Тепловий розрахунок двигуна

1.Тепловий розрахунок двигуна

Завдання на проектування

Провести тепловий розрахунок автомобільного дизеля з наступними технічними характеристиками:

–номінальна потужність двигуна,   N_e =170 кВт;                                                                          

–частота обертання колінчастого вала при N_e ,  n_e = 2100 хв^-1;                                                   

–ступінь стиску  ε = 16,5; 

–коефіцієнт надлишку повітря, α = 1,5;                                                                                             

–відношення радіусу кривошипа  до довжини шатуна, λ_ш = 0,264.                                                  

         Тип двигуна – V-подібний, чотиритактний, восьмициліндровий, дизель,з загоряння від стиску.

        У  якості прототипу вибрано двигун  КамаЗ – 740.10.10, технічна характеристика  якого наступна:

–номінальна потужність двигуна,   N_e =155 кВт;                                                                          

–частота обертання колінчастого вала при N_e ,  n_e = 2600 хв^-1;                                                   

–ступінь стиску  ε = 16,5; 

–коефіцієнт надлишку повітря, α = 1,55;                                                                                             

–відношення радіусу кривошипа  до довжини шатуна, λ_ш = 0,264                                                  

Вибір вихідних даних

Ступінь стиску двигуна, що проектується, приймаємо ε = 16,5. У  відповідності з ДГСТ 305-62 для  дизеля, що розраховується, приймаємо  дизельне паливо (для роботи в літніх умовах - марки Л і для роботи в зимових умовах - марки З). Цетанове число палива не менше, ніж 45.

Середній елементарний склад  дизельного палива С=0,857; Н=0,133; О=0,01.

Визначаємо нижчу теплоту  згоряння  згідно з елементарним складом палива за формулою: 

кДж/кг.

КП.ДВЗ.В05

Із

Арк

№ док.

Підпис.

Дата

1.Тепловий розрахунок

Літ.

Аркуш

Аркушів

Розроб.

Пров.

АТ-091

Н. кон

Затв.

Розрахунок параметрів робочого тіла

Визначаємо теоретично необхідну  кількість повітря для повного  згоряння одиниці палива:          

– у масових одиницях:

кг.пов./кг. – палива; 

у об’ємних одиницях:

де  µ_п =28,96 – молярна маса повітря.

Визначаємо кількість  свіжого заряду для дизеля:

M₁=a·L₀ = 1,5·0,501= 0,751 кмоль зар./кг пал.

Загальна кількість продуктів  згоряння:

M₂=a·L₀ + Н/4 +О/32 = 0,751 + 0,133/4 + 0,01/32 = 0,785 кмоль/ кг. пал.

Кількість окремих компонентів  та загальна кількість продуктів  згоряння (при a=1, 5):

М_СО2= С/12= 0,857/12 = 0,0714 кмоль/кг. палива;

М_Н2О = Н/2= 0,133/2 = 0,0665 кмоль/кг. палива;

М_О2=0,21·(α –1)·L₀ = 0,21·(1,5–1) ·0,501=0,0579 кмоль/кг.палива;

М_N2=0,79·α·L₀ = 0,79·1,5·0,501=0,5936 кмоль/кг. палива;

Сумарна кількість продуктів  згоряння:

М₂=  М_СО2 + М_Н2О+ М_О2+ М_N2 = 0,0714+0,0665+0,0579+0,5936=

= 0,789 кмоль/кг. палива.

Перевірку здійснюємо за формулою:

М₂ = С/12+Н/2+ 0,79· α·L₀+0,21· (α – 1) ·L₀= 0,0714+0,0665+ 0,79·0,501·1,5 + 0,21· (1,5–1) ·0,501= 0,784 кмоль/ кг. пал.

У наведених розрахунках  значення М₂ не відрізняються більш, ніж на 0,6% (різниця значень не повинна перевищувати 3%).

Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші:

µ₀=М₂/М₁= 0.784 / 0,751=1,044 (як правило – µ₀= 1,02…1,12).

Коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші:

µ₀=М₂/ М₁ = 0,5118 / 0,474= 1,08 (як правило – µ₀= 1,02…1,12).

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Параметри  навколишнього  середовища і залишкових газів

Враховуючи достатню швидкохідність дизеля, що розраховується (п_e=2600 хв^-1.), можна прийняти підігрів свіжого заряду на  DT=10К (DT= 0…20К).

Атмосферні умови: р₀ =0,1МПа, T₀= 293 K.

Згідно з завданням  р_k=0,1 МПа.

Температура поступаючого в  двигун заряду (після нагріву в  компресорі):

де n_{k –} показник політропи стиску, прийнятий для відцентрового нагнітача, що охолоджується тепловипромінюванням від корпусу, n_k =1,5.

