Расчет параметров рабочего тела. Методические указания к выполнению практических

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

Методические указания к выполнению практических

работ студентами дневного и заочного обучения по 

направлению подготовки бакалавров 190600 – «Эксплуатация

транспортно-технологических машин и комплексов».

Профиль подготовки – «Автомобильный сервис»

 

Брянск 2014

 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

 

«Брянская государственная

 инженерно-технологическая академия»

 

Кафедра «Технический сервис»

 

 

Утверждены научно-методическим советом БГИТА Протокол № 10 от 26.12. 2013 г.

 

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

Методические указания к выполнению практических

работ студентами дневного и заочного обучения по 

направлению подготовки бакалавров 190600 – «Эксплуатация

транспортно-технологических машин и комплексов».

Профиль подготовки – «Автомобильный сервис»

 

 

Брянск 2014

 

УДК 621.436

 

Силовые агрегаты. Методические указания к выполнению практических работ студентами дневного и заочного обучения по направлению подготовки бакалавров 190600 – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Профиль подготовки – «Автомобильный сервис»./ Брянск, гос. инж.-технол. акад.   Сост.  В.В. Рогалев,  Р.П.  Капустин. -  Брянск: БГИТА, 2014. - 42 с.

 

 

Содержат методические указания к выполнению практической работы и примеры выполнения практической работы.

 

Для студентов дневной и заочной форм обучения.

 

 

Рецензент:

Доктор техн. наук, профессор кафедры

«Тепловые двигатели» БГТУ Обозов А.А.

 

Рекомендованы редакционно-издательской и методической комиссиями механико-технологического факультета БГИТА

Протокол № 4 от 25.12. 2013г.

 

 

Содержание

                                                                 

 

 

	Введение ……………………………………………………….	4
1.	Основные положения теплового расчета.………….…………	5
2.	Порядок выполнения теплового расчета………………………	6
3.	Тепловой расчет бензинового двигателя……………………..	7
4.	Тепловой расчет дизельного двигателя………………………	16
5.	Выполнение теплового расчета с помощью компьютера……	25
6.	Расчет теплового баланса……………………………………..	29
7.	Характеристики двигателей……………………………………	33
8.	Методика построения внешней скоростной характеристики..	34
9.	Задание для расчета характеристик……………………………	36
10.	Расчет скоростной характеристики бензинового двигателя…	36
11.	Расчет скоростной характеристики дизеля……………………	38
12.	Последовательность выполнения работы…………………….	39
13.	Отчет о выполненной работе………………………………….	40
14.	Контрольные вопросы…………………………………………	40
	Список рекомендуемой литературы…………………………..	42

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

     При изучении дисциплины «Силовые агрегаты» студенты дневной и заочной форм обучения производят расчеты бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания на практических занятиях и при выполнении курсовой и квалификационной работ. Настоящие методические указания содержат основные положения теплового расчета, расчета теплового баланса и построения скоростных характеристик двигателей различного назначения.

     Тепловой расчет является обязательной частью расчетов двигателей внутреннего сгорания. В результате его выполнения опре­деляются основные показатели работы двигателя, а также строится инди­каторная диаграмма, по которой производится динамический расчет дви­гателя и прочностные расчеты его деталей. При выполнении теплового расчета определяется компоновка двигателя, размеры и число цилиндров, мощность, расход топлива, а также выбирается форма камеры сгорания, степень сжатия и ряд других важнейших характеристик двигателя.        

Тепловым балансом называется распределение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в двигателе, на отдельные составляющие. Тепловой баланс двигателя изучается для того, чтобы максимально сократить потери теплоты, повысить КПД двигателя.

Технико-экономические показатели двигателей и автомобилей оценивают по характеристикам, получаемым при стендовых испытаниях или расчетным путем. Характеристикой называется графическое изображение зависимости параметров двигателя от показателя, определяющего режим его работы. Наибольший интерес при анализе технико-экономических параметров автомобиля представляют внешние скоростные характеристики – графическое изображение закономерности изменения параметров двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при неизменном положении органа управления подачей топлива.

Краткие методические указания. Настоящие методические указания содержат примеры выполнения теплового расчета, расчета теплового баланса и построения скоростных характеристик двигателей различного назначения.

