Тепловой расчет и тепловой баланс двс

Тепловой расчет и тепловой баланс ДВС

Произвести расчет четырехтактного бензинового (дизельного) двигателя, предназначенного для легкового (грузового) автомобиля или автобуса.

Исходные данные:

Двигатель: Б – бензиновый

Д – дизельный

Эффективная мощность – Ne, кВт

Число оборотов коленчатого вала - n, об./мин.

Степень сжатия - ε

Число цилиндров – i, R-рядный или V-образный

Система охлаждение жидкостная закрытого типа.

Тепловой расчет

Топливо. 1. В соответствии с заданной степенью сжатия ε в качестве топлива выбирают бензин марки АИ-95 (98), дизельное топливо ДТ (летнее или зимнее).

2. Средний элементарный состав топлива см. табл. 1.

Содержание: С =…, Н =…

Таблица 1

 

Низшая теплота сгорания топлива

Если известен элементарный состав жидкого топлива, то для приближенного определения его низшей теплоты сгорания обычно пользуются формулой Д. И. Менделеева

 

 

где W — количество водяных паров в продуктах сгорания массо­вой или объемной единицы топлива.

Примерные значения низшей теплоты сгорания автотракторных топлив приведены в табл. 5.

Таблица 5

Параметры рабочего топлива

1. теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива.

кг возд/кг топл,

кмолъ возд/кг топл,

где 0,23 — массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;

0,21 — объемное содержание кислорода в 1 кмолъ воздуха.

Коэффициент избытка воздуха.

Возможность применения электронного управления системы питания рассчитываемого двигателя и стремления получить двигатель повышенной литровой мощности позволяет выбрать значение α (см. табл. 2), обеспечивающее максимальную скорость сгорания и достаточную экономичность.

Таблица 2

Значение коэффициента избытка воздуха для различных двига­телей

Количество рабочей смеси

где т _т— молекулярная масса паров топлива. Значение m_т для различных топлив:

4. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при К=0,5

К – постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания; для бензинов К = 0,45-0,50

При полном сгорании топлива (α ≥ 1)продукты сгорания сос­тоят из углекислого газа СО₂,водяного пара Н₂О, избыточного кислорода О₂ иазота N₂.

Содержание отдельных компонентов продуктов сгорания жидко­го топлива при α≥1 определяют по формулам:

количество СО₂

количество Н₂О

количество О₂

количество N₂

Общее количество продуктов полного сгорания жидкого топлива

определится как сумма

При неполном сгорании топлива (α <1) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода СО, углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, свободного водорода Н₂ и азота N₂.

Содержание отдельных компонентов продуктов неполного сго­рания жидкого топлива определяют по формулам:

количество СО₂

количество СО

количество Н₂О

количество Н₂

количество N₂

где К — постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания; для бензинов К = 0,45—0,50.

5. Общее количество продуктов неполного сгорания жидкого топ­лива

Проверка

 

Плотность заряда на впуске

где В — удельная газовая постоянная. Для воздуха

где R = 8315 дж/кмоль град — универсальная газовая постоянная.

Потери давления на впуске.

Потери давления Δр_а за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

где β — коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

ξ вп— коэффициент сопротивления впускной системы, отне­сенный к наиболее узкому ее сечению;

ω _ВП — средняя скорость движения заряда в наименьшем се­чении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах);

ρ_к и ρ_о — плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при р_к = р_о и ρ _к = ρ _о).

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β² + ξ_ВП) = 2,5÷4,0 и ω_ВП = 50-130 м/сек.

Величина Δр_а у четырехтактных двигателей без наддува на но­минальном режиме колеблется в пределах: для бензиновых двигателей Δр_а= (0,06÷0,20) р₀ Мн/м², для дизелей Δр_а = (0,04÷0,18) р₀ Мн/м².

При работе двигателя с наддувом значение р_а при­ближается к р_к, однако абсолютные значения сопротивлений во впускных органах возрастают.

Для четырехтактных двигателей с наддувом

4. Давление в конце впуска. Для двигателей с наддувом и без наддува.

 

или

 

5. Коэффициент остаточных газов. Величина коэффициента оста­точных газов у_r определяет качество очистки цилиндров от продук­тов сгорания. С увеличением у_r уменьшается количество свежего за­ряда, которое может поступить в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

 

где ε — степень сжатия, Т_к = Т₀ – температура после компрессора или температура окружающей среды.

