Тепловой расчет дизельного ДВС. Тепловой расчет. 1 Расчет параметров рабочего тела 1 Средний элементарный состав топлива
![]()
|
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ В тепловом расчете определяются параметры характерных точек индикаторной диаграммы для режима максимальной мощности. 1.1. Расчет параметров рабочего тела 1.1.1. Средний элементарный состав топлива Состав топлива задается массовыми долями углерода, водорода, кислорода. Примерное содержание названных компонентов для бензина и дизельного топлива приведено в табл.1.1. Таблица 1.1
1.1.2. Низшая теплота сгорания топлива Низшая теплота топлива вычисляется по формуле Менделеева: ![]() 1.1.3. Коэффициент избытка воздуха Для режима максимальной мощности принимаются следующие значения коэффициента избытка воздуха α = 1,578 (из исходных данных). 1.1.4. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива ![]() ![]() где ![]() 1.1.5. Количество горючей смеси ![]() 1.1.6. Состав продуктов сгорания Состав продуктов сгорания во многом зависит от состава горючей смеси. При сгорании богатых или стехиометрических смесей (α1) продукты сгорания включают в себя СО2, Н2О, О2, N2. ![]() 1.1.7. Общее количество продуктов сгорания ![]() 1.2. Расчет процесса наполнения 1.2.1. Температура подогрева свежего заряда Величина температуры подогрева свежего заряда ΔТ зависит от конструкции впускного трубопровода, типа системы охлаждения, скорости вращения коленчатого вала двигателя: ΔТ = +2˚С 1.2.2. Плотность заряда на впуске ![]() ![]() ![]() nк – показатель компрессора; nк = 1,4…2,0 для центробежных нагнетателей. Принимаем nк = 1,6, тогда ![]() В = 287 Дж/кг град – удельная газовая постоянная воздуха. ![]() 1.2.3. Потери давления на впуске ![]() где β – коэффициент затухания скорости движения; ![]() ![]() Сумма ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1.2.4. Давление в конце впуска ![]() 1.2.5. Коэффициент остаточных газов ![]() где ![]() ![]() ![]() П ![]() ![]() ![]() ![]() Величина ![]() ![]() Принимаем ![]() ![]() ![]() 1.2.6. Температура в конце впуска ![]() 1.2.7. Коэффициент наполнения ![]() 1.3. Расчет процесса сжатия 1.3.1. Давление в конце сжатия ![]() где n1 – средний показатель политропы сжатия. Величина n1 зависти от скорости вращения коленчатого вала, рабочего объема цилиндра, степени сжатия. Влияние названных факторов на величину n1 определяется интенсивностью тепловыделения по мере сгорания рабочей смеси и теплообмена между рабочим теплом и стенками цилиндра, поршня и камеры сгорания. Согласно рисунку №1 принимаем n1 = 1,351 1.3.2. Температура в конце впуска ![]() 1.3.3. Средняя мольная теплоемкость свежей смеси ![]() где ![]() ![]() 1.3.4. Средняя мольная теплоемкость остаточных газов ![]() где Мi – количество i-го компонента остаточных газов; ![]() ![]() ![]() 1.3.5. Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси ![]() 1.4. Расчет процесса сгорания 1.4.1. Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси ![]() 1.4.2. Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси ![]() 1.4.3. Количество тепла, потерянного вследствие неполноты сгорания топлива При α 1 ![]() 1.4.4. Теплота сгорания рабочей смеси ![]() 1.4.5. Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания ![]() где Мi – количество i-го компонента продуктов сгорания; ![]() ![]() тогда ![]() 1.4.6. Коэффициент использования тепла Коэффициент использования тепла ![]() ![]() 1.4.7. Уравнение сгорания ![]() где μ – коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси. ![]() ![]() ![]() лежит в пределах 1800…2600 К 1.4.8. Максимальное давление сгорания ![]() 1.5. Расчет процесса расширения 1.5.1. Степень предварительного расширения ![]() 1.5.2 Степень последующего расширения ![]() 1.5.3. Давление в конце расширения ![]() где n2 – средний показатель политропы расширения. Величина зависит от интенсивности теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра, камеры сгорания и днища поршня. Подвод тепла к рабочему телу или сокращение отвода тепла на линии расширения приводит к уменьшению среднего показателя политропы расширения. Согласно приложению принимаем n2 = 1,269. 