 

1.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

 

В двигателях внутреннего сгорания превращение химической энергии топлива в механическую происходит в результате рабочего цикла, представляющего собой законченную совокупность физических и фи­зико-химических процессов, периодически повторяющихся в цилиндрах. Все важнейшие эксплуатационные и экологические характеристики двигателя: его мощность, экономичность, токсичность отработавших газов, дымность и др. – зависят главным образом от степени совершенс­тва рабочего цикла и методов его организации.

Рабочий цикл двигателя характеризуется рядом показателей: средним индикаторным давлением, удельным расходом топлива, коэффициентом по­лезного, действия, максимальным давлением цикла, скоростью нарастания давления и т.д.

Эти показатели оценивают работу цикла, его экономичность,  механическое и тепловое воздействие на детали цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателя. В свою очередь, показатели эффектив­ности рабочих циклов определяются конструкционными факторами: степенью сжатия рабочего тела, коэффициентом наполнения цилиндра, коэффициен­том избытка воздуха при сгорании, тактностью двигателя, способом смесе­образования, формой камеры сгорания. Изменение этих факторов зна­чительно влияет на характеристики двигателя, и неправильный выбор кон­структором хотя бы одного из них приведет к резкому ухудшению работы двигателя.

Основной целью расчета рабочего цикла или теп­лового расчета двигателя является определение основных параметров ра­бочего процесса, характеризующих эффективность и экономичность работы двигателя внутреннего сгорания.

     Тепловой расчет выполняется по методике, предложенной    В.И. Гриневецким и впоследствии развитой К.Е.Мазингом. По этой методике рабочий цикл представляется состоящим из ряда отдельных процессов: наполнения, сжатия, сгорания, расширения, выпуска. При выполнении расчета учитывается химическое состояние рабочего тела, гидравлические потери, зависимость теплоемкости га­за от температуры, неполнота сгорания топлива и др. 

 

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

 

Проектирование двигателя производят на основе существующего прототипа в соответствии с требованиями задания и областью применения. Расчет рабочего процесса состоит из следующих этапов.

2.1. Выбор прототипа. В качестве прототипа выбирается ближайший по мощности существующий двигатель заданного типа и назначения.

2.2. Формирование исходных данных. Следуя рекомендациям литературных источников [1 - 4], разрабатывается комплекс мероприятий, направленных на обеспечение заданного значения эффективной мощности двигателя при снижении удельного эффективного расхода топлива по сравнению с прототипом. Выполняется тепловой расчет, и полученные результаты сравниваются с заданием. Предложенный комплекс мероприятий корректируется, и расчет повторяется до получения удовлетворительных результатов.

     Наиболее часто для получения заданной мощности и снижения расхода топлива увеличивается индикаторный КПД цикла бензинового двигателя путем увеличения степени сжатия при использовании бензина с более высоким октановым числом и соответствующем изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя. Если этих мероприятий оказывается недос­таточно, производится увеличение геометрических размеров цилиндра.

     2.3. Расчет параметров рабочего процесса. Последовательность выполнения теплового расчета приведена в п. 3 и 4 данных методических указаний.

     2.4. Построение индикаторной диаграммы проектируемого двигателя.

2.5. Для наглядного представления предлагаемого комплекса конструкторско-технологических мероприятий, направленных на получения заданной мощности, и сравнения полученных результатов с данными двигателя- прототипа составляется таблица соответствия параметров.

2.6. Выводы. Полученные в результате расчета результаты сравниваются с заданием и параметрами двигателя прототипа.

3. тепловоЙ расчет БЕНЗИНОВОГО двигателя

 

     Задание. Выполнить тепловой расчет четырехтактного бензинового двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Мощность двигателя N _е = 65 кВт при n = 6000 мин^-1.

     В качестве прототипа принимается четырехтактный бензиновый двигатель ВАЗ-2106. Для обеспечения заданной мощности и уменьшения удельного эффективного расхода топлива разрабатывается комплекс конструктивных мероприятий, включающий изменение частоты вращения коленчатого вала, диаметра цилиндра и механического КПД  двигателя, табл. 1.