В четырехтактных двигателях величина γ_r зависит от степени сжатия, параметров рабочего тела в конце впуска и выпуска, чис­ла оборотов и других факторов.

С увеличением степени сжатия ε и температуры остаточных га­зов Т_r величина γ_r уменьшается, а при увеличении давления оста­точных газов и числа оборотов — возрастает:

При применении наддува величина коэффициента остаточных газов снижается.

12. Температура в конце впуска. Эту температуру Т_а с достаточной степенью точности определяют на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки а:

где — количество теплоты, внесенное свежим зарядом, с учетом подогрева заряда от сте­нок;

— количество теплоты, заключающееся в остаточных газах;

— количество теплоты, заключающееся в ра­бочей смеси.

Принимая в уравнении mc_p — mc_p" = mc_p׳ получим

 

Величина Т_а в основном зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени — от температуры остаточных газов.

У современных четырехтактных двигателей без наддува темпе­ратура в конце впуска будет:

Коэффициент наполнения.

Для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра

для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки φ_п=φ_д=1;

Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, степени его быстроходности и совершенства сис­темы газораспределения.

Значение коэффициента наполнения для сравнения:

Для бензиновых двигателей η_v =0.70÷0.85

Для дизельных двигателей η_v = 0.80÷0.90

 

Процесс сжатия

1. Средний показатель адиабаты сжатия k₁ при заданном (ε) и (Т_а) определяют по графику (см. рис. 7).

Рис. 7. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k₁

2. Средний показатель политропы сжатия. Величина n₁ устанавливается по опытным данным в зависимо­сти от числа оборотов двигателя, степени сжатия, размеров цилинд­ра, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов. Однако, учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быст­ро (0,015-0,005 сек на номинальном режиме), суммарный тепло­обмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжа­тия получается незначительным и величина п₁ может быть оценена по среднему показателю адиабаты сжатия k₁.

Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, принимают

 

 

3. Давление и температура в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем п₁:

Для современных автомобильных и тракторных двигателей дав­ление и температура в конце сжатия изменяются в пределах (для сравнения):

 

 

4. Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия.

а) свежей смеси выбирается из табл. 7 из интервала температур от 0 до 1500 ºС для воздуха.

Таблица 7

 

где t_c = Т_с – 273, ºС – температура свежей смеси в конце сжатия

б) Остаточных газов

, кДж/кмоль-град

где и - мольные теплоемкости ОГ интервала температур t_c (определяя среднею мольную теплоемкость ОГ при температуре t_c = 458 ºС выбирается интервал температур от t_c1 = 400 ºС до t_c2 =500 ºС следовательно принимаются их мольные теплоемкости при заданных температурах, отсюда t_ci= 100 ºС и t_c2-_c1 = 58 ºС). Значения теплоемкости продуктов сгорания соответственно при 400 ºС и 500 ºС, взятые по таблице 8 при заданной (α) для бензиновых двигателей.

Рекомендация: Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия может быть определена непосредственно по табл. 8 для бензина или по табл. 9 для дизельного топлива.

При невозможнос­ти определить (mc_v") ^t_t по табл. 8 или 9 (несоответствие элемен­тарного состава топлива) средняя мольная теплоемкость остаточ­ных газов определяется по уравнению

где средние мольные теплоемкости отдельных компонентов продук­тов сгорания определяются по табл. 6 или по формулам табл. 7 в интервале температур от 0 до 1500° С.

 

в) рабочей смеси

 

Процесс сгорания.

1. коэффициента молекулярного изменения горючей смеси

2. коэффициент молекулярно­го изменения рабочей смеси

Величина µ изменяется в пределах (для сравнения):

Пример

5. Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания

Для бензинового

 

Для дизеля

Конец примера

Пример

6. Коэффициент использования тепла. Значительное догорание бензинового топлива в процессе расширения при n = 5800 об/мин будет снижать величину ξ _z, но использование обогащенной смеси (α = 0,9), обеспе­чивающей максимальную скорость сгорания, будет несколько уменьшать процессе догорания. Учитывая эти факторы, можно при­нять ξ _z = 0,9.

Для дизеля применение наддува при струйном смесеобразовании повышает теплонапряженность двига­теля и создает благоприятные условия для протекания процесса сгорания. Это позволяет принять ξ _z =0,82.

