Тепловой расчёт двигателя
Введение
Тепловой расчет позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя.
Рабочий цикл рассчитывают для определения индикаторных, эффективных показателей работы двигателя и температурных условий работы деталей, основных размеров, а также выявления усилий действующих на его детали, построения характеристик и решения рода вопросов динамики двигателя.
Результаты теплового расчета зависят от совершенства оценки ряда коэффициентов, используемых в расчете и учитывающих особенности проектируемого двигателя.
В методической разработке рассмотрен пример расчета дизельного двигателя, пример построения индикаторной диаграммы и пример кинематического и динамического расчетов аналитическим методом в примерах расчетов не учитывается дозарядка и продувка цилиндров.
1.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
Тип двигателя Д-243
Давление надувочного воздуха pк = 0,18 МПа
Номинальная мощность дизеля Nе = 90 КВт
Номинальная частота вращения n = 2200 мин -1
Степень сжатия ? = 16
Коэффициент тактности ?дв = 4
Коэффициент избытка воздуха ? = 1,7
Дизельное топливо «Л»:
Низшая удельная теплота сгорания топлива Qн=42500 кДж/кг
Средний элементарный состав топлива: C = 85,7%
H = 13,1%
O = 1%
Состав топлива задается массовым или объемный содержанием основных элементов: углерода С, водорода Н и кислорода О. Нужно иметь ввиду, что в топливе присутствуют также сера S, азот N и элементы химических соединений в виде антидетонационных, противодымных и других присадок. Расчет ведут для условий сгорания 1кг топлива.
Параметры рабочего тела. На основе химических реакций сгорания углерода и водорода рассчитывают теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:
l0 = 1/0.23*(8/3*C+8*H – О)=1/0,23(8/3*0,857+8*0,133 – 0,01) = 14,519 кг.
или
L0 = l0/?в = 14,519/28,96 = 0,5013 кмоля.
?в – масса 1 кмоля воздуха ( ?в = 28,96 кг/кмоль)
Количество свежего заряда:
M1 = ?L0 + 1/ ?т
?т = - молекулярная масса аров топлива ( для дизельных топлив ?т = 180-200 кг/кмоль). В связи с малым значение члена 1/ ?т по сравнению с ?L0 для упрощения в расчете его не применяют.
M1 = ?L0 = 1,7*0,5013=0,8523 кмоля.
? – коэффициент избытка воздуха. Влияет на количество выдиляемой теплоты и состав продуктов сгорания. Чем совершение процесс смесеобразования в дизеле, тем меньше значения ? и размеры цилиндра могут быть приняты для обеспечения заданной мощности.
Ориентировочные значения ? для автотракторных двигателей на номинальном режиме работы находятся в следующих пределах: для дизелей с неразделимыми камерами сгорания и объемны смесеобразованием – 1,5 – 1,8;
Общее количество продуктов сгорания ( при ? ?1, т.е. при полном сгорании топлива):
M2 = ?L0 + H/4 + O/32 = 1,7*0,5013 + 0,133/4 + 0,01/32 = 0,8858 кмоля.
При сгорании в двигателях жидкого топлива всегда происходит приращение кмолей газа M2>M1. Приращение числа кмолей газов происходит в следствии увеличения суммарного количества молекул при химических реакциях распада молекул топлива и образования новых молекул в результате сгорания водорода и участия в реакциях кислорода содержащегося в топливе.
Химический коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:
?0 = M2/M1 = 0,8858/0,8523 = 1,0394.
Параметры окружающей среды и остаточные газы.
Принимаем атмосферные условия: р0 = 0,1 МПа; Т0 = 288 К. Давление надувочного воздуха рк = 0,18 МПа. В зависимости от степени надува принимаются следующие значения давления рк надувочного воздуха при низком наддуве 1,5 р0;при среднем – (1,5 – 2,2) р0. Принимаем показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре nк = 1,65.
Температура воздуха за компрессором (температура надувочного воздуха):
Тк = Т0 (рк/ р0)(nк-1)/n = 288(0,18/0,1)(1,65-1)/1,65 = 288 К.