 

Таблица 1

Соответствие параметров проектируемого двигателя

и двигателя-прототипа

 

Параметры рабочего процесса	Двигатель
	Прототип ВАЗ-2106	Проектируемый
Тактность	4	4
Число цилиндров	4	4
Диаметр цилиндра, см	7,9	8,0
Ход поршня, см	8,0	8,0
Механический КПД	0,87	0,92
Степень сжатия	8,5	8,5
Коэффициент избытка воздуха	0,98	0,98
Коэффициент остаточных газов	0,05	0,05
Частота вращения коленвала, мин^-1	5400	6000
Марка бензина	АИ-93	АИ-93

 

Исходные данные

Тактность                                                     четырехтактный

Число цилиндров                                             i = 4

Диаметр цилиндра                                           D = 0,08 м

Ход поршня                                                      S = 0,08 м

Механический КПД                               η_м = 0,92

Степень сжатия                                          ε = 8,5

Температура окружающего воздуха                 Т₀ = 293,0 K

Коэффициент остаточных газов                      γ_r = 0,050

Коэффициент избытка воздуха                       α = 0,98

Давление окружающего воздуха                    P₀= 0,100 МПа

Частота вращения коленвала                n = 6000 мин^-1

Марка бензина                                                       АИ-93

Расчет процесса наполнения

Потери давления на впуске               

ΔP = 0,015 МПа.

Давление в конце впуска

         P_a = Р₀ - ΔP = 0,1- 0,015 = 0,085 МПа.

Температура в конце впуска

T_а = =  = 341 К,

где ΔТ_а = 15 К – подогрев заряда от стенок.

Коэффициент наполнения

 = 0,874.

Расчет процесса сжатия

 

Значение адиабаты сжатия k₁ подсчитываем методом последовательных приближений

k₁-1= ;

k₁ = 1,4.

Принимаем показатель политропы сжатия

n₁=  =1,38.

Давление в конце сжатия

P_c=P_aεⁿ¹=0,085×8,5^1,38=1,631 МПа.

Температура в конце сжатия

T_c=T_aε^n1-1=341,0×8,5^1,38-1=769 К.

Расчет процесса сгорания

Теплота сгорания принимается Q_н = 43930 кДж/кг.

Коэффициенты использования теплоты в начале и в конце расширения

x_b=0,96;

x_z=0,89.

Для карбюраторных двигателей величина x_z выше, чем для дизелей и составляет 0,89 … 0,92.

Температура конца сгорания (максимальная температура цикла)

;

где m – коэффициент молекулярного изменения;

u_z¢¢=(a¢¢+b¢¢T_z)T_z – внутренняя энергия продуктов сгорания,

u_c¢¢=(a¢¢+b¢¢T_c)T_c;

u_c=(a+bT_c)T_c; – внутренняя энергия воздуха;

a¢¢ = 20,47; b¢¢ = 0,0036; a = 19,25; b = 0,0025;

;

;

0,0038  + 21,821 - 90283,7 = 0.

T_z = 2789 К.

Для бензиновых двигателей величина максимальной температуры цикла составляет 2400…2900К.

Теоретическое максимальное давление сгорания

=6,3 МПа.

Действительное максимальное давление сгорания

 МПа,

где  = 0,8…0,9 = 0,8 - коэффициент уменьшения давления.

Степень повышения давления    

λ =  = 3,48.

 

Вывод

     В соответствии с заданием спроектирован четырехтактный бензиновый двигатель легкового автомобиля мощностью N_е = 65 кВт при n = 6000 мин^-1. Двигатель четырехцилиндровый, имеет удельный эффективный расход топлива 303 г/кВт·ч, максимальное давление сгорания Р_z = 5,67 МПа, работает на бензине АИ = 93 при степени сжатия ε = 8,5. Среднее эффективное давление Р_е = 0,81 МПа, индикаторный КПД η_i = 0,29, что соответствует заданию и современному уровню двигателестроения. Индикаторная диаграмма двигателя представлена на рис. 1.

	Р,МПа
			V,м^3·10^-3

         

4. тепловоЙ расчет дизельного двигателя

 

     Задание. Выполнить тепловой расчет четырехтактного дизельного двигателя, предназначенного для установки на тепловоз. Мощность двигателя N _е = 1470 кВт при n = 1050 мин^-1.