Индикаторная мощность.

Индикаторная мощность двигателя N_i — работа, совершаемая газами внутри цилиндров в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя

где p_i — среднее индикаторное давление, Мн/м²;

V_h — рабочий объем одного цилиндра, л (дм³);

i — число цилиндров;

п - число оборотов коленчатого вала, об/мин;

τ - тактность двигателя.

3. Индикаторный к.п.д. и удельный индикаторный расход топ­лива. Индикаторный к. п. д. η_i характеризует степень использова­ния в действительном цикле теплоты топлива для получения полез­ной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалент­ной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

Для 1 кг топлива

где L_i — теплота, эквивалентная индикаторной работе, Мдж/кг;

Н_и — низшая теплота сгорания топлива, Мдж/кг.

Таким образом, индикаторный к. п. д. учитывает все тепловые потери действительного цикла.

Для дизельных двигателей, работающих на жидком топливе.

Для бензиновых двигателей то же самое только в знаменателе вместо ρ_к принимаем ρ_0.

Величина индикаторного к.п.д. в современных автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, имеет следующие значения (для сравнения):

4. Индикаторный удельный расход жидкого топлива определяют по уравнениям:

Удельные расходы топлива на номинальном режиме (для сравнения):

 

Эффективные показатели двигателя

Параметры, характеризующие работу двигателя, отличаются от индикаторных наличием необходимых затрат полезной работы на! преодоление различных механических сопротивлений (трение в кривошипно-шатунном механизме, приведение в действие вспомо­гательных механизмов и нагнетателя и др.) и на совершение про­цессов впуска и выпуска.

1. Среднее давление механических потерь. Потери на преодоление различных сопро­тивлений оцениваются величиной мощности механических потерь или величиной работы, соответствующей мощности механических потерь, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра.

Ниже даны эмпирические формулы для определения величины р_м в двигателях различного типа:

а) для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до 6 и отношением S/D>1

б) для карбюраторных восьмицилиндровых двигателей с отно­шением

S/D <1

в) для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до 6 и отношением S/D<l

г) для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

д) для предкамерных дизелей

е) для дизелей с вихревыми камерами

Где средняя скорость поршня предварительно принимают:

Для бензиновых двигателей легковых автомобилей v_п.ср = 12÷15 м/сек

Для бензиновых двигателей грузовых автомобилей v_п.ср = 9÷12 м/сек

Для транспортных дизелей v_п.ср = 6,5÷12 м/сек

 

 

Механический к.п.д.

 

По опытным данным механический к.п.д. для различных дви­гателей, работающих на номинальном режиме, изменяется в сле­дующих пределах (для сравнения):

 

4. Эффективная мощность.

где р_е выражено в Мн/м²; V_h — в л; n — в об/мин.

5. Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива. Эффективный к.п.д. η_е и эффективный удельный расход топлива g_e характеризуют экономичность работы двигателя.

 

Значения эффективного к.п.д. меняются в зависимости от типа двигателя в следующих пределах (на номинальном режиме) для сравнения:

 

 

Часовой расход топлива

Основные параметры цилиндра и двигателя

Если задана эффектив­ная мощность двигателя и выбрана величина S/D, то основные конструктивные параметры дви­гателя (диаметр цилиндра и ход поршня) определяют следующим образом.

Литраж двигателя

где N_e выражена в кВт, р_е — в Мн/м²; n — в об/мин.

Диаметр цилиндра

Ход поршня

Пример

Для бензинового

3. Диаметр и ход поршня. В целях уменьшения скорости порш­ня и сокращения габаритов двигателя принимают S/D = 0,85, тогда

Принимается D = 80 мм; S = 70 мм.

Для дизеля

3. Диаметр и ход поршня. Дизели, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D>1. Однако уменьшение S/D для дизеля, так же как и для карбюраторного дви­гателя, снижает скорость поршня и повышает η_м. В связи с этим целесообразно принять S/D= 1,05:

Окончательно принимается D = 130 мм;S = 138 мм.

 

Полученные значения D и S округляют до четных чисел, нуля или пяти. По окончательно принятым значениям D и S определяют основные параметры и показатели двигателя:

Конец примера

Аналитическим методом

5. Построение политроп сжатия и расширения производится аналитическим методом:

а) политропа сжатия

 

Отсюда

 

где

б) политропа расширения

Отсюда

Результаты расчетов точек политроп приведены в табл. 10. Ра­счетные точки политроп показаны на рис. 19 только для наглядно­сти. При выполнении практических расчетов эти точки на диаграм­ме не показывают.

