2.3. Тепловой расчет двигателя

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются основными энергетическими установками, используемыми при заготовке, транспортировке и, в определенной мере, переработке древесины. На практике приходится иметь дело как с эксплуатацией ДВС, так и с созданием новых машин для лесозаготовительного комплекса. При этом, исходя из назначения машины и условий работы (трелевочный трактор, лесовозная машина, тепловоз и т. д.), а также производительности (грузоподъемность, скорость движения), необходимо подобрать определенный тип двигателя (дизельный или карбюраторный) с соответствующей внешней скоростной характеристикой, определяющей его мощностные, скоростные, тяговые и экономические свойства.

Для теплового расчета можно выбрать один из приведенных в табл. 1 и 2 Приложений прототипов тракторных и автомобильных двигателей или спроектировать новый двигатель, исходя из намерений по его использованию.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность двигателя, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) и произвести прочностной расчет его основных деталей.

При проведении теплового расчета необходимо правильно выбрать исходные данные и опытные коэффициенты, входящие в некоторые формулы. При этом нужно учитывать скоростной режим и другие показатели, характеризующие условия работы двигателя.

Пример теплового расчета

Принятые обозначения:

• Коэффициент наполнения………………………….

• >> избытка воздуха…………………….

• >> использования тепла……………….

• >> неполноты диаграммы……………..

• Степень повышения давления……………………..

• Температура окружающей среды, К………………

• >> подогрева воздуха от стенок……….

• >> остаточных газов …………………...

• Давление окружающей среды, МПа……………….

• >> остаточных газов в начале впуска……..

• >> в конце впуска…………………………..

• Показатель политропы сжатия……………………..

• >> >> расширения……………….

Задание: провести тепловой расчет двигателя (дизельного или карбюраторного). По данным расчета определить основные параметры двигателя, предполагаемую экономичность, построить индикаторную диаграмму и скоростную характеристику.

Сравнить полученные результаты с характеристиками прототипа.

Выбрав прототип для теплового расчета, необходимо указать его исходные данные: номинальную мощность двигателя – Nе(кВт), частоту вращении вала –n(об/с), число цилиндров –i, степень сжатия –ε, коэффициент избытка воздуха –α, химический состав 1 кг топлива (содержание углерода –С, водорода –Н, кислорода –O_Т), низшую теплоту сгорания топлива –Нu. Значение низшей теплоты сгорания топлива можно проверить по формуле Д. И. Менделеева:

. (2.8)

Принимаем содержание серы S=0 и содержание влаги в топливеW=0;С,Н,O_Т– соответственно количество углерода, водорода, кислорода в 1 кг топлива (по исходным данным).

Химический состав топлива и коэффициент избытка воздуха могут быть определены по табл. 3.

Далее переходят непосредственно к расчету, который начинают с процесса газообмена. Параметры данного процесса приведены в табл. 4.

Коэффициент остаточных газов

. (2.9)

Температура в конце впуска, К

. (2.10)

Коэффициент наполнения

. (2.11)

Таблица 3. Химический состав топлива, коэффициент избытка воздуха

Двигатель	Марка топлива	Химический состав топлива			Ни, кДж/кг	Коэффициент избытка воздуха, α	Молекулярный вес, mT
		С	Н	0Т
Дизельный	ДЗ, ДЛ, ДТ, ГОСТ 305-82	0,87	0,126	0,004	42000	1,2–1,7	180–200
Карбюраторный	А-80, А92, А-95	0,855	0,145	0	44000	0,85–0,95	110–120

Таблица 4. Параметры процесса газообмена

Параметры	Тип двигателя
	дизельный	карбюраторный
Подогрев воздуха от стенок цилиндра , К	10–25	10–40
Температура остаточных газов , К	700–900	900–1100
Давление остаточных газов , МПа	0,105–0,120	0,105–0,125
Давление в конце впуска , МПа	0,75–0,95	0,7–0,9

Процесс сжатия.

Давление в конце сжатия, МПа

. (2.12)

Температура конца сжатия, К

. (2.13)

Процесс сгорания.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг топл.

. (2.14)

Для дизельного двигателя действительное количество воздуха и свежего заряда, кмоль/кг топл.

. (2.15)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания для дизельного двигателя, кмоль/кг топл.:

• углекислого газа

;(2.16)

• водяного пара

; (2.17)

• кислорода

; (2.18)

• азота

. (2.19)

Общее количество продуктов сгорания

. (2.20)

Количество горючей смеси для карбюраторного двигателя, кмоль/кг топл.:

. (2.21)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

• доля углерода топлива, сгорающая в СО

;(2.22)

• количество СО₂

;(2.23)

• количество СО

; (2.24)

• количество

; (2.25)

• количество

. (2.26)

Общее количество продуктов сгорания

. (2.27)

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси для дизельного двигателя

. (2.28)

Изменение количества моль при сгорании для карбюраторных двигателей, кмоль/кг топл.

. (2.29)

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

. (2.30)

Средняя мольная теплоемкость горючей смеси в конце сжатия в интервале температур 273 … 1800 К, кДж/кмоль·град:

. (2.31)

Средняя мольная теплоемкость продуктов в конце сгорания в интервале температур 1800 … 3000 К, кДж/кмоль·град:

– для дизельного двигателяпри постоянном давлении

+ 8,314.

Подставляем полученные цифровые значения в уравнение сгорания для смешанного цикла

, (2.32)

где ζ= 0,8 (для дизельного двигателя).

В результате подстановки получаем квадратное уравнение, решая которое, определяем величину

– для карбюраторного двигателя

.

Количество тепла, потерянное вследствие неполноты сгорания, кДж/кг

. (2.33)

Подставляем цифровые значения в уравнение сгорания и получаем квадратное уравнение, решая которое определяем величину

, (2.34)

где ζ= 0,9 (для карбюраторного двигателя).

Давление газов в цилиндре в конце сгорания:

• дизельногодвигателя, МПа

. (2.35)

Степень предварительного расширения

; (2.36)

• карбюраторногодвигателя, МПа

.(2.37)

Степень повышения давления

. (2.38)

Процесс расширения.

Для дизельногодвигателя степень последующего расширения

. (2.37)

Давление в конце расширения, МПа

. (2.38)

Температура в конце расширения, К

. (2.39)

Для карбюраторногодвигателя, МПа.

Температура газов, К

. (2.40)

Параметры, характеризующие цикл и работу двигателя

Среднее индикаторное расчетное давление:

• дизельногодвигателя

;(2.41)

• карбюраторного

. (2.42)

Действительное среднее индикаторное давление

. (2.43)

Значение коэффициента полноты индикаторной диаграммы для четырехтактных двигателей следует принять 0,9 … 0,97. Для карбюраторных двигателейимеет более высокие значения, чем для дизелей.

Индикаторный КПД

. (2.44)

Индикаторный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)

. (2.45)

Среднее давление, затрачиваемое на трение и привод вспомогательных агрегатов:

• дизель

;(2.47)

• карбюраторныйдвигатель

.(2.48)

Среднее эффективное давление

.(2.49)

Механический КПД

.(2.50)

Эффективный КПД

.(2.51)

Эффективный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)

.(2.52)

Основные размеры двигателя.Литраж двигателя, л

. (2.53)

Задаваясь числом цилиндров двигателя i, определим рабочий объем одного цилиндра

. (2.54)

Диаметр цилиндра, мм

, (2.55)

где ,– ход поршня и диаметр цилиндра соответственно (по техническойхарактеристике двигателя-прототипа– табл. 1, 2 Приложений).

Ход поршня, мм.

. (2.56)