- •Расчет теплового двигателя
- •Введение
- •1.Тепловой расчет двигателя
- •1.1. Процессы впуска и выпуска
- •2. Построение расчетной индикаторной диаграммы
- •Точки политропы соединяются плавной кривой. После планиметрирования площади индикаторной диаграммы расчетного цикла соответствующего двигателя определяют среднее индикаторное давление газов:
- •3. Построение эксплуатационных характеристик двигателя
- •Коэффициенты для построения скоростной характеристики
- •Показатели двигателя для построения скоростной характеристики
- •4. Кинематический расчет двигателя
- •5. Динамический расчет двигателя
- •Расчет сил, действующих в кшм двигателя
- •Пример теплового расчета двигателя
- •Расчет процессов впуска и выпуска
- •1.2. Процесс сжатия
- •1.3. Процесс сгорания
- •1.4. Процесс расширения
- •Индикаторные показатели цикла
- •Эффективные показатели двигателя
- •Определение основных размеров двигателя
- •Приложение 4
- •Литература
1.1. Процессы впуска и выпуска
а). Задаются значениями: То; ро ; Тr ; рr; Т; ра.
Температура То и давление ро окружающей среды принимаются в соответствии со стандартными атмосферными условиями: То=273+25=298К; ро=0,1 МПа.
Температура Тr и давление рr остаточных газов зависят от частоты вращения и нагрузки двигателя, сопротивления выпускного тракта, способа наддува.
Для двигателей со свободным впуском:
рr=(1,05…1,20)рo,
для двигателей с высокой частотой вращения принимаются большие значения рr.
Для двигателей с газотурбинным наддувом:
рr=(0,75…0,95)рк,,
давление наддувочного воздуха рк для существующих двигателей:
рк=(1,5…2,2)ро.
Температура остаточных газов зависит в основном от коэффициента избытка воздуха , степени сжатия , частоты вращения коленчатого вала, нагрузки.
В существующих двигателях значения Тr соответствуют:
для бензиновых и газовых двигателей-----900…1100 К;
для дизелей------600…900 К.
Большие значения Тr выбираются для высокооборотных двигателей и двигателей с низкой степенью сжатия.
Т-степень подогрева свежего заряда во впускном тракте зависит от частоты вращения, наличия наддува и принимается в следующих пределах:
для бензиновых и газовых двигателей --------10…30;
для дизелей без наддува ------------------------ 10…20;
для двигателей с наддувом ---------------------- 0…10.
Давление в конце впуска ра принимается из следующих соотношений:
ра= рк - ра ; для двигателей без наддува - ра = ро - ра.
У двигателей потери давления ра за счет сопротивления впускного тракта находятся в пределах (большие значения принимаются для высокооборотных двигателей):
для бензиновых и газовых двигателей - (0,05…0,2)ро;
для дизелей без наддува - (0,03…0,18)ро;
для дизелей с наддувом - (0,03…0,1)рк.
б). Определяют величины: r (коэффициент остаточных газов), Тa (температура конца наполнения) и v (коэффициент наполнения) по следующим формулам:
. (1)
(3)
Для двигателей без наддува в уравнениях (1), (2), (3) Тк = То; рк = ро.
Температура воздуха за компрессором:
, (4)
где nк - показатель политропы сжатия в компрессоре, принимается в пределах 1,4…2.
Для достоверности результатов расчета процесса впуска необходимо ориентироваться на следующие рекомендации.
Коэффициент остаточных газов r находится в следующих пределах:
для бензиновых и газовых двигателей - 0,06…0,12;
для дизелей без наддува и с наддувом - 0,03…0,06.
Значения Та для современных двигателей находятся в пределах:
для бензиновых и газовых двигателей – 320…380 К;
для дизелей без наддува – 310…350 К;
для дизелей с наддувом – 320…400 К.
Значения v находятся в пределах:
для бензиновых и газовых двигателей – 0,75…0,85;
для дизелей без наддува – 0,8…0,9;
для дизелей с наддувом – 0,8…0,95.
