Индикаторные и эффективные показатели работы дизеля

Среднее теоретическое индикаторное давление 

 =

= =1,3 МПа

Действительное среднее индикаторное давление   

=1,28 МПа,

где = 0,985 – коэффициент полноты диаграммы.

     Индикаторный КПД           

= 0,428.

Удельный индикаторный расход топлива                 

g_i =  0,197 .

Индикаторная цилиндровая мощность

= 199,696  ≈ 200 ,

где                       Индикаторная мощность двигателя

200·8 = 1600 кВт.

     Среднее эффективное давление  

1,17 МПа.

Эффективный КПД           

 0,394.

Эффективный удельный расход топлива                 

 0,214 .

Эффективная цилиндровая мощность

= 184 .

Мощность двигателя            

N_e = N_ec ·I = 184,0·8 = 1472,0 кВт.

 

Построение индикаторной диаграммы

Объемы рабочего тела в характерных точках цикла

V_S = 0,0178 м³; V_с =  = 0,0014 м³;

V_z = ρ·V_с = 1,22·0,0014 = 0,0017 м³;

V_a = V_b = ε · V_с =14·0,0014 = 0,0196 м³.

Давление рабочего тела в характерных точках цикла

P_а = 0,184 МПа; P_b = 0,53 МПа; P_c = 7,0 МПа; P_z = 12,0 МПа.

     Показатели политроп

n₁ = 1,38; n₂ = 1,276.

     Ординаты линии сжатия рассчитываем по формуле

.

V, м^3;	0,0014	0,0044	0,0075	0,0105	0,0135	0,0166	0,0196
Р, МПа	7,0	1,446	0,693	0,435	0,308	0,217	0,184

         

Ординаты линии расширения рассчитываем по формуле

.

V, м^3;	0,0017	0,0044	0,0075	0,0105	0,0135	0,0166	0,0196
Р, МПа	12,0	3,566	1,806	1,175	0,770	0,655	0,53

     Масштабы по осям выбираем в соответствии с наличием свободного места на листе диаграмм.                                             

     По данным, приведенным в таблицах, строится индикаторная диаграмма, показанная на рис. 2. 

         

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:

,

где с = 0,45…0,53 – коэффициент пропорциональности; с = 0,5;

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

Тогда

Дж/с.

     Теплота, унесенная с отработавшими газами:

Дж/с.

Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

Дж/с.

Неучтенные потери теплоты

Дж/с.

Q _ост = Q _о -(Q_e + Q _ож + Q _ог + Q _нс) = 241 126 – 65 200 – 67 661–

– 60 626 – 6 713 = 40 926 Дж/с.

Составляющие теплового баланса приведены в табл. 4.

 

Таблица 4

Статьи теплового баланса бензинового двигателя

 

Теплота	Дж/с	% Q о
Q е	65200	27
Q ож	67661	28
Q ог	60626	25
Q нс	6713	3
Q ост	40926	17
Q о	241126	100

По данным расчета теплового баланса оценивается степень совершенства организации рабочего цикла двигателя, и определяются пути снижения непроизводительных потерь теплоты.

 

7. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

Технико-экономические показатели двигателей оценивают по характеристикам, получаемым при стендовых испытаниях или расчетным путем.

Характеристикой называется графическое изображение зависимости или нескольких параметров двигателя от показателя, принятого за основу (чаще всего – от показателя, определяющего режим работы двигателя).

Виды характеристик: скоростные, нагрузочные, регуляторные, холостого хода и др. Наиболее часто используются виды характеристик двигателей: скоростные, нагрузочные и винтовые.

Скоростные характеристики – графическое изображение закономерности параметров двигателя в зависимости от числа оборотов (скорости вращения) его вала при неизменном положении органа управления подачей топлива. Внешние скоростные характеристики рассчитываются при полной цикловой подаче топлива.

Характеристики могут рассчитываться либо с помощью микрокалькулятора, либо по специальной программе для ПЭВМ, которая построена таким образом, что не требует каких-либо особых инструкций по работе с ней.

 

8. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

Внешняя скоростная характеристика строится аналитически по результатам теплового расчета двигателя на номинальной мощности N _е при номинальной частоте вращения коленчатого вала n. Характеристика строится в интервале числа оборотов от n_min = 1000 мин ^–1 до n_max = (1,1...1,2) n для карбюраторных двигателей, в интервале от n_min = = 100 мин ^–1 до n для дизелей. Расчетные точки кривых определяются по эмпирическим зависимостям через 100 – 500 мин ^–1. Ниже приводятся зависимости для расчета.

Для карбюраторных ДВС текущее значение мощности N _ех

где все переменные с индексом «х» – текущие значения при различных частотах вращения коленчатого вала.

Для дизелей с неразделенными камерами сгорания текущее значение мощности, кВт.

Текущее значение мощности для дизелей с предкамерой, кВт

Для дизелей с вихревой камерой, кВт

Здесь n_x, N _ех – текущие значения частоты вращения коленчатого вала двигателя и его эффективной мощности.