     В качестве прототипа принимается тепловозный четырехтактный дизель 8ЧН 27/27. Для обеспечения заданной мощности и уменьшения удельного эффективного расхода топлива разрабатывается комплекс конструктивных мероприятий, включающий изменение частоты вращения коленчатого вала, диаметра цилиндра, степени сжатия, адиабатного КПД компрессора, максимального давления сгорания, давления наддувочного воздуха и механического КПД двигателя. Увеличение P_z, P_к, ε, η_м приводят к росту индикаторного КПД, т.е. к улучшению топливной экономичности, табл. 2.

 

Таблица 2

Таблица соответствия параметров проектируемого двигателя

и двигателя-прототипа

 

Параметры рабочего процесса	8ЧН27/27	Проектируемый
Тактность	4	4
Число цилиндров	8	8
Диаметр цилиндра, см	27,0	29,0
Ход поршня, см	27,0	27,0
Механический КПД hм	0,9	0,92
Степень сжатия ε	13	14
Адиабатный КПД компрессора hак	0,73	0,75
Максимальное давление сгорания Рz, МПа	11,0	12,0
Частота вращения коленвала n, мин^-1	1000	1050
Давление наддува Рк, МПа	0,18	0,20

 

Исходные данные

Тактность                                                     4 - тактный

Число цилиндров                                             I = 8

Диаметр цилиндра                                           D = 0,29 м

Ход поршня                                                      S = 0,27 м

Механический К П Д                                       η_м = 0,92

Давление наддува                                                 P_к= 0,2 МПа

Степень сжатия                                       ε = 14

Температура окружающего воздуха                 Т₀ = 293,0 K

Коэффициент остаточных газов                      γ_r = 0,030

Коэффициент избытка воздуха                       α = 2,0

Давление окружающего воздуха                    P₀= 0,100 МПа

     Частота вращения коленвала                           n = 1050 об/мин

Расчет процесса наполнения

Требуемая величина давления наддувочного воздуха               

P_к = 0,20 МПа.

     Потери давления в воздухоохладителе      

ΔР = (0,002…0,004 МПа) = 0,002 МПа.

     Давление наддувочного воздуха за компрессором      

P^/_к = P_к +ΔР = 0,20 + 0,002 = 0,202 МПа.

Адиабатный КПД компрессора   

η_ак = 0,75.

Степень повышения давления в компрессоре

2,02.

Температура воздуха за компрессором

= 380 K,

где k = 1,4.

Понижение температуры воздуха в холодильнике               

DT_охл = 70 K.

Температура наддувочного воздуха перед ДВС  

T_к = Т^/_к - DT_охл = 380 – 70 = 310 K.

Подогрев заряда от стенок цилиндра

ΔT_а = (10…20) = 10 K.

Температура воздуха в цилиндре

320+10 = 320 K.

Температура остаточных газов

T_r = (700…900) = 800 K.

Температура заряда в начале сжатия

T_а = = 334 K.

Давление в начале сжатия       

P_а = (0,9-0,96)·Р_к  = 0,92·0,20 = 0,184 МПа.

Коэффициент наполнения, отнесенный к полезному ходу поршня       

= 0,893.

Расчет процесса сжатия

Теплоемкость воздуха в процессе сжатия

.

     Средний показатель политропы сжатия:

.

Показатель политропы сжатия получаем методом последовательного приближения: 

k₁= 1,40.

Принимаем n₁ = = 1,38.

Давление в конце сжатия        

Р_с = = 7,0 МПа.

Температура в конце сжатия     

Т_с =  = 910,0 ºК.

Расчет процесса сгорания

Коэффициенты использования теплоты в точках b и z

ξ_z = (0,65-0,85) = 0,82,

ξ_b = 0,96 (потери теплоты в стенки камеры сгорания, не все топливо сгорает).

Максимальное давление цикла    

P_z = 12,0 МПа.

Степень повышения давления при сгорании   

λ = = 1,71.

Максимальная температура цикла определяется решением уравнения

.

,

,

,

где  - внутренняя энергия воздуха в точке с;

- внутренняя энергия продуктов сгорания в точке с;

- внутренняя энергия продуктов сгорания в точке z;

a = 19,25; b = 0,0025; a`` = 20,47; b`` = 0,0036 – коэффициенты.