Таблица 10

6. Теоретическое среднее индикаторное давление

что очень близко к величине р^'_i = 1,37 Мн/м², полученной в тепло­вом расчете (F'- площадь диаграммы acz'zba - для дизеля ) и (F'- площадь диаграммы aczba - для бензинового).

7. Скругление индикаторной диаграммы.

Для дизеля

Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ори­ентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения:

впуск — начало (точка r') за 25° до в. м. т. и окончание (точка а") — 60º после н. м. т.;

выпуск — начало (точка b') за 60° до н. м. т. и окончание (точка, а') — 25° после в. м. т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска θ = 22° (точка с') и продолжительность периода задержки воспламенения Δφ₁=10° (точка f),

Для бензинового

Так как рассчитывае­мый двигатель достаточно быстроходный (n = 5800 об/мин), то фа­зы газораспределения устанавливают с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и возможности дозарядки в конце впуска. В связи с этим начало открытия впускного кла­пана (точка r') принимают за 18° до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (точка а") - через 70° после прохода поршнем н.м.т.; начало открытия выпускного клапана (точка b') принимают за 55° до прихода поршня в н.м.т., а закрытие (точка а') - через 25° после прохода поршнем в.м.т. С учетом быстроходности двига­теля принимают и угол опережения зажигания θ = 35°, а продолжи­тельность периода задержки воспламенения Δβ₁ = 5°.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения, углом опережения впрыска (зажигания) и периодом задержки воспламенения опреде­ляется положение точек (b', r', а', а", с' и f – для дизеля)и для точек (r',a',a'',c',f, и b' – для бензинового)по формуле для переме­щения поршня.

где λ — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Выбор ве­личины λ производится при проведении динамического рас­чета, а при построении индикаторной диаграммы ориенти­ровочно установим λ =0,260…0,265.

Для дизеля

Расчеты ординат точек b', r', а', а", с' и f – дизеля сведены в табл. 13.

Таблица 13.

Для бензинового

Расчеты ординат точек r', а', а", с', f и b' сведены в табл. 11.

Таблица 11

Положение точки с" определяется из выражения

Точка z_Д лежит на линии z'z ориентировочно вблизи точки z.

Для дизеля

Нарастание давления от точки с" до z _Дсоставляет

где 10° — положение точки z_Д по оси абсцисс.

Соединяя плавными кривыми точки: r с а', с' с с" и далее с z_д и кривой расширения, b' с b" и далее с r ' и r, получаем скругленную индикаторную диаграмму ra'afc"z _д b'b"r.

Для бензинового

Нарастание давления от точки с" до z_д составляет

где 12° — положение точки z _дпо горизонтали (для упрощения дальнейших расчетов можно принять, что действительное макси­мальное давление сгорания р z_д достигается через 10° после в. м. т., т. е. при повороте коленчатого вала на 370°).

Действительное давление сгорания

 

Соединяя плавными кривыми точки r с а', с' с с" (см. рис. 19) и далее с z_д и кривой расширения, b с b" и линией выпуска, по­лучаем скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc''z _д b'b''r.

 

Рис. 19. Построение индикаторной диаграм­мы двигателя аналитическим методом

 

Конец построения

Приложение

 

Таблица 6.

 