 Температурний режим двигуна підвищується але достатньо високе значення ε =16,5 знижує температуру і тиск залишковихгазів. Тому, приймемо їх значення:

T_г =760K ;  

р_г =1,2·р_k=1,2·0,1=0,12 МПа.

Параметри процесу  впуску

Щільність заряду на впуску визначаємо за формулою:

ρ_к =  р_к·10⁶/RвТ_к= 0,1·10⁶/287·293= 1,18  кг/м³ ,

де  R_в=287 Дж/кг·град – питома газова стала для повітря.         

Втрати тиску на впуску визначаємо з рівняння Бернулі:

, МПа,

 де  (β²+ξ_вп) = (2,5...4,0) – гідравлічний опір впускної системи; приймаємо для дизеля (β²+ξ_вп)= 2,7;

     ω_вп – швидкість руху заряду у впускній системі; для бензинових і дизельних двигунів ω_вп = 50…130 м/с . Приймаємо для дизеля ω_вп = 70 м/с. 
          Таким чином, втрати тиску на впуску:

Δр_а= 70²·2,7·1,18 ·10^-6/2=0,078 МПа.

Для автомобільних двигунів розрахункові значення величини Δр_а=(0.006…0.2) МПа, або Δр_а=(0.06…0.2)р₀ МПа. Отримане нами значення входить до наведеного діапазону.

Тиск у кінці процесу  впуску:

р_a= р_k –Dp_а =0,1– 0,078= 0,022 МПа.

Коефіцієнт залишкових газів γ_г характеризує ступінь очистки циліндра від продуктів згоряння і визначається за формулою:

γ_г=(Т_к+ ΔТ)·р _г / Т_г·( ε·р_а–р_г)= (293+15)·0,12 /760·(16,5·0,022–0,12)=0,035.

Для дизельних двигунів γ_г= (0,02…0,1).

Температура заряду в кінці  процесу впуску визначається за формулою:

Т_а= (Т_к+ ΔТ+ γ_г·Т_г) / (1+ γ_г) = (293+15+0,035·760) / (1+0,035) = 323,707 К.

Розрахункові значення повинні  знаходитись у межах Т_а=320…360 К.

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Коефіцієнт наповнення циліндрів  двигуна η_v визначається за формулою:

Розрахункові значення величини η_v для сучасних бензинових двигунів знаходяться у межах   η_v=  0,7…0,95. Отримане значення  η_vу нашому випадку знаходиться в існуючих межах.

Параметри процесу  стиску

Середній показник адіабати стиску приε = 16,5  і T_a =324K визначаємо  за графіком.k₁=1,366.

Рисунок  1.1 – Номограма для визначення показника адіабати розширення к₂ бензинового двигуна

Підвищення середньої  температури двигуна за рахунок  наддуву зменшує значення показника  політропи стиску n₁, а достатня швидкохідність дизеля може дещо підняти значення n₁. Приймаємо n₁=1,36.

Тиск в кінці процесу  стиску визначаємо за формулою:

р_с = р_а·

Температуру в кінці процесу  стиску визначаємо  за формулою:

Т_с=Т_а·

Визначаємо середню молярну  теплоємність заряду (повітря) без врахування залишкових газів [1]:

 кДж/(кмоль·К).

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

За формулами, які наведено в таблиці 1.1, середня мольна теплоємність в кінці процесу стиску при сталому об’ємі для повітря і компонентів залишкових газів становить:

Таблиця 1.1 – Середні мольні теплоємності для газів

– повітря

=20,6+0,002638·t_с = 20,6+0,002638· 615= 22,22 кДж/(кмоль·К),

де  t_c =(T_c-273)°C = (888– 273)=615°C;

–вуглекислий газ СО₂ =27,941+0,019·t_с – 0,0000055·t²_с= =27,941+0,019·615– 0,0000055·(615)² = 37,54 кДж/(кмоль·К);

–водяна пара = 24,953+0,005359· t_с = 24,953+0,005359·615=

= 28,24 кДж/(кмоль·К);

–кисень  = 20,930 +0,004641·t_с – 0,00000084·t²_с =20,930+ +0,004641·615– 0,00000084·(615)²  = 23,61 кДж/(кмоль·К);

–азот     = 20,398+0,0025· t_с= 20,398+0,0025·615=

=21,936 кДж/(кмоль·К).

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Середню мольну теплоємність в кінці процесу стискування  при сталому об’ємі для залишкових газів приa =1,5  і t_с =709⁰Свизначаємо за формулою:

кДж/(кмоль·К).

Середню мольну теплоємність робочої суміші mc_v^’ (свіжий заряд + залишкові гази) визначаємо за формулою:

_{Після підстановки значень  параметрів знаходимо:}

За формулою, яку наведено в [1], середнє значення теплоємності у процесі стиску без врахування залишкових газів:

    mc_vс = 20,16 + 1,74·10^-3·Т_с =20,16 + 1,74·10^-3·888= 21,7 кДж/(кмоль·К).