в). В зависимости от принятого значения коэффициента избытка воздуха определяют массу свежего заряда, введенного в цилиндры двигателя (ориентировочно):
М1 = lо / 29, кмоль,
где lo = 14,5 кг. воздуха / кг. топлива – для дизеля;
lo = 15 кг. воздуха/ кг. топлива – для бензинового двигателя.
Масса воздуха в кмолях: Lo =lo/29. (29 –масса 1 кмоль воздуха).
Для принятия значения необходимо учесть способ смесеобразования в соответствии с рекомендациями табл. 1.
Таблица 1
Расчетные значения в зависимости от способа смесеобразования
Коэффиц. избытка воздуха |
Дизели |
Бензиновые и газовые двигатели | |||||
Способ смесеобразования | |||||||
Объемн |
Объемно-пленочн |
Пленочн |
С разделен. камерой сгорания |
С наддувом (для всех способов смесеобра зования) |
Карбюра-торные (газовые) |
Инжекто-рные | |
|
1,4…1,6 |
1,3…1,4 |
1,15…1,2 |
1,2…1,25 |
1,7…2,0 |
0,9..0,95 (1,1..1,3) |
1,05 |
Процесс сжатия
Определяют параметры процесса сжатия: n1; рс; Тс; Мс.
а). Показатель политропы сжатия п1 определяется из соотношения:
n1 = 1,41 – 100/nн, (5)
где nн – номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.
б). Давление конца сжатия:
. (6)
в). Температура конца сжатия:
(7)
г). Масса рабочей смеси в конце сжатия:
, кмоль. (8)
д). Теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия:
Сv.c=20,16+1,7410 -3Тс , кДж/(кмоль.град). (9)
Процесс сгорания
а). Определяют массу продуктов сгорания в цилиндрах двигателя.
1,0; , (10)
1, , (11)
где С = 0,855; 0,87; Н = 0,145; 0,125 – соответственно элементарный состав топлива для бензина и дизтоплива (ориентировочно).
б). Определяют температуру газов в цилиндре в конце процесса сгорания из уравнений:
для бензинового двигателя , (12)
для дизеля (13)
где Сv z – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:
Сvz =(18,4+2,6) + (15,5 + 13,8)10 – 4 Тz , (14)
Сz – теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:
Сz =(20,2 + 0,92/) + (15,5 + 13,8/) 10 –4 Тz + 8,314 , (15)
-коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в ходе сгорания =, (значения находятся в пределах 1,01…1,1)
- коэффициент использования теплоты в ходе сгорания,
для бензиновых двигателей - =0,85… 0,95;
для дизелей - =0,7…0,9.
(для инжекторных двигателей и дизелей с разделенной камерой сгорания принимаются большие значения ).
Нu- низшая теплотворная способность топлива:
для бензина -44; для дизтоплива -;
Hu - потери теплоты вследствие неполноты сгорания при < 1:
. (16)
Для инжекторных двигателей Нu = 0.
Уравнения (10) и (11) после подстановки соответствующих значений решаются как квадратные уравнения:
А Тz2 + В Тz + C =0,
Tz =.
в). Определяют максимальное давление газов в цилиндре по формулам:
для дизелей - рz = рc , (17)
степень повышения давления принимается:
для дизелей с неразделенной камерой сгорания - 1,8…2,2;
для дизелей с разделенной камерой сгорания - 1,4…1,6;
для дизелей с пленочным смесеобразованием - 1,5…1,8;
(для дизелей с наддувом принимаются меньшие значения );
для бензиновых двигателей - . (18)
Степень повышения давления для бензиновых и газовых двигателей:
= рz / рс. (19)
Процесс расширения
Определяют параметры процесса расширения: n2; рb; Тb.
а). Показатель политропы расширения n2 определяется из соотношения:
n2 = 1,22 + 130 / nн. (20)
б). Давление и температура конца расширения:
для бензиновых двигателей - ; (21)
; (22)
для дизелей - ; (23)
(24)
где - степень последующего расширения,
- степень предварительного расширения.
Полученные расчетные значения термодинамических параметров процессов цикла необходимо сопоставить с данными табл. 2.