Отсюда T_z = 1834,0 ºK (< 2000К).

У дизельных двигателей максимальная температура цикла не должна превышать 2000К.

Вывод

     В соответствии с заданием спроектирован четырехтактный дизельный двигатель маневрового тепловоза мощностью N_е = 1470 кВт при n = 1050 мин^-1. Двигатель восьмицилиндровый, имеет удельный эффективный расход топлива 214 г/кВт·ч, максимальное давление сгорания Р_z = 12 МПа, работает при степени сжатия ε = 14. Среднее эффективное давление Р_е = 1,17 МПа, индикаторный КПД η_i = 0,394, что соответствует заданию и современному уровню двигателестроения.

 

 

5. Выполнение теплового расчета с помощью КОМПЬЮТЕРА

 

     Использование персонального компьютера дает возможность оперативно выполнять большое количество вариантов теплового расчета с тем, чтобы выбрать оптимальное сочетание параметров, обеспечивающих увеличение мощности при одновременном снижении расхода топлива. Поэтому на кафедре «Тепловые двигатели» БГТУ разработаны компьютерные программы, реализующие алгоритм теплового расчета бензиновых и дизельных двигателей. Ниже рассматривается программа для выполнения теплового расчета бензинового двигателя.

Исходные данные для расчета подготавливаются в виде отдельного файла, который может иметь произвольное имя. Для подготовки исходных данных необходимо откорректировать с помощью текстового редактора один из размещенных в каталоге TEPLOCAR файлов, имеющих следующий вид:

 

Mеханический К П Д       ! 0.92!

Коэффициент остаточных газов! 0.05!

Коэффициент избытка воздуха! 0.98!

Действительная степень сжатия  ! 8.5!

Диаметр цилиндра         !.080! М

Ход поршня               ! 0.080! M

Частота вращения коленвала! 6000.! мин^-1

Число цилиндров          ! 4.!

Марка бензина           АИ!93      !

 

    Для изменения данных в соответствии с заданием на проектирование необходимо изменить значения величин, содержащихся в файле, и сохранить исправленный файл. Численные значения величин при этом должны обязательно иметь десятичную точку и располагаться между знаками «!», а сами знаки «!» должны размещаться в тех же позициях текстовой строки, что и в корректируемом файле.

Для обеспечения работы с программой в каталоге TEPLOCAR имеются предварительно подготовленные файлы исходных данных по основным типам двигателей. Имена этих файлов совпада­ют с названиями двигателей, например GAZ24, GAZ66, GAZ3102, VAZ2108 и др.

При выполнении расчетов не следует редактировать указанные файлы. Необходимо скопировать их под другим именем, и все изменения производить только в этой копии.

В исходных данных для теплового расчета необходимо задать химический состав и низшую теплотворную способности топлива; коэффициенты использования теплоты в различных точках индикаторной диаграммы; степень подогрева заряда на входе в цилиндр и др. Все эти величины выбираются программой автоматически.

После запуска программы на экране дисплея возникает надпись «Ука­жи имя файла, откуда производится ввод исходных данных». В ответ на все запросы программы необходимо набирать соответствующее имя файла и нажи­мать ввод. На экране появляются сообщения: «Укажи имя файла, куда будут вы­водиться результаты теплового расчета» и «Укажи имя файла, куда будут вы­водиться результаты теплового расчета для динамического расчета». Име­на всех файлов могут быть произвольными.

Результаты работы программы записываются в специальный файл, который может быть при необходимости распечатан. Выводимая информация имеет исчерпывающее пояснение в тексте файла и не требует дополнитель­ного описания. Структура выводимой информации соответствует разбивке рабочего цикла на отдельные процессы. Вначале печатаются исходные дан­ные, затем результаты расчета параметров рабочего тела, процессов наполнения и сжатия, результаты расчета процессов сгорания и расшире­ния. В заключение печатаются индикаторные и эффективные показатели ра­боты двигателя, а также данные для построения свернутой индикаторной диаграммы. Указываются единицы выводимых величин.

