Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методические указания тепловой расчет.docx
Скачиваний:
0
Добавлен:
30.01.2020
Размер:
139.37 Кб
Скачать

Методические указания

К выполнению расчета двигателя для студентов по специальности «Техническое обслуживание и ремонт автомобилей» по предмету «Автомобили»

Основные параметры рабочего тела

Количество свежей горючей смеси (кмоль/кг топлива),поступившей в цилиндр двигателя:

М1L0+1/m1 – для бензиновых двигателей;

М1= αL0 – для дизелей;

М1=1+ αL0- для двигателей с газобаллонными установками.

где m1 – молекулярная масса паров бензина, кг/кмоль; α – коэффициент избытка воздуха; L0- количество воздуха, кмоль, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива.

Величина L0 для различных двигателей определяется следующим образом:

L0 - для карбюраторных двигателей:

  • В учебнике значительное внимание расчетам вновь создаваемых двигателей. В связи с этим приводятся основные данные, необходимых для выбора исходных параметров, которые используются при выполнении как теплового, так и динамического расчетов.

Необходимо иметь ввиду, что в тепловом расчете подробно даны примеры определения основных параметров аналитических зависимостей, рассматриваемых на режиме номинальной (максимальной) мощности двигателя, и с учетом уже приобретенного опыта по тепловому расчету проводится динамический расчет на примере выбранного двигателя.

Примерами расчета являются: рядный 6 – цилиндровый бензиновый двигатель с номинальной мощностью Ne=77,2 кВт при ne=2800 об/мин, и его модификация для работы сжатом газе, а также экспериментальный образец рядного дизеля с мощностью Ne=66,2 кВт при ne=2000 об/мин, . Указанные двигатели предназначены для установки на опытных образцах грузовых а/м малой и средней грузоподъемности, планируемых к применению в промышленно-коммерческой сфере эксплуатации.

При проведении теплового расчета определяются основные параметры действительного цикла, среднее и индикаторное и эффективное давление, значения КПД и показатели расходов топлива. Исходя из этого, тепловой расчет начинается с характеристики основных параметров рабочего тела двигателя и расчета его рабочего цикла на режиме работы при номинальной мощности.

где С,Н,О – соответственно содержание углерода, водорода и кислорода;

где СnHm – химическая формула газового топлива;

Сжиженный газ содержит 52% пропана C3Н8 (n=3, m 8) и 48% бутана С4Н10 (n=4, m=10).

Основным компонентом сжатого газа является метан СН4, для которого n=1, m=4.

Численные значения основных составляющих параметров рабочего тела даны на примерах расчета рабочих циклов рассматриваемых двигателей, при этом исходя из условий нормальной работы двигателей, параметры окружающей среды принимаются: давление po=0.1013 МПа, температура воздуха, поступающего из атмосферы, То=288 К.

Наряду с этим в процессе наполнения цилиндров температура свежего заряда несколько увеличивается вследствие прогрева его от нагретых двигателей. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, что отрицательно влияет на его наполнение цилиндров. Эти два фактора должны быть учтены при определении величины Т. Численные значения подогрева Т, К (Со), лежат в пределах: для бензиновых двигателей 0…20, для газовых 10…20, для дизелей 10…40.

Расчет рабочего цикла бензинового двигателя

На основе анализа технической характеристики прототипа проектируемого двигателя, для проведения теплового расчета принимаем следующие исходные данные: номинальная мощность Ne=77,2 кВт; частота вращения коленчатого вала ne=2800 об/мин; степень сжатия =7; число цилиндров i=6; коэффициент избытка воздуха a=0.93; коэффициент наполнения v=0.77.

Топливо: бензин А-80 состава С=88.5%, Н=14.5%; молекулярная масса паров бензина mт=114 кг/моль; коэффициент выделения теплоты =0,90; температура отработавших газов Тr=-1000 К.

Процесс пуска (газообмена). В процессе впуска происходит частичное удаление из цилиндров отработавших газов и наполнение его свежим зарядом.

Основными параметрами процесса являются: давление и коэффициент остаточных газов, плотность свежего заряда при впуске, давление и температура рабочей смеси, коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом.

Учитывая принятую частоту вращения коленчатого вала двигателя, отсутствие устройств для подогрева и стремление получить при этом лучшее, наполнение цилиндров свежим зарядом, принимаем температуру подогрева свежей смеси в начале впуска =5о.

Давление остаточных газов:

.

Коэффициент остаточных газов:

= .

Плотность рабочей смеси при впуске:

Где R=287 Дж/(кг*К) – газовая постоянная для воздуха.

Давление рабочее смеси в конце впуска, МПа, являются основным фактором, определяющим количество рабочего заряда, поступающего в цилиндр двигателя:

Где p – потеря давления на преодоление сопротивлений впускной системы:

=

Здесь вп – скорость заряда во впускном газопроводе, определяемая по эмпирической формуле

Следовательно

м/с

Уменьшение гидравлических потерь в газопроводах обеспечивается увеличением их проводных сечений с обработкой внутренних поверхностей, а также приданием обтекаемой формы клапанам.

Суммарный коэффициент сопротивления впускного тракта и затухания колебаний в нем

По экспериментальным данным а=2,00…3,25, причем меньшее значение берется для двигателей с частотой вращения ne более 3000 об/мин.

В соответствии со скоростным режимом работы двигателя и в предположении, что внутренняя поверхность впускной системы будет обрабатываться, принимаем а=2,75, тогда:

В карбюраторных двигателях и дизелях значения Кс и вп лежат в следующих пределах:

Следовательно, потери давления в пуске

Откуда

Ориентировочно в четырехтактных двигателях численное значения давлений впуска лежат в пределах pa =(0,83…0,9) ро.

