Тепловой расчет двигателя

Введение

     Эффективность использования и правильная эксплуатация тракторов и автомобилей во многом зависит от знания конструкции этих машин, принципов их действия и влияния  эксплуатационных факторов на технико-экономические  показатели их работы (производительность, экономичность и др.)

     Тепловой  расчет позволяет аналитически с  достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя, а  также оценить индикаторные и  эффективные показатели работы созданного двигателя.

      Необходимые тяговые показатели трактора могут  быть достигнуты и эффективно использованы только в том случае, если будут  правильно выбраны основные его  параметры: масса, скорости движения, мощность двигателя. эти параметры определяют при тяговом расчете трактора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЧастьI.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

     При тепловом расчете определяются основные параметры, характеризующие эффективные и экономические показатели рабочего процесса, устанавливаются основные размеры двигателя.

     Для большей точности, теплового расчета  необходимые параметры выбираются на основании данных испытаний аналогичных двигателей с учетом, зависимости этих параметров от конструктивных особенностей и эксплуатационного режима работы двигателя.

     Тепловой  расчет проводится для номинального режима работы двигателя, при оптимальных условиях протекания процесса,

В этой учебно-методической работе расчет процессов выпуска, впуска, сжатия и расширения выполняется по формулам и зависимостям общим как для карбюраторного, так и дизельного двигателей.

     Параметры рабочего тела. Теоритически необходимое  количество воздуха для сгорания 1кг топлива

l₀=1/0,23(8/3C+8H-O)=1/0,23(8,3*0,857+8*0,133-0,01)=14,5кг

или L₀= l₀/μ_в=14,5/28,96=0,5кмоля

     Количество  свежего заряда

М₁=α L₀=1,7*0,5=0,85кмоля

     При этом химический коэффициент молекулярного  изменения горючей смеси:

β₀=М₂/М₁=0,88/0,85=1,035

     Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия принимаем  следующие: р₀=0,1МПа;Т₀=303К. Давление окружающей среды р_к= р₀=0,1МПа, температура окружающей среды Т_к= Т₀=303К. Давление и температура остаточных газов:р_r=1,15*0,1=0,115МПа; принимаем Т_r=765К.

     Процесс впуска. Принимаем температуру подогрева  свежего заряда ∆t=15⁰С. Плотность заряда на впуске:

ρ_к= р_к10⁶/(R_вТ_к)=0,1*10⁶/(287*303)=1,14кг/м³

где R_в=287 Дж/(кг*град)-удельная газовая постоянная для воздуха.

Принимаем (β²+ξ_вп)=3,25 и ω_вп=75м/с

     Тогда потери давления на впуске в двигатель:

∆р_а=(β²+ξ_вп)( ω ²вп ρ_к10^-6)/2=0,01МПа

Давление в  конце впуска:

р_а= р_к-∆р_а=0,1-0,01=0,09МПа

     Коэффициент остаточных газов:

 

     _{Температура в конце впуска}

_{Та=( Тк+∆t+γr Тr)/(1+ γr)=(303+15+0,028*765)/(1+0,028)=330К}

     _{Коэффициент наполнения:}

_{ηy= Тк(ε ра- рr)/[( Тк+∆t)( ε-1) рк]=303(19*0,09-0,115)/[(303+15)(19-1)*0,1]=0,84}

     _{Процесс сжатия. Показатель политропы сжатия можно определить по эмпирической формуле}

    

_{n1=1,41-100/1750=1,35}

     _{Давление  в конце сжатия}

_{рс= ра ε ⁿ1=0,09*19^1,35=4,78МПа}

     _{Температура в конце сжатия}

_{Тс= Та εⁿ1^-1=924К}

     _{Средняя моекулярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия (без учета влияния отсточных газов)}

_{μсvc=20,16+1,74*10^-3* Тс=21,76 кДж/(кмоль*град)}

     _{Число молей остаточных газов}

_{Мr=α γr L0=1,7*0,028*0,5=0,023}

     _{Число молей газов в  конце сжатия до сгорания}

_{Мс=М1+ Мr=0,85+0,023=0,873кмоля}

     _{Процесс сгорания. Средняя  молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов  сгорания жидкого  топлива в дизеле}

_{μсpz=(20,2+0,92/1,7)+(15,5+13,8/1,7)*10^-4Тz+8,314=29,014+0,0023 Тz кДж/(кмоль*град)}

     _{Число молей газов после  сгорания}

_{Мz=М2+ Мr=0,88+0,023=0,903кмоля}

     _{Расчетный коэффициент молекулярного  изменения рабочей  смеси}

_{β= Мz/ Мс=0,903/0,873=1,034}

     _{Принимаем коэффициент использования  теплотыξ=0,85}

_{Q=Qн ξ=0,85*42500=36000кДж/кг}

     _{Температура в конце сгорания}

_{βμсpzТz= Q/[α L(1+ γr)]+ Тс(μсvc+8,314λ)=1,034(29,014+0,0023Тz) Тz=3600/(1,7*0,5+1,028)+924(21,76+15,3)}