В отдельный файл выводятся результаты теплового расчета, необхо­димые для программы динамического расчета карбюраторного двигателя. В этот файл последовательно входят величины: степень предварительного расширения, степень сжатия, атмосферное давление, давление газов на впуске из цилиндра, максималь­ное давление сгорания и показатели политроп сжатия и расширения.

Исходные данные для расчета дизельного двигателя подготавливаются в виде отдельного файла, который может иметь произвольное имя. Для подготовки исходных данных необходимо откорректировать один из размещенных в каталоге TEPLO1 файлов, имеющих следующий вид:

 

Механический КПД        ! 0.92!

Коэффициент остаточных газов! 0.03!

Коэффициент избытка воздуха! 2.0   !

Действительная степень сжатия! 14.0!

Давление наддува        ! 0.20! МПа

Коэф. в формуле для Pa  ! 0.92!

Адиабатный КПД компрессора! 0.75! МПа

Понижение температуры воздуха

в холодильнике          ! 70.0!

Коэф-ты использования теплоты 

 Ksiz! 0.82!

                      Ksib! 0.96!

Максимальное давление цикла! 12.! МПа

Диаметр цилиндра        !.29! М

Ход поршня              !.27! M

Частота вращения коленвала! 1050.! об/мин

Число цилиндров         ! 8.!

 

 

     Для изменения данных в соответствии с заданием на проектирование необходимо изменить значения величин, содержащихся в файле, и сохранить исправленный файл. Численные значения величин при этом должны обязательно иметь десятичную точку и располагаться между знаками «!», а сами знаки «!» должны размещаться в тех же позициях текстовой строки, что и в корректируемом файле.

Для обеспечения работы с программой в каталоге TEPLO1 имеются предварительно подготовленные файлы исходных данных по основным типам двигателей. Имена этих файлов совпада­ют с названиями двигателей, например: D49, IVECO, YMZ840, YMZ238.

После запуска программы на экране дисплея возникает надпись «Тактность <TT = 2 или 4>». При расчете четырехтактного дизельного двигателя нужно нажать цифру 4. Затем появляется вопрос «Откуда производится ввод исходных данных?» и даются варианты ответа: 1 - из файла UNIT3 или 2 – с экрана дисплея. При наличии подготовленного файла исходных данных нужно нажать цифру 1, а при его отсутствии – цифру 2 и затем вводить исходные данные в ответ на запросы программы. После нажатия цифры 1 появляется следующий вопрос «Ука­жи имя файла, откуда производится ввод исходных данных». В ответ на все аналогичные запросы программы необходимо набирать соответствующее имя файла и нажи­мать ввод. На экране появляются сообщения: «Укажи имя файла, куда будут вы­водиться результаты теплового расчета» и «Укажи имя файла, куда будут вы­водиться результаты теплового расчета для динамического расчета». Име­на всех файлов могут быть произвольными.

Результаты работы программы записываются в специальный файл, который может быть при необходимости распечатан. Выводимая информация имеет исчерпывающее пояснение в тексте файла и не требует дополнитель­ного описания. Структура выводимой информации соответствует разбивке рабочего цикла на отдельные процессы. Вначале печатаются исходные дан­ные, затем результаты расчета параметров рабочего тела, процессов наполнения и сжатия; результаты расчета процессов сгорания и расшире­ния. В заключение печатаются индикаторные и эффективные показатели ра­боты двигателя, а также данные для построения свернутой индикаторной диаграммы. Указываются единицы измерения выводимых величин.

В отдельный файл выводятся результаты теплового расчета, необхо­димые для программы динамического расчета четырехтактного дизельного двигателя и подготовленные в соответствующем формате. В этот файл последовательно входят величины: степень предварительного расширения, степень сжатия, атмосферное давление, давление газов на впуске из цилиндра, максималь­ное давление сгорания и величина показателей политроп сжатия и расширения.

Распечатка результатов работы программ теплового расчета является итоговым документом, который необходимо представить в отчете о выполнении практическо­го задания, в контрольной работе или в пояснительной записке к курсовой или квалификационной работе.

 

6. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

 

    Тепловым балансом называется распределение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в двигателе, на отдельные составляющие. Тепловой баланс представляется в процентах от подведенной теплоты.

    Исходными данными для расчета теплового баланса двигателя являются результаты теплового расчета.