Точки кривой крутящего момента, М_х, Н∙м определяются по формуле

Точки кривой среднего эффективного давления Р_ех, МПа рассчитываются по зависимости

где V _л – объем цилиндров двигателя (л);

  τ – коэффициент тактности;

  τ = 1 – для двухтактных ДВС;

  τ = 2 – для четырехтактных ДВС.

Среднее индикаторное давление

P_ix = P_ex + P_mx,

где P_mx – среднее давление механических потерь, МПа.

Для карбюраторных ДВС i ≤ 6 и s / d > 1, 

P_mx = 0,049 + 0,0152 C_mx,

где C_mx – средняя скорость поршня, м/с.

Для карбюраторных ДВС i = 8 и s / d < 1, 

P_mx = 0,039 + 0,0132 C_mx.

Для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами сгорания

P_mx = 0,089 + 0,0118 C_mx.

Для предкамерных дизелей

P_mx = 0,103 + 0,0153 C_mx.

Для дизелей с вихревыми камерами

P_mx = 0,089 + 0,0135 C_mx.

Средняя скорость поршня, м/с

где ход поршня S подставляется в мм.

Удельный эффективный расход топлива карбюраторных ДВС g_ex, г/кВт∙ч

Удельный эффективный расход топлива для дизеля с неразделенной камерой сгорания, г/кВт∙ч

Часовой расход топлива кг/ч

G _тх = g_exN_ex 10^-3.

 

9. ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК

 

Задание для расчета внешних характеристик формируется по результатам теплового расчета номинального режима работы двигателя.

В задание входят:

– эффективная мощность N _е, кВт;

– частота вращения коленвала n, мин ^–1;

– коэффициент тактности τ = 1 или τ = 2;

– объем двигателя V _л, л;

– ход поршня S, мм;

– удельный эффективный расход топлива g _е, г/кВт∙ч.

 

10. РАСЧЕТ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

   Из теплового расчета известно:

N_e = 55,2 кВт; n = 5800 мин^-1; τ = 2; V _л = 1,407_л; S = 70 мм; g_e = =295 г(кВт∙ч).

Текущие значения мощности, кВт

Текущие значения крутящего момента, Н∙м

Текущие значения среднего эффективного давления, МПа

Текущая средняя скорость поршня, м/с

Текущее значение среднего давления механических потерь, МПа

Р_тх = 0,034 + 0,0111 .

Среднее индикаторное давление, МПа

Р _{i х} = Р_ех + Р _{m х}.

Текущий удельный эффективный расход топлива, г/кВт∙ч

Текущий часовой расход топлива кг/ч

G _Тх = 10^-3 g_exN_ex.

Задаемся изменением скорости вращения двигателя от 1000 мин ^–1 и результаты расчета сводим в табл. 5.

 

Таблица 5

Результаты расчета внешней скоростной характеристики

карбюраторного двигателя

 

n, мин^-1	Ne, кВт	М, Н·м	Ре, МПа	Сm, м/с	Рm, МПа	Рi, МПа	ge, г/кВт∙ч	Gт, кг/ч
1000	10,9	104	0,930	2,33	0,06	0,99	311	3,39
2000	23,2	111	0,994	4,67	0,087	1,08	281	6,55
3000	35,7	113	1,010	6,70	0,11	1,12	265	9,46
4000	46,2	110	0,98	9,33	0,14	1,12	264	12,2
5000	53,2	101	0,91	11,67	0,17	1,07	276	14,68
5800	55,2	90	0,81	13,53	0,187	0,99	295	16,28
6000	55,1	87	0,78	14,00	0,192	0,97	302	16,64
6500	53,5	78	0,70	15,17	0,20	0,91	321	17,17

 

По данным таблицы 5 строятся графики внешней скоростной характеристики бензинового двигателя.

Коэффициент приспособляемости

где М _max берется из графика характеристики.

Рекомендуемые значения коэффициента приспособляемости К = =1,25...1,35 для карбюраторных двигателей и К = 1,05...1,25 для дизелей.

 

11. РАСЧЕТ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯ

 

Из теплового расчета известно:

N _е = 302 кВт; n = 2300 мин^-1; τ = 2; V _л = 14,6 л; S = 138 мм; g _е = =238 г/кВт·ч.

Текущие значения мощности, кВт

Текущие значения крутящего момента, Н·м

Среднее эффективное давление, МПа

Средняя текущая скорость поршня, м/с

Текущее среднее давление механических потерь, МПа

Р_тх = 0,089 + 0,0118 .

Текущее среднее индикаторное давление, МПа

Р _{i х} = Р_ех + Р _{m х}.

Текущий удельный эффективный расход топлива, г/кВт∙ч

Текущий часовой расход топлива, кг/ч

G _Тх = 10^-3 g_exN_ex.

Результаты расчета приводятся в табл. 6.

 

Таблица 6.