В двигателях с сравнительно высокими степенями сжатия ( 8,5) давление впуска ра, МПа, с достаточной точностью можно определить по формуле:

Температура рабочей смеси в конце впуска:

Для различных типов двигателей при работе их с полной нагрузкой коэффициент наполнения изменяется в пределах: для бензиновых и газовых двигателей v=0,70…0,85; для дизелей без наддува v=0,80…0,90. Он характеризует степень совершенства процесса впуска, зависит от ряда конструктивных, нагрузочных и регулировочных параметров двигателя. При расчете коэффициента наполнения можно пользоваться формулой:

В данном случае расчетный коэффициент наполнения соответствует принятому в исходных данных, что отвечает требованиям руководящих технических материалов по выбору этого параметра. Для сопоставления полученных данных рекомендуется пользоваться табл. 22.1, в которой приведены пределы справочных значений основных параметров и коэффициентов рабочего цикла рассматриваемых двигателей.

Процесс сжатия. В процессе сжатия происходит повышение давления и температуры рабочего тела, что должно обеспечивать надежность воспламенения и эффективность сгорания свежего заряда.

Давление в конце процесса сжатия :

Где n1 – показатель политропы сжатия, n1=1,41-120/nе, откуда n1=1,41-120/2800=1,37.

Таким образом:

табл. 22.1

Основные параметры рабочего цикла двигателей

Температура в конце сжатия:

Тcаn1-1= 361*70,37 = 741 К.

Процесс сгорания. Теоретически необходимое количество воздуха L0 в молях для сгорания 1 кг бензина

L0= =0,512 кмоль/кг топлива.

Количество молей свежей смеси

М1= αL0 + кмоль/кг.

Состав продуктов сгорания определяется по формулам:

МСО=0,42 L0(1-α)=0,42*0,512(1-0,93) = 0,0151 кмоль/кг;

МСО2. = С/12 – 0,42 L0(1-α) = 0,855/12 – 0,0151=0,0562 кмоль/кг;

МN2 = 0,79αL0 =0,79*0,93*0,512= 0,3762 кмоль/кг;

МН20=Н/2 = 0,145/2 = 0,0725 кмоль/кг.

Количество молей продуктов сгорания определяется по формуле:

М2сосо2N2Н2О=0,0151 +0,0562 +0,3762 + 0,0725 =0,52 кмоль/кг топлива.

Химическим (теоретическим) коэффициентом молекулярного изменения называется отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей свежего заряда

µ0г3=0,52/0,485=1,072.

где Мг, М3 - масса соответственно продуктов сгорания и свежего заряда.

Действительным коэффициентом молекулярного изменения рабочей смеси называется отношение общего числа молей газов в цилиндре после сгорания к числу молей газов в цилиндре до сгорания и определяется по формуле:

µ=

Средняя молярная теплоемкость свежего заряда для карбюраторных двигателей

mcVср =20,16 + 1,74*10-3Тс.

Подставляя значения температуры сжатия для данного типа двигателя, получим

mcVср= 20,16 + 1,74*10-3*741=21,45 Дж/(моль*К).

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания для бензиновых двигателей

mcVr=(18,42 +2,6 ) + (1,55 + 1,38 ) 10-3Тζ.

Подставляя числовые значения коэффициента избытка воздуха, а=0,93, получим:

mcVr =(18,42 + 2,6*0,93) + (1,55 + 1,38*0,93)10-3Тζ=20,84 + 2,83*10-3Тζ.

Зная элементарный состав жидкого топлива, можно определить его низшую теплотворность:

Ни=4,2 =4,2 =43 905 кДЖ/кг,

где С, Н,W и S – процентное (по массе) содержание соответственно углерода, водорода, влаги, кислорода и серы в топливе.

При расчетах W обычно не учитывается из-за практически малого значения.

В процессе расширения на режиме nemax происходит значительное догорание рабочей смеси, что снижает величину коэффициента использования теплоты , но применение на данном режиме обогащенной смеси (а = 0,93) повышает скорость сгорания, тем самым снижая процесс догорания. Исходя из этого, можно принять

Количество теплоты, потерянной вследствие химической неполноты сгорания на

Но=119 600(1-α) Lо=119 600(1-0,93)0,512 = 4 286 кДЖ/кг.

С учетом этого уравнение сгорания принимает вид

+ mcVср ТζmcVср Тζ.

Основе реакций окисления углерода:

В это уравнение входят две неизвестные величины: температура конца сгорания Тz, К, и теплоемкость продуктов сгорания mc при той же температуре.

При определении mcVr уравнение сгорания после подстановки в него числовых значений принимает вид квадратного уравнения следующего типа:

АТζ2+ВТζ-С=0

где А, В, С – численные значения известных величин, откуда

Тζ= .

Таким образом, подставляя числовые значения, получим

ζ) Тζ,

и после преобразования имеем квадратное уравнение

3,02*10-3Тζ2+22,23Тζ- 84 605 = 0.

Решая квадратное уравнение относительно Тz определим температуру в конце сгорания:

= =2 770 К.

Давление в конце сгорания рг зависит от характера осуществляемого цикла. Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, давление в конце сгорания

рг =

Степень повышения давления λ = рζс = 5,2/1,28 = 4,06.

Процесс расширения. Давление в конце процесса расширения

рd = рζ /n2.

Здесь n2 – показатель политропы расширения, n2 = 1.22 + 130/nе, где nе – частота вращения коленчатого вала, об/мин: n2 = 1,22 + +130/2 800- 1,22 + 0,046 – 1,266.

Следовательно,

рb = 5,2/74,266= 0,443 МПа.

Температура в конце расширения

Тbζ/n2-1= 2 770/70,266=1 650 К.