Давление и температура остаточных газов:
Pr = 0,88 рк = 0,88*0,18 = 0,150 МПа.
Принимаем Тr = 800 К. Выбирая значение Тr , следует учитывать, что при увеличении частоты вращения температура остаточных газов возрастает, а при увеличении степени сжатия и угла опережения подачи топлива снижается. На температуру остаточных газов влияет также состав смеси.
Процесс впуска. Принимаем температуру подогрева свежего заряда
?t = 10 °C (?t варьируется в пределах 10 – 40 °C). Плотность заряда на впуске: ?к = рк 106 /(RвTк) = 0,18*106/(287/288) = 1,728 кг/м3.
Принимаем (?2 + ?вп) = 3,3 и ?вп = 90 м/с. Тогда потери давления на впуске в двигатель:
?ра = (?2 + ?вп) ?2вп ?к10-6/2 = 3,3 * 902 * 1,728 * 10-6/2 = 0,023 МПа,
где ? – коэффициент затухания скорости движения заряда рассматриваемом сечении цилиндра; ?вп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; ?вп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, клапане или продувочных окнах).
По опытным данным, в современных автотракторных двигателях в номинальном режиме (?2 + ?вп) = 2,5 – 4 и ?вп = 50 – 130 м/с.
Сопротивление впускной системы зависит от многих факторов, в том числе от длинны трубопроводов и их сечения, наличия впускной системы, колен, их радиуса и числа, от шероховатостей стенок трубопроводов, сопротивлений при просасывании через воздухоочиститель, клапаны.
С увеличением частоты вращения вала двигателя аэродинамические сопротивления увеличиваются.
Давление в конце впуска:
ра = рк - ?ра = 0,18 – 0,023 = 0,157 МПа.
Коэффициент остаточных газов:
?r =
?r = (363 + 10) / 800 * 0.158/(16 * 0.157 – 0.158) = 0.158.
Температура в конце впуска:
Та = (Тк + ?t + ?r Тr) / (1 + ?r ) = (363 + 10 +0.031 * 800) / (1 + 0.031) = 386 К.
Коэффициент наполнения:
?v = Tк * (?ра – рr)/[(Tk + ?t)(? – 1)pk)].
?v = 363(16 * 0,157 – 0,158)/(363+10)(16-1)*0,18 = 0,848.
Процесс сжатия. С учетом характерных значения показателя политропы сжатия для заданных параметров двигателя принимаем, рассчитывая по эмпирической формуле,
n1 = 1.41 – 100/2200 = 1.37
По опытным данным для дизелей без наддува n1 = 1,38 – 1,42; для дизелей с наддувом n1 = 1,35 – 1,38.
Давление в конце сжатия:
рс = ра?n1 = 0.157 * 161.37 = 7 МПа.
Температура в конце сжатия:
Тс = Та? n1-1 = 386 * 161,37 – 1 = 1077 К.
Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха)в конце сжатия:
?сvc=20.16 + 1.74*10-3 Тс = 20,16+1,74*10-3 * 1077 = 22,03 кДж/(кмоль * град)
Число молей остаточных газов:
Мr = ??rL0 = 1.7 * 0.031 * 0.5013 = 0.0264 кмоля
Число молей газов в конце сжатия до сгорания:
Мс = М1 + Мr = 0.8523 + 0.0264 = 0.8787 кмоля.
Процесс сгорания. Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в дизеле:
?сpz = (20.2 + 0.92/?) + (15.5 + 13.8/?) * 10-4 Tz + 8.314 = (20.2 + 0.92/1.7) +
+ (15.5 + 13.8/1.7) * 10-4 Tz + 8,314 = 29,06 + 0,0024 Tz , кДж/(кмоль * град)
Число молей газов после сгорания:
Mz = М2 + Мr = 0,8858 + 0,0264 = 0,9122 кмоля.
Расчетный коэффициент молекулярного изменения:
? = Mz / Мс = 0,9122/0,8787 = 1,0381.
Принимаем коэффициент использования теплоты ? = 0,85. Тогда количества теплоты, передаваемой газом во время впрыска при сгорании
кг топлива:
Q = ?Qн = 0,85 * 42500 = 36125 кДж/кг.
На значение коэффициента использования теплоты ? влияют конструктивные параметры, режимы работы и регулировки двигателя.
Значение коэффициента использования теплоты ? варьирует для дизеля в пределах 0,7 – 0,9.
В дизеле с наддувом для ограничения максимального давления сгорания принимаем меньшее значение степени повышения давления, чем в дизеле без наддува: ? = 1,6.
Давление в конце сгорания:
pz = pc * ? = 7 * 1.6 = 11.2 МПа.
Для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием ? = 1,6 – 2,5;
Температуру в конце сгорания определяют из уравнения сгорания:
??сpzTz =
1,0381 * (29,06 + 0,0024 * Tz) = (0,85 * 42500)/(1,7 * 0,5013*(1+0,031))+
+1077 * (22,03 + 8,314 * 1,6)
Решаем уравнение относительно Тz:
0,0025 Т2z + 30,17 Тz – 79168,2 = 0
Тz = (-30,17 ±
Значения максимальной температуры и давления цикла для современных автотракторных двигателей при работе с полной нагрузкой составляю Тz = 1800 – 2300 К, pz = 5 -12 МПа.
Степень предварительного расширения:
? = (?Тz)/(?Тс) = (1,0381 * 2222)/(1,6 * 1077) = 1,339
Процесс расширения. Степень последующего расширения:
? = ?/? = 16/1,339 = 11,949
С учетом характерных значений показателя политропы расширения для заданных параметров двигателя принимаем n2 = 1.25 (n2 = 1.18 – 1.28).Тогда
рb = рz / ?n2 = 11.2/11.9491.25 = 0.5 МПа.
Тb = Тz / ?n2-1 = 2222/11.949(1.25-1) =1195.27 К.
Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов (Тr принято 800 К):
Тr = Тb/
? = 100(800-813)/800 = 1,625 % (допустимое значение ? = 5 %).
Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя. Среднее индикаторное давление цикла для нескругленной индикаторной диаграммы:
р'i = pс /(? - 1)
р'i = 7/(16-1)[16(1,339-1)+1,6*1,339/(1,25-1)*(1-1/11,994(1,25-1)) –
- 1/(1,37-1) * (1 – 1/16(1,37-1))] = 1,293 МПа.
Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы v = 0.95
Тогда
pi = р'i v = 1.293*0.95 =1.228 МПа.
Индикаторный КПД:
?i = pi ? l0 / (Qн?к ?v) = 1.228 * 1.7*14.519/(42.50*1.728*0.848) =0.487
Индикаторный удельный расход топлива:
gi = 3.6*103/(Qн ?i) = 3,6*103 /(42,50*0,487) = 173,93 г/(кВт*ч).
Эффективные показатели двигателя. Принимаем предварительно среднюю скорость поршня Wn.ср. = 9,17 м/с. Тогда среднее давление механических потерь:
рм = a + b Wn.ср = 0.105 + 0.012*9.17 = 0.215 МПа.
Среднее эффективное давление:
рe = pi - рм = 1,228 – 0,215 = 1,013 МПа.
Механический КПД:
?м = рe / pi = 1,013/1,228 = 0,825.
Эффективный КПД:
?е = ?i ?м = 0,487 * 0,825 = 0,402.
Эффективный расход топлива:
ge = 3,6*103/(Qн ?е) = 3,6*1000/(42,5*0,402) = 210,711 г/( кВт*ч).
Основные размеры цилиндра и удельные параметры двигателя.
Ni =
где Vh – рабочий объем цилиндра. В соответствии с прототипом значение хода поршня 115мм и D = 130мм.
Vh = S * ? * D2/4 =125 * 3.14 * 1102/4 = 1.187 л.
Ni = 1,228 * 1,187 * 4 * 2200/ 30 / 4 = 106,893 кВт.
Литраж двигателя:
Vл = Vh * i = 1.187 * 4 = 4.748 л.
