Тепловой расчет ДВС

 

4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИЛИНДРА И ДВИГАТЕЛЯ

 

При заданной эффективной  мощности двигателя и выбранной  величине S/D основные конструктивные параметры (диаметр цилиндра и ход поршня) определяются следующим образом.

Литраж двигателя, л

                              (41)

Рабочий объем цилиндра, л

V_h = V_л / i

V_h = 22,602/ 8 = 2,8 л.

                                                                                                 (42)

Диаметр цилиндра, мм:

                                 (43)

Ход поршня, мм

S = D * S/D = 160мм.                                                (44)

Принимаем D = 150 мм S = 160 мм

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

Литраж двигателя, л

                      (45)

Средняя скорость поршня, м/с

υ_п.ср = Sn / (3 * 10⁴)

                                               υ_п.ср =160*1750 / (3 * 10⁴) = 9,3 м/с. 

                              (46)

Отклонение от ранее принятого  значения:

Отклонение = 100*(9,3-9)/9,3 =3,2%           (47)

Эффективная мощность

            N_e = p_eV_л n/120 

        N_e = 0,846*22,6*1750/120 =279,1кВт                                 (48)

Эффективный крутящий момент, Нм

М_е = 3·10⁴·N_e/(π·n)

М_е = 3·10⁴·279,1/(3,14·1750) =1523н*м

                                                                    (49)

Часовой расход топлива, кг/ч

G_т = N_e g_e.

        G_т = 279,1* 231_.=64,47 кг/ч          (50)

Литровая мощность: 

N_л = N_e  / V_л

                                       N_л = 279,1 / 22,6=12,34 кВт/дм³

При расхождении с ранее  принятым значением υ_п.ср  более чем на 4% , эффективные показатели необходимо пересчитать. В нашем случае отклонение составило менее 4%, в данном разделе данные просчитаны верно.

 

5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

 

Для определения характера  теплоиспользования и путей его  улучшения, а также получения  данных для расчета системы охлаждения, необходимо установить, как расходуется  теплота, введенная в двигатель. С этой целью необходимо определить отдельные составляющие теплового  баланса в зависимости от параметров, характеризующих условия эксплуатации.

Общее количество теплоты, введенное  в двигатель с топливом, Дж/с

Q₀ = H_u· G_т/ 3,

Q₀ = 42437*64,47/3,6 =759983 дж/с

                                                                                                               (51)

Теплота, эквивалентная эффективной  работе за 1 секунду, Дж/с

Q_e = 1000 · N_e

Q_e = 1000 ·279,1=279100 дж/с

                                                                                                        (52)

Теплота, передаваемая охлаждающей  среде, Дж/с

Q_в = c· i· D^1+2m·n^m/α

Q_в = 0,5*8 *150^{1 +2*0,7}·1750^0,7/1,7 =291311Дж/с

(53)

где с – коэффициент  пропорциональности, с = 0,48 для четырехтактных двигателей;

m – показатель степени, m = 0,67

D – диаметр цилиндра, см.

Теплота, унесенная с отработанными  газами, Дж/с

,

  (54)

;                        

Определение производится методом интерполяции для соответствующих значений α и t_r. Определение производится методом интерполяции по таблице 3 [2] для соответствующих значений t_k.

Неучтенные потери теплоты, Дж/с

Q_ост = Q₀ – Q_е – Q_в - Q_r.

Q_ост = 759983-(279100+291311+226520)_. = 36948 Дж/с                 

                                                                                          (55)

 

 

 

 

6. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

 

По результатам теплового  расчета строится индикаторная диаграмма  рабочего цикла двигателя. Она выполняется  на формате миллиметровой бумаги 210х298 мм и прилагается к пояснительной  записке.

Масштаб построения диаграммы  рекомендуется выбирать с расчетом. Отношение ее высоты по давлению  к основанию по ходу поршня принять  равным 1,5…1,7.

На оси абсцисс откладывается  отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня, в масштабе µ_S. Масштаб принимаем 1:1.

АВ=S_n^/µ_s=160 мм,                                            (56)                                                                           

Отрезок ОА соответствует  объему камеры сгорания и определяется:

 мм. (57)

Отрезок z^/z для дизельных двигателей, работающих со сменным подводом теплоты, определяется:

мм,  (58)

При построении индикаторной диаграммы рекомендуется выбирать масштабы давлений µ_р=0,02…0,07 мПа/мм. Большие значения относятся к дизельным двигателям.

Затем на диаграмме откладываются  в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: а, с, z^/, z, в, r и р₀.

Построение политроп сжатия и расширения рекомендуется выполнять аналитическим методом.

Методика построения индикаторной диаграммы аналитическим путем  заключается в следующем. Из уравнения  политропы сжатия   и политропы расширения  вычисляется ряд промежуточных точек текущего давления.

Промежуточные значения давления для политропы сжатия в мПа определяем по выражению:                   

, мПа,

                                    (60)

и в миллиметрах

                                          

, мм,                                           (61)

где Р_х – искомое текущее давление в процессе сжатия.