    Уравнение теплового баланса записывается в виде

где Q ₀ – теплота сгорания израсходованного топлива;

  Q _е – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

  Q _ОЖ –  теплота, отводимая от двигателя в системы охлаждения и смазки;

  Q _ОГ – теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами;

  Q _НС – теплота, не выделившаяся из-за неполного сгорания топлива;

  Q _ОСТ – остаточный член, учитывающий потери теплоты, не учтенные ранее.

     Тепловой баланс определяется с целью изучения структуры непроизводительных потерь теплоты и возможности их уменьшения. 

     Тепловой баланс может быть рассчитан. Исходными данными для расчета теплового баланса двигателя являются результаты теплового расчета. 

     Рассмотрим расчет теплового баланса дизеля.

Расчет выполняется для четырехтактного тепловозного дизеля мощностью N_e = 1470 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = = 1050 мин^-1.

Из теплового расчета дизеля известны следующие данные:

удельный эффективный расход топлива g _е = 0,214 кг/(кВт·ч);

мощность двигателя N_e = 1470 кВт;

низшая теплота сгорания топлива Q _н = 42 700 кДж/кВт;

коэффициент избытка воздуха α = 2;

частота вращения коленчатого вала n = 1050 мин^-1;

диаметр цилиндра d = 29 см;

число цилиндров i = 8;

температура окружающего воздуха Т₀ = 293 К;

температура газов на выпуске Т_в = 935 К;

число молей продуктов сгорания М₂ = 1,023;

число молей свежего заряда М₁ = 0,99.

Часовой расход топлива

G _т = g_eN_e = 0,214 · 1470 = 314,6 кг/ч.

Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:

.

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с:

Q_e = 1000 N_e = 1000 ·1470 = 1 470 000 Дж/с.

Теплота, передаваемая в системы охлаждения и смазки:

,

где с = 0,4…0,53 – коэффициент пропорциональности; с = 0,5;

m = 0,6…0,7 – показатель степени; m = 0,65.

Тогда

Q _ож = (0,5 · 8 · 29^1+2·0,65 · 1050^0,65)0,5 = 424 841 Дж/с.

Теплота, унесенная с отработанными газами:

где  – молярная теплоемкость отработавших газов;

 – молярная теплоемкость чистого воздуха.

Тогда

Неучтенные потери теплоты

;

Q _ост = 3 731 505 – 1 470 000 – 424 841 – 1 485 678 = 350 986 Дж/с..

В результате расчета теплового баланса заполняется табл. 3, в которой распределение теплоты выражается в Дж/с и в процентах от Q _о, т.е. от теплоты, вносимой в двигатель с топливом и выделяющейся в результате его сгорания. По данным таблицы в выбранном масштабе строится график распределения статей теплового баланса, рис. 3.

 

Таблица 3

Статьи теплового баланса дизеля

 

Теплота	Дж/с	% Q о
Qe	1470000	39,4
Q ож	424841	11,4
Q ог	185678	39,8
Q ост	350986	9,4
Q о	331505	100

 

Расчет теплового баланса бензинового двигателя  выполняется для четырехтактного бензинового двигателя легкового автомобиля мощностью 65,2 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 6000 мин^-1.

Из теплового расчета двигателя известны следующие данные:

удельный эффективный расход топлива g_e = 0,303 кг/(кВт·ч);

мощность двигателя Ne = 65,2 кВт;

низшая теплота сгорания бензина: Q _н = 43 930 кДж/кг;

коэффициент избытка воздуха α = 0,98;

диаметр цилиндра d = 8 см;

число молей продуктов сгорания М₂ = 0,538;

число молей свежего заряда М₁ = 0,503;

температура отработавших газов Т_в = 1257 К;

температура окружающей среды Т_о = 293 К.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива L _о = 0,51 кмоль/кг.топл. 

Число цилиндров i = 4.

По приведенным исходным данным рассчитываются статьи теплового баланса.

Часовой расход топлива

G _т = g_eN_e = 0,303·65,2 = 19,76 кг/ч.

Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:

Неполнота сгорания топлива при α < 1

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с:

Q _е = 1000 N е = 1000·65,2 = 65 200 Дж/с.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

,