t,Cº	Средняя мольная теплоемкость отдельных газов при постоянном объеме, кдж/кмоль- град
Воздух	О2	N2	Н2	СО	СО2	Н2О
	20,800	20,930	20,666	20,390	20,808	27,394	25,188
	20,838	21,202	20,746	20,641	20,863	30,091	25,431
	20,993	21,629	20,838	20,767	20,993	31,954	25,807
	21,215	22, 085	20,988	20,850	21,206	33,624	26,264
	21,482	22,571	21,206	20,892	21,478	35,115	26,779
	21,788	23,019	21,466	20,934	21,792	36,438	27,319
	22,098	23,454	21,746	21,018	22,119	37,623	27,884
	22,416	23,840	22,044	21,101	22,404	38,682	28,479
	22,722	24,200	22,341	21,227	22,726	39,636	29,082
	23,040	24,564	22,625	21,353	23,036	40,528	29,697
	23,291	24,811	22,898	21,478	23,320	41,307	30,308
	23,559	25,079	23,161	21,604	23,555	42,015	30,915
	23,806	25,330	23,413	21,813	23,802	42,668	31,514
	24,049	25,552	23,655	21,981	24,120	43,262	32,096
	24,271	25,766	23,877	22,148	24,346	43,798	32,665
	24,480	25,971	24,091	22,316	24,556	44,301	33,214
	24,673	26,163	24,288	22,483	24,748	44,761	33,746
	24,857	26,352	24,468	22,651	24,928	45,192	34,265
	25,029	26,523	24,639	22,860	25,100	45,598	34,759
	25,192	26,691	24,803	23,027	25,259	45,963	35,228
	25,343	26,854	24,953	23,195	25,410	46,310	35,684
	25,489	27,013	25,096	23,362	25,548	46,637	36,124
	25,627	27,172	25,230	23,572	25,682	46,947	36,542
	25,761	27,310	25,359	23,739	25,807	47,235	36,944
	25,887	27,449	25,481	23,507	25,929	47,495	37,334
	26,008	27,591	25,594	24,074	26,038	47,755	37,705

 

 

Значения средней мольной теплоемкости mc_v" продуктов сгора­ния бензина (состав: С = 0,855; Н = 0,145) в зависимости от α даны в табл. 8.

 

Таблица 8

Температура t, С°	Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания, кдж/кмоль-град, бензина при α
0,75	0,80	0,85	0,50	0,95	1,00	1,05	1,10	1,15	1,20
	21,751	21,842	21,925	22,002	22,073	22,138	22,075	22,017	21,964	21,915
	22,063	22,184	22,296	22,398	22,493	22,581	22,503	22,432	22,366	22,305
	22,335	22,477	22,607	22,727	22,837	22,940	22,853	22,774	22,702	22,635
	22,645	22,805	22,952	23,087	23,212	23,328	23,234	23,148	23,068	22,996
	22,997	23,174	23,336	23,485	23,623	23,751	23,650	23,558	23,473	23,298
	23,371	23,562	23,738	23,899	24,048	24,186	24,079	23,981	23,892	23,809
	23,753	23,957	24,144	24,316	24,474	24,621	24,509	24,403	23,312	24,225
	24,138	24,354	24,552	24,734	24,902	25,059	24,941	24,832	24,733	24,642
	24,520	24,745	24,952	25,142	25,317	25,480	25,358	25,245	25,141	25,048
	24,888	25,122	25,337	25,535	25,718	25,887	25,760	25,643	25,536	25,438
	25,237	25,480	25,702	25,907	26,095	26,270	26,138	26,017	25,905	25,803
	25,570	25,820	26,050	26,261	26,456	26,637	26,500	26,374	26,259	26,153
	25,894	26,150	26,385	26,602	26,802	26,987	26,845	26,716	26,597	26,495
	26,208	26,469	26,708	26,928	27,131	27,319	27,174	27,040	26,918	26,805
	26,496	26,762	27,005	27,235	27,436	27,628	27,479	27,342	27,216	27,100
	26,771	27,042	27,290	27,518	27,729	27,924	27,771	27,630	27,502	27,383
	27,029	27,303	27,555	27,787	28,001	28,200	28,043	27,899	27,767	27,646
	27,269	27,548	27,803	28,039	28,256	28,457	28,297	28,150	28,011	27,891
	27,500	27,782	28,040	28,278	28,498	28,701	28,538	28,388	28,251	28,124
	27,717	28,002	28,263	28,504	28,726	28,932	28,765	28,613	28,473	28,344
	27,921	28,208	28,473	28,716	28,940	29,148	28,978	28,824	28,681	28,573
	28,115	28,406	28,672	28,918	29,144	29,354	29,182	29,025	28,880	28,747
	28,301	28,593	28,862	29,109	29,337	29,548	29,374	29,214	29,068	28,933
	28,477	28,772	29,049	29,298	29,528	29,734	29,557	29,395	29,247	29,110
	28,644	28,941	29,213	29,464	29,695	29,910	29,730	29,567	29,373	29,278
	28,802	29,101	29,396	29,627	29,879	30,076	29,895	29,729	29,577	29,436

 

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания ди­зельного топлива (состав: С = 0,870; Н = 0,126; 0 = 0,004) - в табл. 9.

Таблица 9