Тепловой расчет и тепловой баланс ДВС



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

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 тт— молекулярная масса паров топлива. Значение mт для различных топлив:

4. Количество отдельных компонентов продуктов сгоранияпри 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 Δра 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;

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

ρк и ρо — плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при рк = ро и ρк = ρо).

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

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

При работе двигателя с наддувом значение ра при­ближается к рк, 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 уr определяет качество очистки цилиндров от продук­тов сгорания. С увеличением уr уменьшается количество свежего за­ряда, которое может поступить в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

 

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

В четырехтактных двигателях величина γr 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 Тr величина γr 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 Та 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 mcp — mcp" = mcp׳ получим

 

Величина Та 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 φпд=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 ηv =0.70÷0.85

Для дизельных двигателей ηv = 0.80÷0.90

 

Процесс сжатия

1.Средний показатель адиабаты сжатия k1 при заданном (ε) и (Та) 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 tc = Тс – 273, ºС – температура свежей смеси в конце сжатия

б) Остаточных газов

, кДж/кмоль-град

где и - мольные теплоемкости ОГ интервала температур tc (определяя среднею мольную теплоемкость ОГ при температуре tc = 458 ºС выбирается интервал температур от tc1 = 400 ºС до tc2=500 ºС следовательно принимаются их мольные теплоемкости при заданных температурах, отсюда tci=100 ºС и tc2-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 (mcv") tt 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 Ni — работа, совершаемая газами внутри цилиндров в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя

где pi — среднее индикаторное давление, Мн/м2;

Vh — 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. ηi 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 Li — теплота, эквивалентная индикаторной работе, Мдж/кг;

Ни — 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 ρк принимаем ρ0.

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 рм 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 vп.ср = 12÷15 м/сек

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

Для транспортных дизелей vп.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 ре выражено в Мн/м2; Vh — в л; n — в об/мин.

5. Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива.Эффективный к.п.д. ηе и эффективный удельный расход топлива ge 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 Ne выражена в кВт, ре — 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 ηм. 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 = 1,37Мн/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 zД лежит на линии z'z ориентировочно вблизи точки z.

Для дизеля

Нарастание давления от точки с" до zДсоставляет

где 10° — положение точки zД по оси абсцисс.

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

Для бензинового

Нарастание давления от точки с" до zд составляет

где 12° — положение точки zдпо горизонтали (для упрощения дальнейших расчетов можно принять, что действительное макси­мальное давление сгорания рzд 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 zд и кривой расширения, b с b" и линией выпуска, по­лучаем скругленную действительную индикаторную диаграмму ra'ac'fc''zдb'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 mcv" 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



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.237.178.91 (0.061 с.)