Тепловой расчет двигателя

 

Тепловой расчет двигателя позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизированного двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели работы созданного двигателя. Рабочий цикл рассчитывают для определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий работы двигателей, основных размеров, а также выявления усилий, действующих на его детали, построение характеристик и решения ряда вопросов динамики двигателя. Результаты теплового расчета зависят от совершенства оценки ряда коэффициентов, используемых в расчете и учитывающих особенности проектируемого двигателя. Они будут тем ближе к действительным, чем больше используются фактические данные испытаний таких двигателей, которые по ряду основных параметров близки к проектируемому.

В качестве исходных данных для теплового расчета задаемся следующим:

тип двигателя - четырехтактный, четырехцилиндровый, однорядный, однокамерный дизель. Номинальная мощность дизеля N =60 кВт, номинальная частота вращения nн =2000об/мин; степень сжатия ε =16, коэффициент тактности τ=4; коэффициент избытка воздуха α=1,6.Дизельное топливо,,Л,, (ГОСТ305-82); низшая удельная теплота сгорания топлива Qн =42500 кДж/кг; средний элементный состав: С =85,7%, Н =13,3%, Q =1%. Расчет ведем для сгорания 1кг топлива. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

 

или

 

где μв - масса 1-го кмоля воздуха(μв =28,96 кг/кмоль).

Количество свежего заряда:

 

 

Общее количество продуктов сгорания:

 

 

При этом химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

 

 

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия принимаем следующие: P0 =0,1 МПа, T0 =288 K. Давление окружающей среды

P0 = Pк =0,1 МПа, температура окружающей среды T0 = Tк =288 K. Давление и температура остаточных газов: , принимаем Tr =930 К.

Процесс впуска. Принимаем температуру подогрева свежего заряда

Плотность заряда на впуске:

 

 

где Rв=287Дж/кг∙град- удельная газовая постоянная для воздуха.

Принимаем и

Тогда потери давления на впуске в двигатель:

 

 

Давление в конце впуска:

 

 

Коэффициент остаточных газов:

 

 

Температура в конце впуска:

 

 

Коэффициент наполнения:

 

Процесс сжатия. Показатель политропы сжатия можно определить по эмпирической формуле:

 

 

Давление в конце сжатия:

 

 

Температура в конце сжатия:

 

Средняя молярная теплоемкость заряда(воздуха) в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов):

 

 

Число молей остаточных газов:

 

 

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

 

 

Процесс сгорания. Средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания жидкого топлива в дизеле:

 

Число молей газов после сгорания:

 

 

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

 

 

Принимаем коэффициент использования теплоты . Тогда количество теплоты передаваемой газом на участке cz.z при сгорании 1кг топлива:

 

 

Принимаем степень повышения давления λ=2,2. Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания для дизеля:

 

 

Решаем уравнение относительно Tz и находим Tz = 2380

 

 

Степень предварительного расширения:

 

 

Процесс расширения. Степень последующего расширения:

 

 

С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров дизеля принимаем n2 = 1,17. Тогда

 

 

Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов:

 

Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя:

 

 

Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы ν=0,95.

Среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы:

 

 

Индикаторный КПД.

 

 

Индикаторный удельный расход топлива:

 

 

Эффективные показатели двигателя. Принимаем предварительную среднюю скорость поршня Wп.ср =8,3м/с.

 

Среднее давление механических потерь:

 

 

Среднее эффективное давление:

 

Механический КПД:

 

 

Эффективный КПД:

 

 

Эффективный удельный расход топлива:

 

 

Основные параметры цилиндра и удельные параметры двигателя:

Мощность двигателя:

 

 

Площадь поршня:

 

 

Средняя скорость поршня:

 

 

Эффективный крутящий момент двигателя:

 

 

Часовой расход топлива:

 

 

Удельная поршневая мощность:

 

 

Если принять массу сухого двигателя без вспомогательного оборудования Gсух =430кг, то литровая масса:

 

 

и удельная масса:

 

Кинематический расчет.

 

Основная задача кинематического расчета состоит в определении закона движения поршня и шатуна. При этом в кинематическом расчете делаются допущения, что вращение коленчатого вала происходит с постоянной угловой скоростью Это позволяет рассчитывать все кинематические параметры механизма в зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала φ, который при пропорционален времени, т.е. или , так как и .

Исходные данные: двигатель- с центральным кривошипно - шатунным механизмом; номинальная частота вращения коленчатого вала ;

ход поршня - ; радиус кривошипа - ; постоянная

Угловая скорость кривошипа:

 

 

При работе двигателя поршень совершает возвратно-поступательные движения, для характеристики которого определяют перемещение Sx, скорость Wп и ускорение jп. Рассчитываем перемещения поршня Sx, скорости поршня Wп, ускорения поршня jп. Через каждые 10° поворота коленчатого вала и полученные значения заносим в таблицу. Формула для расчета перемещения поршня имеет вид:

 

 

Скорость поршня определяется по формуле:

 

 

Ускорения поршня определяется по формуле:

 

 

Средняя скорость поршня:

 

 

Кинематические параметры двигателя.

φп.к.в.	Sп	Wп	jп.	φ°п.к.в.
0-180°	180-360°	0-180°	180-360°	0-180°	180-360°
					3367,3	3367,3
	0,0011	0,0011	2,780	-2,780	3380,4	-3380,4
	0,0045	0,0045	5,428	-5,428	3036,0	-3036,0
	0,012	0,012	7,805	-7,805	2646,5	2646,5
	0,0174	0,0174	9,79	-9,79	2144,2	2144,2
	0,0263	0,0263	11,358	-11,358	1562,6	1562,6
	0,0362	0,0362	12,404	-12,404	947,0	947,0
	0,0468	0,0468	12,939	-12,939	336,6	336,6
	0,0576	0,0576	12,976	-12,976	-234,2	-234,2
	0,0683	0,0683	12,565	-12,565	-736,5	-736,5
	0,0785	0,0785	11,772	-11,772	-1149,6	-1149,6
	0,0878	0,0878	10,677	-10,677	-1465,3	-1465,3
	0,0963	0,0963	9,358	-9,358	-1683,6	-1683,6
	0,097	0,1034	7,892	-7,892	-1817,8	-1817,8
	0,1093	0,1093	6,344	-6,344	-1886,3	-1886,3
	0,1140	0,1140	4,750	-4,750	-1910	-1910
	0,1173	0,1173	3,167	-3,167	-1907,3	-1907,3
	0,1192	0,1192	1,578	-1,578	-1899,4	-1899,4
	0,1200	0,1200			-1894,2	-1894,2