Таблица 2
Предельные значения параметров процессов цикла
Тип двигателя |
pc , МПа |
pz,, МПа |
Тс, К |
Тz,К |
Тb, К |
Дизели с неразделенной камерой сгорания |
3…6 |
8…12 |
700…900 |
1800..2300 |
1000…1400 |
Дизели с пленочным смесеобразованием |
2,8…5 |
6,5…8,5 |
700…850 |
1750…2100 |
900…1100 |
Дизели с разделенной камерой сгорания |
3…5,5 |
6…7 |
600…900 |
1700..2000 |
950…1100 |
Бензиновые и газовые двигатели |
0,9…2,2 |
3…5,5 |
600…800 |
2400…2900 |
1400…1700 |
Двигатели с наддувом |
6…8 |
10…15 |
1000 |
1900…2800 |
1100…1200 |
Индикаторные показатели цикла
а). Определяют среднее индикаторное давление (теоретическое) газов:
для дизеля - (25)
для бензинового и газового двигателей -
. (26)
б). Определяют среднее индикаторное давление (действительное) газов:
pi = п р11,
где п – коэффициент полноты индикаторной диаграммы, учитывающий ее скругление в ВМТ и НМТ, как результат наличия фаз газораспределения, угла опережения впрыскивания топлива или зажигания, а также скорости сгорания топлива. Значения п принимаются для дизелей 0,9…0,96, для бензиновых и газовых двигателей 0,94…0,97.
в). Определяют индикаторный КПД цикла:
, (27)
для двигателей с наддувом: То = Тк, ро = рк.
г). Определяют индикаторный удельный расход топлива:
. (28)
Эффективные показатели двигателя
а). Определяют среднее давление механических потерь:
, (29)
где - средняя скорость поршня, принимается по двигателю-прототипу (у существующих двигателейсп= 8…15 ),
и - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Значения коэффициентов и
Тип двигателя |
|
|
Дизели с неразделенной камерой сгорания |
0,105 |
0,012 |
Дизели с разделенной камерой сгорания |
0,105 |
0,0138 |
Бензиновые и газовые двигатели, |
0,05 |
0,0155 |
Бензиновые и газовые двигатели, |
0,04 |
0,0135 |
б). Определяют среднее эффективное давление газов:
. (30)
в). Определяют механический КПД двигателя:
. (31)
г). Определяют эффективный КПД двигателя:
. (32)
д). Определяют удельный эффективный расход топлива:
. (33)
Полученные расчетные значения индикаторных и эффективных показателей необходимо сопоставить с данными табл.4.
Таблица 4
Предельные значения индикаторных и эффективных показателей современных поршневых двигателей
Тип двигателя |
pi, МПа |
i |
bi, г/кВт.ч |
pe, МПа |
e |
be, г/кВт.ч |
Бенз. и газов. двигатели |
0,9…1,2 |
0,3…0,4 |
270…205 |
0,75…0,85 |
0,25…0,35 |
320…230 |
Дизели без наддува |
0,75…1,05 |
0,42…0,5 |
200…170 |
0,65…0,8 |
0,36…0,42 |
220…200 |
Дизели с наддувом |
0,8…2 |
0,42…0,5 |
200…170 |
0,7…1,8 |
0,38…0,45 |
210…175 |
Определение основных размеров двигателя
а). Определяют рабочий объем одного цилиндра по заданным значениям мощности, частоты вращения и расчетному значению среднего эффективного давления газов (ре):
, л , (34)
где - число цилиндров двигателя (принимается с учетом литража двигателя и установившейся тенденции в двигателестроении),- тактность двигателя (=2,4).
б). Выбирают отношение хода (S) поршня к диаметру (D) по прототипу двигателя или задаются :
для дизелей – 0,9…1,4; для бензиновых двигателей – 0,7…1,0; (для быстроходных двигателей принимаются меньшие значения), и определяют:
, мм; S = (S/D) D. (35)
Результаты теплового расчета необходимо свести в табл. 5 и выполнить краткий анализ с точки зрения соответствия показателей рассчитываемого двигателя показателям двигателей, приведенных в приложении.
Таблица 5
Характеристика двигателей
Параметры двигателя |
Ре, кВт |
nн,
|
|
D, мм |
S, мм |
|
Vл, Л |
Рл,
|
bе,
|
Прототип |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проектир. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|