Таким чином, отримане середнє  значення теплоємності робочої суміші знаходиться у існуючих межах  = 20…25  кДж/(кмоль·К).

Визначаємо кількість  молів залишкових газів (кмоль):

Визначаємо  кількість  молів газів в кінці процесу  стиску до згоряння(кмоль):

М_с = М₁+М_г =0,751+0,027= 0,778.

Параметри процесу  згоряння

Для дизеля коефіцієнт молекулярної зміни свіжої суміші:

m₀=M₂ / M₁=0,789 / 0,751 = 1,05.

 Коефіцієнт молекулярної  зміни робочої суміші:

Теплота згоряння робочої  суміші:

Значення коефіцієнта  використання теплоти визначається за дослідними даними з урахуванням  кількості палива, що подається до циліндрів, форми камери згоряння тощо. Це дозволяє приймати коефіцієнт використання теплоти ξ _z = 0,7...0,9. Приймаємо ξ _z = 0,82.

Ступінь підвищення тиску  в дизелі в основному залежить від величини циклової подачі палива та від камери згоряння.

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Орієнтовно значення ступіня  підвищення тиску приймають:

а також ступінь попереднього розширення: 

Для дизелів  ρ = 1,2…1,7.

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Параметри  процесу  розширення

У процесі розширення під  впливом догоряння робочої суміші, яка не встигла згоріти на лінії  згоряння, відбувається наступне розширення. Ступінь наступного розширення:

δ= ε  /ρ=16,5 /1,5 =11.

Процес розширення відбувається, як і при стискуванні, за політропою розширення. Для чого, спочатку визначаємо адіабату розширення.

Середній показник адіабати розширення при  δ =11, T_z =2093 K, a=1,5 визначаємо з номограми (рисунок 3.3) k₂=1,275.

Середній показник політропирозширення  приймаємо n₂ =1,27.

Тиск в кінці розширення:

Температура в кінці розширення:

Параметри процесу  випуску

       Для  дизеля температура залишкових  газів на початку розрахунку  приймалась Т_г = 760⁰ К. За формулою Є. К. Мазінга:  

Різниця між прийнятим  і отриманими значеннями Т_г становить:

Розходження не перевищує 10%.

Індикаторні параметри  робочого циклу

Середній розрахунковий  індикаторний тиск за цикл визначається за формулою:

При значеннях розрахункових  параметрів р_с = 4.029 МПа, =16,5, n₁=1,36,  n₂=1,27, l=1,6, ρ = 1,5,  δ=11 знаходимо:

= 0.819 МПа.           

Дійсний індикаторний тиск р_і визначається за формулою р_і= φ· , де φ =0,9…0,97 – коефіцієнт повноти індикаторної діаграми.

Прийнявши φ=0,9, знаходимо середній індикаторний тиск при φ =0,9  –

р_і = 0,9·0.91 = 0.819 МПа.

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Індикаторний коефіцієнт корисної дії (індикаторний ККД) визначається за формулою:

Визначаємо індикаторні  питомі витрати палива за формулою:

Розрахункові значення величин р_і, , для сучасних автотракторних двигунів знаходяться у межах р_і= 0,6…1,4 МПа, = 0,26…0,45, = 205…290  г/кВт·год.

Механічні показники  двигуна

Середній ефективний тиск визначається за формулою:

р_е= р_і – р_м.

Середній тиск механічних втрат р_м визначаємо за емпіричною формулою залежно від типу двигуна, кількості циліндрів, середньої швидкості поршня V_п..с. Для чотиритактного дизеля і n_e = 2600хв^-1. V_п.с.= 9…11 м/с; приймаємо V_п.с.= 11 м/с ; S/D = 1,1; і=8.

Формула для визначення механічних втрат дизелів з нерозділеними  камерами: 

р_M=0,089+0,0118·V_п.с..

Отже, для двигуна, який проектується,

Р_м  =0,089+0,0118·11 =0,218 МПа.

Ефективні показники  двигуна

Середній ефективний тиск:

р_е= 0,818 – 0,218 = 0,601 МПа.

Механічний коефіцієнт корисної дії (ККД) враховує механічні втрати двигуна і визначаємо за формулою:

 Ефективний ККД враховує теплові і механічні втрати двигуна і визначається за формулою:

Питомі ефективні витрати  палива визначаємо за формулою: 

Для сучасних автотракторних двигунів р_е= 0,5…1,1 МПа, , =270…350 г/кВт·год.

Погодинні витрати палива  двигуном визначаємо за формулою:

Аркуш

КП.ДВЗ.В05

Із.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата