Тепловой расчет и тепловой баланс двс

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 4Следующая ⇒

▷ Похожие статьи

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.

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

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

Таблица 9

№	Эффективная мощность, Ne, кВт	Число оборотов коленчатого вала, n, об/мин	Число цилиндров, i	Степень сжатие, ε	Расположение цилиндров, r – рядное v – образное	Топливо	Давление наддува, рк, МПа
					r	бензин	б/н
					v	дизель	б/н
					r	бензин	б/н
					r	дизель	0,17
					r	бензин	б/н
				14,5	v	дизель	б/н
					r	бензин	б/н
					v	дизель	0,19
				9,5	r	бензин	б/н
				14,2	r	дизель	б/н
				8,6	r	бензин	б/н
				15,5	r	дизель	б/н
				7,8	v	бензин	б/н
					v	дизель	0,2
				8,7	v	бензин	б/н
				15,4	v	дизель	б/н
				8,2	r	бензин	б/н
					r	дизель	б/н
				9,7	r	бензин	б/н
				16,2	r	дизель	б/н
					r	бензин	б/н
				17,2	v	дизель	0,165
					r	бензин	б/н
				16,5	v	дизель	б/н
				11,7	v	бензин	0,175
				17,6	r	дизель	б/н
					r	бензин	б/н
					r	дизель	0,185
				8,4	r	бензин	б/н
				17,3	v	дизель	0,16
				9,8	v	бензин	б/н
				18,5	v	дизель	0,182
				10,5	v	бензин	0,17
				18,2	r	дизель	б/н
				11,2	r	бензин 1234Следующая ⇒ Поделиться: Познавательные статьи:  Как правильно слушать собеседника Типичные ошибки при выполнении бросков в баскетболе Принятие христианства на Руси и его значение Средства массовой информации США 
	Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; просмотров: 967; 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 - 216.73.217.21 (0.01 с.)