1.5.4. Температура в конце расширения ![]() К 1.5.5. Проверка корректности принятых величин ![]() К 1.6. Индикаторные показатели рабочего цикла 1.6.1. Теоретическое среднее индикаторное давление ![]() МПа 1.6.2. Среднее индикаторное давление ![]() где ![]() Коэффициент ![]() ![]() 1.6.3. Индикаторный КПД ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1.6.4. Индикаторный удельный расход топлива ![]() 1.7. Эффективные показатели рабочего цикла 1.7.1. Среднее давление механических потерь ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() 1.7.2. Среднее эффективное давление ![]() 1.7.3. Механический КПД ![]() 1.7.4. Эффективный КПД ![]() 1.7.5. Эффективный удельный расход топлива ![]() 1.7.6. Часовой расход топлива ![]() 1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя 1.8.1. Рабочий объем двигателя ![]() 1.8.2. Рабочий объем цилиндра ![]() 1.8.3. Диаметр поршня ![]() 1.8.4. Ход поршня ![]() 1.8.5. Действительные параметры двигателя ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() м/с 1.9. Построение индикаторной диаграммы 1.9.1. Индикаторная диаграмма ![]() где АВ – отрезок, соответствующий ходу поршня, мм. Принимаем АВ = S=84 мм. (из п. 1.8.4) ![]() Выбираем масштаб МР = Pz/200=27,655/200=0,138 МПа/мм. Доводим масштаб до стандартного значения. Принимаем МР = 0,2 МПа/мм и МS = 1 мм/мм. Pr = 0,113/0,2 = 0,6 мм Pa = 0,2678/0,2 = 1,3 мм Pc = 16,2677/0,2 = 81,3 мм Pz = 27,655/0,2 = 138,3 мм Pb = 0,7203/0,2 = 3,6 мм Для политропы сжатия: ![]() где ![]() Для политропы расширения: ![]() где ![]() Данные для построения политроп сжатия и расширения сводим в табл. 1.2. Таблица 1.2
![]() где ρ – степень предварительного расширения. ![]() Теоретическое среднее индикаторное давление: ![]() где F – площадь индикаторной диаграммы, F = 800 мм²; Мр – масштаб давления, МПа/мм. ![]() 1.9.1. Коррекция теоретической индикаторной диаграммы Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической тем, что процесс сгорания в действительности протекает не мгновенно, а в течение определенного промежутка времени. Кроме того, выпуск отработанных газов и впуск свежего заряда начинаются не в мертвых точках, а с некоторым опережением и заканчиваются с запаздыванием. В связи с этим необходимо принять фазы газораспределения, принимая во внимание быстроходность двигателя, конструкцию и характеристики впускного и выпускного тактов, рабочий объем двигателя, а также опираясь на прототип. Необходимо задаться углом опережения и периодом задержки воспламенения. Ниже приводятся диапазоны изменения названных величин: угол опережения открытия: впускного клапана 10…30º выпускного клапана 40…80º угол запаздывания закрытия: впускного клапана 40…80º выпускного клапана 15…60º для режима максимальной мощности: угол опережения зажигания 30…40º угол опережения впрыска 15…25º период задержки воспламенения: для бензина 15…18º Давление конца сжатия: ![]() Максимальное давление сгорания: ![]() Допустимая скорость нарастания давления: ![]() где Vp – скорость нарастания давления; ![]() ![]() ![]() После определения фаз газораспределения, угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения, угла ![]() ![]() где АХ – отрезок определяющий положение искомой точки на индикаторной диаграмме; ![]() λ’ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. λ’=0,26 Результаты вычисления заносим в таблицу 1.3 Таблица 1.3
1.10. Тепловой баланс 1.10.1. Общее количество теплоты, введенной в двигатель за 1 с ![]() где ![]() ![]() 1.10.2. Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с ![]() 1.10.3. Теплота, передаваемая охлаждающей среде за 1 с ![]() где с = 0,45 – коэффициент пропорциональности; m = 0,6 – показатель степени; i – число цилиндров; D – диаметр цилиндра, см; n – скорость вращения коленчатого вала, об/мин. 1.10.4. Теплота, унесенная с отработавшими газами за 1 с ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1.10.5. Теплота, потерянная вследствие химической неполноты сгорания топлива за 1 с ![]() где ![]() 1.10.6. Неучтенные потери тепла ![]() ![]() ![]() |