Текущее отношение объемов 

                                                 

                                                  (62)

принимается произвольно  с определенным шагом (восемь промежуточных  точек) в пределах от 1 до ε – значение степени сжатия.

Аналогично для политропы расширения

                                             

, мПа,                                      (63)

и

                                             

, мм,                                       (64)

 

  , для дизельных двигателей от 1…до δ – степени расширения. В целях упрощения расчета шаг и значения отношений , при текущем Ох, оставляют такими же, как и для политропы сжатия.

Значения промежуточных  точек давления (в мм или мПа) выносятся на поле индикаторной диаграммы и соединяются плавной кривой а-с и кривой z-в. Точки с и z, z и z^/ (для дизельного двигателя) соединяем прямыми линиями. Принимаем, что процессы впуска и выпуска протекают при постоянном давлении, соответственно, Р_а и Р_z. Линии политропы расширения z-в, давления выпуска Р_z, давление впуска Р_а и политропы сжатия соединить плавными округляющими линиями.

Для оценки правильности построения индикаторной диаграммы, необходимо замерить ее площадь F_i и с учетом масштаба по давлению определить еще раз среднее индикаторное давление

Площадь масштаб давления и отрезок АВ принимаются, соответственно, в мм², мПА/мм, мм. Значение , установленного по измерению площади индикаторной диаграммы, не должно отличаться от значения, полученного по результатам теплового расчета, более чем на 2%.

Протекание индикаторной диаграммы реального двигателя  будет несколько отличаться от расчетной. Процесс сгорания происходит при изменяющемся объеме и протекает по кривой c^//-z_g, а не по c-z для карбюраторного двигателя, и по c-z^/ и z^/-z для дизельного двигателя.

Положение точек с^/ и с^// приближенно находится из равенств, соответственно  

                                          

, мПа,                                     (65)

                                          

, мПа.                                    (66)

Действительное давление в конце видимого сгорания карбюраторного двигателя  и положение точки  z_g определяем из выражения

                                              

, мПа.                                           (67)

Вместе тем, положение  точки z_g должно быть смещено по оси абсцисс (вправо) от ВМТ на (10…15)⁰ п.к.в.

Положение точки в^/ определяет угол предварительного открытия выпускного клапана до НМТ.

Точку в^// откладывают на половину  расстояния между точками а и в.

Закроется выпускной клапан в точке а^/ с некоторым запаздыванием после ВМТ. Впускной клапан открывается до прихода поршня к ВМТ в точке r^/, а закрывается после прохода поршнем НМТ, в точке а^//.

Определение местоположения указанных точек относительно ВМТ  производится по формуле 

                                    

,                             (68)

где φ – углы поворота коленчатого вала относительно ВМТ, соответствующие открытию и закрытию клапанов  и моменту подачи искры  или впрыска топлива;

         λ – отношение радиуса кривошипа  коленчатого вала R к длине шатуна L_ш. λ=R/L_ш= 0,24…0,3.

Моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов подбираются  экспериментально, поэтому при расчете  индикаторной диаграммы фазы газораспределения  необходимо брать по прототипу.

Результаты расчетов местоположения точек фаз газораспределения  следует свести в таблицу, в которой  для примера указаны фазы газораспределения  двигателя В 400.

  Соединяя плавными кривыми точки r^/, r, а^/, а, а^//, с^/, с^//, z_g, в^/, в^//, получаем скругленную индикаторную диаграмму.

При использовании ЭВМ  и программы расчета значения промежуточных точек давления и  положения характерных точек  индикаторной диаграммы принять, используя  табличные значения по результатам  расчета.

 

7. ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ

 

Построение  внешних скоростных характеристик  вновь проектируемых двигателей иногда используют результаты теплового  расчета, проведенного для нескольких режимов работы двигателя с полной нагрузкой.

С достаточной  степенью точности внешнюю скоростную характеристику можно построить  по результатам теплового расчета, проведенного для одного режима работы двигателя - режима максимальной мощности, и с использованием эмпирических зависимостей.

Построение  кривых скоростной характеристики для  дизелей ведется в интервале  от n_min до n_N (350… 1800 об/мин).

Максимальная  частота вращения коленчатого вала ограничивается: условиями качественного  проектирования рабочего процесса, термическим  напряжением деталей, допустимой величиной  инерционных нагрузок и т.д.; минимальная - определяется условиями устойчивой работы двигателя при полной нагрузке.

Расчетные точки кривой эффективной мощности N_ex (КВт)определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 500…1000 об/мин:

,       

                             

  (69)

где n_x – частота вращения коленчатого вала двигателя в искомой точке;

А и В – эмпирические коэффициенты, выбираемые в зависимости от типа камеры сгорания:

Для дизелей с наддувом: А = 0.87; В = 1,13;

Точки кривой эффективного крутящего  момента М_ех (Н^.м) определяют по формуле:

                                         

  (70)

Точки кривых, характеризующих  среднее эффективное р_ех и среднее индикаторное р_iх давление (МПа) можно определить по формулам:

  (71)

р_ix = p_ex + p_мx                                                                  

(72)

Средняя скорость  поршня