Площадь поршня:
Fn = ? D2/4 = 3.14*1102/4 = 94.99 см2.
Средняя скорость поршня:
Wn.ср = Sn/(3*104) = 125*2200/( 3*104) = 9.17 м/с.
Эффективный крутящий момент:
Ме = 9550Ne / n = 9550 * 90 /2200=390.68 Н*м.
Часовой расход топлива:
Gm = ge Ne = 90 * 210,711 = 18,96 кг/ч.
Литровая мощность:
Nл = Ne/ Vл = 90 / 4,748 = 18,96 кВт/л.
Удельная поршневая мощность:
Nп = Nе 4/(i ? D2) = 90 * 4/(4 * 3.14 * 1102) = 23.69 кВт/дм3.
Если принять массу сухого двигателя вспомогательным оборудованием по прототипу Gсух = 430 кг, то литровая масса.
gл = Gсух / (Vhi) = 430/(1.187 * 4) = 90.56 кг/л.
и удельная масса
gn = Gсух/ Nе = 430/90 = 4,8 кг/кВт.
2.ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ
Индикаторную диаграмму поршневого двигателя строим по результатам теплового расчета для номинального режима его работы. Расчет проводим аналитическим методом, используя полученные результате теплового расчета значений давлений в характерных точках диаграммы Ра, Рс, Рz, Рb, а также значения показателя политропы n1 и n2, степеней ?, ?, ?. Следовательно расчет сводиться к определению промежуточных значений политроп сжатия и расширения в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Определяем условный размер камеры сгорания Sc и Sz :
где: S – ход поршня, м;
? = d? – степень последующего расширения;
? – степень предварительного расширения.
Рассчитываем путь поршня Sx при повороте коленчатого вала на каждые 15° или 30° с с положения колена вала соответствующего ВМТ по формуле:
Рассчитываем текущее значение отношения Sx/S.
Определяем текущее значение политропы сжатия Pxc в зависимости от угла поворота коленчатого вала ?:
Определяем текущее значение политропы расширения Pxz в зависимости от угла поворота коленчатого вала ?:
Результаты расчетов сводим в табл.1 и по соответствующим точкам строим кривые индикаторной диаграммы.
Строим ось ординат – давление над поршнем и ось абсцисс – ход поршня. На оси абсцисс откладываем в масштабе отрезок равный ходу поршня и отмечаем отрезки Sx/S в этом же масштабе. Для расчетного значения текущей координаты хода поршня от угла поворота коленчатого вала будет соответствовать расчетные значения политроп сжатия и расширения приведенные в табл.1. Индикаторная диаграмма должна быть скругленной на переходных участках, а в момент впрыска топлива процесс горения происходит при постоянном давлении и отражается на диаграмме в виде площадки Рz - P 'z .
Таблица 1.
Результаты расчетов
Углы поворота |
Ра |
Рс |
Рz |
Pb |
Sx/S |
0 |
0,1570 |
7,0434 |
11,2177 |
0,5041 |
0,00 |
15 |
0,1570 |
4,7946 |
8,6079 |
0,5041 |
0,02 |
30 |
0,1570 |
2,2978 |
4,9600 |
0,5041 |
0,08 |
45 |
0,1570 |
1,1684 |
2,8727 |
0,5041 |
0,18 |
60 |
0,1570 |
0,6764 |
1,8125 |
0,5041 |
0,30 |
75 |
0,1570 |
0,4432 |
1,2586 |
0,5041 |
0,43 |
90 |
0,1570 |
0,3204 |
0,9479 |
0,5041 |
0,57 |
105 |
0,1570 |
0,2501 |
0,7621 |
0,5041 |
0,69 |
120 |
0,1570 |
0,2087 |
0,6493 |
0,5041 |
0,80 |
135 |
0,1570 |
0,1830 |
0,5778 |
0,5041 |
0,89 |
150 |
0,1570 |
0,1687 |
0,5348 |
0,5041 |
0,94 |
165 |
0,1570 |
0,1570 |
0,5116 |
0,5041 |
0,99 |
Индикаторная диаграмма
3.КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Построение диаграммы перемещения поршня
Перемещение поршня определяется по следующей формуле:
Sn = R(1 – cos? + (?/4)*(1 – cos2?).
