Тепловой расчет четырехкратных двигателей

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЧЕТЫРЕХТАКТНЫ X ДВИГАТЕЛЕЙ

Введение

Тепловой расчет двигателя служит для определения параметров рабочего тела в цилиндре (рабочей полости) двигателя, а также оценочных  показателей процесса, позволяющих  определить размеры двигателя и  оценить его мощностные и экономические показатели.

В основе расчета лежит метод В И. Гриневецкого, в дальнейшем усовершенствованный    Е.К. Мазингом, H.P. Брилингом, Б.С. Стечкиным и др.

Проведение теплового расчета  позволяет освоить связь между  отдельными элементами рабочего цикла и получить представление о влиянии различных факторов на показатели двигателя в целом.

Задачей динамического расчета  является определение сил, действующих в механизмах преобразования тепловой энергии рабочего тела в механическую работу двигателя.

Как правило, тепловой и динамический расчеты выполняются для режима номинальной мощности.

В соответствии с учебным планом в задании на курсовую работу указываются  следующие данные: тип двигателя, его назначение, мощность Ne, кВт (л.с); частота вращения коленчатого вала, n, 1/мин; число цилиндров i; степень сжатия ε; коэффициент избытка воздуха α; отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D; рекомендуемый прототип.

Объем работы состоит из расчетно-пояснительной записки к тепловому и динамическому расчетам двигателя, а также графической части, состоящей из: графика индикаторной диаграммы в координатах p-V; графиков сил Р_г, Pj, P_Σ, T, K=f(φ); графика Мкр= f(φ); полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала или эксцентрик в роторно-поршневом двигателе.

 

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЧЕТЫРЕХТАКТНЫ X ДВИГАТЕЛЕЙ.

1.1  Процесс наполнения

В результате данного процесса цилиндр двигателя (рабочая полость) наполняется свежим зарядом. Давление  и температура окружающей среды принимаются: р_о = 0.1МПа (1.03 кг/см²), То=293 К для тракторных двигателей и р_о = 0.1 МПа (1,03 кг/см²), То=298 К для автомобильных двигателей. Давление остаточных газов в зависимости от типа двигателя р_r= (1.05...1.25)p₀.

Температура остаточных газов выбирается в зависимости от типа двигателя с учетом того, что для бензиновых двигателей она изменяется в пределах T_r= 900...1100 К, для дизелей                T_r = 700...900 К.

В зависимости от типа двигателя  температура подогрева свежего  заряда ΔT=-5...30К.   Отрицательные   значения   характерны   для двигателей с наддувом без промежуточного охлаждения воздуха.

Давление в конце впуска

р_а=p₀-Δр_а. (1)

Величина потери давления на впуске Δр_а колеблется в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей Δр_а = (0,06...0,20)р_о .

для дизелей Δр_а = (0,04.. .0,18) р_о.

Коэффициент остаточных газов

                                                                                         (2)

Величина коэффициента остаточных газов γ_r изменяется в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей γ_r =0,06.. .0,12;

для роторных двигателей γ_r = 0,025... 0,040;

для дизелей γ_r =0,02.. .0,06.

Температура в конце впуска

                                                                                                  (3)

 

В современных  двигателях температура в конце  впуска бывает: для бензиновых двигателей Та=(320...360); для дизелей Та= (310. .350).

Коэффициент наполнения

                                                                            (4)

Величина коэффициента наполнения изменяется в пределах:

для бензиновых и газовых двигателей η_v = 0.70…0.85;

для роторных двигателей η_v = 0.88...0.96;

для дизелей η_v = 0.80...0.90.

для дизелей  с наддувом η_v = 0,95...0.98.

 

1.2 Процесс сжатия.

Давление в конце сжатия

 (5)

Температура в конце сжатия

 (6)

В этих формулах n₁ - показатель политропы сжатия, который для автотракторных двигателей находится в пределах  n₁= 1,34. 1,42.

Для автотракторных двигателей давление и температура в конце сжатия изменяется в пределах (табл. 1):

 

1.3 Процесс сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг жидкого  топлива

                                                                          (7)

Теоретически необходимое количество воздуха (в кмоль) для сгорания 1 кмоль  газообразного топлива

                                                             (8)

n, m, r - количество атомов углерода, водорода и кислорода.

Средний элементарный состав топлива  принимают:

для бензина g_c = 0.85; g_h = 0.15; g_o = 0;

для дизельного топлива g_c = 0.86; g_h = 0.13; g_o = 0,01;

для природного газа Н₂=0,00...0.3; СН₄=82,27...98.27; С₂Н₆=0.17...5.80; С₃Н₈=0.00... 2.1;      С₄Н₁₀=0.00...1.00; N₂= 1.0... 9.3; СО₂=0.00...0.89.

Количество свежего заряда (кмоль) для бензиновых двигателей

 (9)

где m_t - молекулярная масса топлива (для бензинов m_t = 110... 120 кг/кмоль).

