, но и механические потери в двигателе. Для их определения вначале находят среднее давление  механических потерь:

 

Р_м = 0,103 + 0,012 C_m ,

 

Р_м = 0,103 + 0,012 · 10,633 = 0,231 МПа.

 

где С_m – средняя скорость поршня, м/с:

 

 

 

 

Среднее эффективное  давление определяется по формуле:

 

Р_е = Р_i – Р_м;

 

Р_е = 0,558 – 0,231 = 0,327 МПа.

 

Механический КПД  двигателя определяется по формуле:

 

 

 

Эффективный КПД двигателя определяется по формуле:

 

h_е = h_i h_м ;

 

h_е = 0,273 × 0,570 = 0,156.

 

Удельный эффективный расход  топлива определяется по формуле:

 

 

 

Эффективная мощность двигателя, определяется по формуле:

 

N_е = N_i  h_м.

 

N_е = 108,959 × 0,570 = 33,36 кВт.

8 Построение индикаторной  диаграммы

 

Индикаторная диаграмма строится в координатах давление Р – V. По оси абсцисс откладываются вычисленные ранее объемы V_a, V_c, V_z, V_в, соответствующие положению характерных точек индикаторной диаграммы. По оси ординат откладываются вычисленные ранее давления P_a, P_c, P_z, P_в. По значениям объемов и давлений находим положение характерных точек индикаторной диаграммы ("а", "с", "z", "в").

Далее необходимо определить координаты промежуточных точек политроп сжатия "а" – "с" и расширения "z" – "b". Для этого выразим значение давлений Р этих политроп при заданном текущем объеме V.

 

Расчет политропы сжатия

 

 

Расчет политропы расширения

 

 

Объем цилиндра определяется по формуле:

 

V = V_c + F_п  S.

 

Ход поршня определяется по формуле:

 

S = R (1 – cos j + l (1 – cos 2j) / 4),

 

где R – радиус кривошипа коленчатого вала (берется по заданию как половина

              хода поршня), R  = 0,055 м;

j – угол  поворота коленчатого вала, град.

l – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:

 

 

 

 

где l_ш – длина шатуна, l_ш = 0,29 м.

 

Расчета при   j = 180º.

 

S  = 0,055 · (1 – cos 180º + 0,190· (1 – cos (2 · 180º)) / 4) = 0,11 м;

 

 

 

 

 

Расчета при   j = 210º.

 

S  = 0,055 · (1 – cos 210º + 0,190· (1 – cos (2 · 210º)) / 4) = 0,104 м;

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчета при   j = 240º.

 

 

S  = 0,055 · (1 – cos 240º + 0,190· (1 – cos (2 · 240º)) / 4) = 0,0864 м;

 

 

 

 

 

 

Расчета при   j = 270º.

 

 

S  = 0,055 · (1 – cos 270º + 0,190· (1 – cos (2 · 270º)) / 4) = 0,0602 м;