_Тz=2150К

_{рz=рсλ=4,78*1,85=8,84МПа}

     _{Степень предварительного рсширения}

_{ρ=(βТz)/(λ Тс)=(10,34*2150)/1,85*924=1,3}

     _{Процесс расширения}

_{δ=ε/ρ=19/1,3=14,61}

     _{С учетом характерных  значений показателя политропы расширения для заданных параметров дизеля принимаем n2=1,26}

_{рb= рz/ δ ⁿ2=8,84/14,61^1,26=0,3 МПа}

_{Тb=Тz/ δ ⁿ2-1=1075К}

     _{Проверим  правильность ранее  принятой температуры  остаточных газов}

_{Тr=1075/³√0,3/0,115=785К}

_{∆=100*785-765/785=2,5}

     _{Индикторные параметры рабочего цикла двигателя}

_{рi^|=4,78/(19-1)[1,85(1,3-1)+1,85*1,3/1,26-1(1-1/14,61^0,26)-1/1,35-1(1-1/19^0,35)=0,86 МПа}

     _{Принимаем коэффициент полноты индикаторной диаграммы ν=0,94}

_{рi=0,86*0,94=0,81МПа}

_{индикаторный  кпд}

     _{Индикаторный  удельный  расход топлива:} 

_{qi=3,6*10³/(42,5*0,49)=173 г/(квт*ч)}

     _{Эффективные показатели двигателя. Принимаем предварительно среднюю скорость поршня Wп.ср=8м/с}

     _{Среднее давление механических потерь}

_{рм=а+b Wп.ср=0,105+0,012*8=0,201 МПа}

     _{Среднее эффективное давление:}

_{ре= рi- рм=0,81-0,201=0,61 МПа}

     _{Механический к.п.д.}

_{ηм= ре/ рi=0,61/0,81=0,75}

     _{Эффективный к.п.д.}

_{ηе=ηi* ηм=0,49*0,75=0,36}

     _{Эффективный удельный расход  топлива:}

_{gе=3,6*10³/42,5*0,36=235 г/(кВт*ч)}

     _{Основные  размеры цилиндра и удельные параметры  двигателя}

     _{Литраж  двигателя:}

_{Vл=30*4*69/0,61*1750=7,75 л}

     _{Рабочий объем цилиндра}

_{Vh=7,75/4=1,9 л}

_{З адаемся ρ=S/D=1,07 тогда диаметр цилиндра:}

_{D=100³√4 Vh/πρ  =100³√4*1,9/3,14*1,07=131мм}

     _{Ход поршня:}

_{S=Dρ=131*1,07=140мм}

     _{Площадь поршня:}

_{Fп=3,14*17161/4=134см²}

     _{Средняя скорость поршня:}

_{Wп.ср=Sn/(3*10⁴)=140*1750/3*10⁴=8м/с}

     _{Эффективный крутящий момент двигателя:}

_{Ме=9550Nе/nн=9550*69/1750=376Н*м}

     _{Часовой расход топлива:}

_{Gт=Nе*gе=69*235=16,2кг/ч}

     _{Литровая  мощность:}

_{Nл=69/7,75=8,9кВт/л}

     _{Удельная  поршневая мощность}

_{Nп=69*4/4*3,14*1,71=12,89 кВт/дм²}

     _{Литровая  масса}

_{gл=Gсух/(Vhi)=375/1,9*4=49,3 кг/л}

     Тепловой  баланс двигателя.

      Тепловой  баланс, показывающий распределение  подведенной в двигатель теплоты  по отдельным составляющим, позволяет  судить о степени совершенства работы двигателя и наметить пути для  снижения тепловых потерь, понижающих экономичность двигателя.

      Управление  теплового баланса:

,      

      где    - общее количество тепла топлива, поступившего в двигатель за час,

                  кДж/ч:

,  Q_общ=16,2*42500=688500кДж/ч                                

-  количество тепла, превращенного в полезную индикаторную работу, кДж/ч:

,         

Q_i=16,2*42500*0,49=337365кДж/кг                                                   

-  количество тепла, унесенного с газами, представляющего собой разность тепла выпускных газов и тепла свежего заряда кДж/ч:

,               

Q_ог=16,2*0,88*29,8*765-16,2*1,7*0,5*28,9*303=204415кДж/кг           

- средняя мольная теплоемкость  при Р=const свежего заряда при температуре окружающей среды (Т_о) , кДж/кмоль К:

,  

=28,475+1,74*10^-3*303=28,9 кДж/кмоль К   

-  тепло, теряемое вследствие неполноты сгорания топлива,  (при α≥1 для дизелей =0):

Q_co – теплота, отведенная системой охлаждения , кДж/ч:

, 

=688000-(337365+204415)=146720    

     Тепловой  баланс представляется в виде таблицы  отдельных составляющих,

процент которых определяется из соотношения каждого:

,          

     Управление  теплового баланса в относительных  единицах:

, 0,49+0,3+0,21=100%    

Таблица 1