 

Количество свежего заряда (кмоль) для газовых двигателей

 (10)

для дизелей количество свежего  заряда (кмоль)

 (11)

Количество продуктов сгорания при работе двигателей на жидком топливе при

 (12)

а при α<1

 (13)

Количество продуктов сгорания (кмоль) при сгорании 1 кмоль газообразного топлива для α=1 (для газовых двигателей α =1.0... 1.3)

 (14)

для α> 1

 (15)

Теоретический коэффициент молекулярного изменения

 (16)

Действительный коэффициент молекулярного  изменения

 (17)

Величина μ изменяется в пределах:

для бензиновых двигателей μ = 1,02... 1,12;

для дизелей μ = 1.01... 1.06.

Для газовых двигателей количество продуктов сгорания может быть меньше количества свежего заряда. Тогда теоретический коэффициент молекулярного изменения μ₀ будет меньше 1. Для роторных двигателей μ = 1,02... 1,12;

Низшую теплоту сгорания топлива  принимают:

для бензина Н_u = 44000 кДж/кг,

для дизельного топлива Н_u = 42500 кДж/кг,

для газовых двигателей Н_u =31000...36000 кДж/м³.

Для двигателей, работающих с α<1 (бензиновые двигатели), подсчитывается потеря тепла вследствие неполноты сгорания топлива

ΔН_u = 119600(1-α) L₀. (18)

При α>1 расчет по формуле (18) не имеет физического смысла. Средняя мольная теплоемкость свежего заряда для трех типов двигателей определяется по формуле

mc_vc =20,16+1,74*10 ^-3T_С. (19)

Средняя мольная теплоемкость продуктов  сгорания: для бензиновых и газовых двигателей

m_Cvz =(18,42 + 2,60α) + (1,55 + 1,38α)T_z10^-3 (20)

 

для дизелей

 (21)

Значения коэффициента использования  теплоты для различных типов  двигателей при работе их на номинальном  режиме следующие:

бензиновые двигатели ξ=0,85...0,95;

роторные двигатели  ξ =0,6...0,80;

дизели ξ =0,65. ..0,85;

газовые двигатели ξ = 0,8...0,85.

Максимальная температура сгорания подсчитывается по уравнению:

для бензиновых двигателей

                                                     (22)

для дизелей

                              (23)

При определении максимальной температуры  для газовых двигателей в уравнении  сгорания низшая теплотворная способность  топлива должна быть отнесена не к 1кг жидкого топлива, а к 1 кмоль газообразного топлива. Поэтому в член, содержащий H_u, вводится объем кмоля, равный 22,4 м³ при 0°С и давлении 0,1 МПа. H_u принимается в кДж/м³.

Уравнение сгорания будет иметь  вид:

                                          (24)

Степень повышения давления.

Величину степени повышения давления для дизелей выбирают в следующих пределах:

для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием

k = 1.6...2.5:

для вихрекамерных и предкамерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованием

k = 1.2... 1.8.

В уравнения сгорания (22), (23) и (24) входят две неизвестные величины: температура  конца сгорания Тz и теплоемкость продуктов сгорания mc_vz при этой же температуре. Если для определения mc_vz используются табличные значения, уравнения сгорания решаются относительно Тz методом последовательных приближений (подбором значений Тz).

При использовании для определения mc_vz приближенных формул (20) и (21) уравнения сгорания, после подстановки в них числовых значений известных параметров и последующих преобразований, принимают вид квадратного уравнения

, (25)

где А, В, С - численные значения известных величин. Откуда   величина теоретического максимального давления цикла и степень повышения давления  определяются:

для бензиновых и газовых  двигателей

                        

                                                                  (27)

 

Степень   повышения   давления   для   бензиновых   и   газовых двигателей 2...4, для роторных     3.5...3.9.

Действительное давление

p_zd=0.85p_zT

для дизелей

p_zT=kp_c, p_zd=p_zT

Значения температуры и давления конца сгорания изменяются в следующих  пределах (табл. 2):

 

1.4 Процесс расширения

Степень предварительного расширения:

для дизелей

                                                                                     (28)

для бензиновых и газовых двигателей ρ=1:

 (29)

Чисчисленное значение степени повышения давления k выбирают в зависимости от процесса смесеобразования и типа камеры сгорания:

предкамера - k= 1.4... 1.6;

вихрекамера - k = 1.5.. 1.8:

неразделенная камера сгорания - k = 1.7... 2.2.

Степень последующего расширения:

для дизелей

                                                                                               (30)

для бензиновых и газовых  двигателей δ=ε.

 (31)

Температура в конце расширения:

 (32)

Давление в конце расширения:

Величину среднего показателя политропы  расширения выбирают в следующих  пределах:

для бензиновых и газовых двигателей n₂ = 1.23... 1.34.

для дизелей n₂= 1.15... 1.28.

 

 

 

Примерные значения p_b и T_b для автотракторных двигателей следующие:

 

1.5 Процесс выпуска

 

Параметрами процесса выпуска  (р_r и T_r) задаются в начале расчета процесса впуска          (см. п.1.1). Правильность предварительного выбора величин р_r и T_r проверяется по формуле проф. Е. К. Мазинга:

 (33)

 

Расхождение между принятой величиной T_r и вычисленной по формуле (33) не должно превышать 10%; в противном случае тепловой расчет необходимо уточнить.

1.6 Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление теоретического цикла для бензиновых и газовых двигателей подсчитывается по формуле:

                                                          (34)

а для дизелей

 (35)

среднее индикаторное давление действительного цикла

p_i=φ_Пp_i^’