Производим расчет Sn через каждые 30° угла поворота коленчатого вала и сводим результаты в табл.2.
Диаграмма перемещения поршня
Скорость поршня определяется по следующей формуле:
Wn = ?R(sin? + (?/2) * sin2?).
Производим расчет Wn через каждые 30° угла поворота коленчатого вала и сводим результаты в табл.2.
Скорость поршня
Построение диаграммы ускорения поршня
Ускорения поршня определяется по следующей формуле:
jn = R?2(cos? + ? * cos2?).
Производим расчет jn через каждые 30° угла поворота коленчатого вала и сводим результаты в табл.2.
Ускорение поршня
Запишем формулу определения сил инерции от возвратно – поступательных движущихся масс: Pj = -mj * R ?2(cos? + ? * cos2?),
где mj = mn + mш.п = 2,544 + 2,7 = 5,244 – приведенная масса к центру оси поршневого пальца;
mn – масса поршневого комплекта ( по прототипу mn = 2,544 кг)
mш.п – масса шатунной группы (mш.п = 2,7 кг)
Производим расчет Wn через каждые 30° угла поворота коленчатого вала и сводим результаты в табл.2.
Диаграммы сил инерции поршня
Таблица 2.
Результаты расчетов
Углы поворота |
Sп |
Wп |
Jп |
Pj |
0 |
0,0000 |
0,0000 |
4208,80 |
-22070,95 |
30 |
0,0105 |
8,8785 |
3317,33 |
-17396,08 |
60 |
0,0376 |
14,1459 |
1209,62 |
-6343,25 |
90 |
0,0709 |
14,3900 |
-894,79 |
4692,23 |
120 |
0,1000 |
10,7794 |
-2104,40 |
11035,47 |
150 |
0,1187 |
5,5127 |
-2422,55 |
12703,85 |
180 |
0,1250 |
0,0000 |
-2419,23 |
12686,44 |
210 |
0,1187 |
-5,5127 |
-2422,55 |
12703,85 |
240 |
0,1001 |
-10,7794 |
-2104,40 |
11035,47 |
270 |
0,0709 |
-14,3901 |
-894,79 |
4692,23 |
300 |
0,0376 |
-14,1459 |
1209,62 |
-6343,25 |
330 |
0,0105 |
-8,8785 |
3317,33 |
-17396,08 |
360 |
0,0000 |
0,0000 |
4208,80 |
-22070,95 |
390 |
0,0105 |
8,8786 |
3317,33 |
-17396,08 |
420 |
0,0375 |
14,1460 |
1209,62 |
-6343,25 |
450 |
0,0708 |
14,3901 |
-894,79 |
4692,23 |
480 |
0,1001 |
10,7794 |
-2104,40 |
11035,47 |
510 |
0,1186 |
5,5127 |
-2422,55 |
12703,85 |
540 |
0,1250 |
0,0000 |
-2419,23 |
12686,44 |
570 |
0,1187 |
-5,5127 |
-2422,55 |
12703,85 |
600 |
0,1001 |
-10,7194 |
-2104,40 |
11035,47 |
630 |
0,0709 |
-14,3900 |
-894,79 |
4692,23 |
660 |
0,0378 |
-14,1459 |
1209,62 |
-6343,25 |
690 |
0,0107 |
-8,8785 |
3317,33 |
-17396,08 |
Литература
1. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. – М.: Колос, 1984. – 335 с.
2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 1980. – 400 с.
3. Автомобильные двигатели/ Под ред. М.С. Ховаха. – М.: Машиностроение, 1977. – 591 с.
4. Автомобильные и тракторные двигатели. В 2 ч./ Под ред. И.М. Ленина. – М.: Высшая школа, 1976. – Ч.-2.
5. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – 3-е изд. Перераб. и допол. - М.: Высшая школа, 2002. – 496 с.: ил.
Больше работ по теме:
Предмет: Автотранспорт
Тип работы: Контрольная работа
Новости образования
КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]
Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