Тепловой расчет рабочего цикла. Процессы впуска, сжатия, сгорания и расширения. Эффективный расход топлива. Составление теплового баланса двигателя. Построение индикаторной диаграммы. Анализ внешней скоростной характеристики. Расчёт системы охлаждения.
Аннотация к работе
При этом расчетным путем может быть построена внешняя скоростная характеристика, содержащая основные паспортные данные двигателя, с последующим ее анализом. К расчету двигателя относится также определение основных параметров и эксплуатационных показателей систем двигателя, обеспечивающих его работу. двигатель сгорание топливо тепловой Температура сгорания: Максимальное давление сгорания: Степень предварительного расширения: 1.5 процесс расширения степень последующего расширения: Для современных дизелей с наддувом значение показателя политропы расширения принимают в пределах и находят давление и температуру в конце процесса расширения: Здесь следует оценить правильность ранее принятой температуры остаточных газов Tr по величине погрешности расчета: 1.6 Индикаторные показатели рабочего цикла Основными составляющими теплового баланса наряду с теплотой, преобразованной в механическую работу, являются тепловые потери в систему охлаждения, с отработавшими газами, изза химической неполноты сгорания и неучтенные потери, определяемые по эмпирическим формулам. Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом: Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с: Ne - расчетная мощность двигателя.
Введение
Создание современного транспортного двигателя, отвечающего высоким требованиям динамичности, топливной экономичности и экологии - сложный и многоэтапный процесс. Он включает разработку технического задания и его анализ, выбор конструктивной схемы и эскизную компоновку двигателя, проектирование основных узлов и деталей в увязке с технологической проработкой, изготовление опытных образцов и всесторонние их испытания. Затем с учетом результатов испытаний следует внесение изменений в конструкцию, создание рабочей и технической документации на объект и постановка его на серийное производство. Важное место в этом процессе занимает расчет рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в основу которого положен метод теплового расчета, разработанный профессором В.И. Гриневецким.
В общем случае тепловой расчет проводится для аналитического определения основных параметров и эффективных показателей вновь проектируемого двигателя. Однако его можно использовать и для оценки действительного цикла реально существующего двигателя при изменении отдельных конструктивных или режимных параметров либо внешних условий эксплуатации. Такая постановка задачи более соответствует инженерной деятельности в сфере эксплуатации транспортных ДВС. При этом расчетным путем может быть построена внешняя скоростная характеристика, содержащая основные паспортные данные двигателя, с последующим ее анализом.
Расчет поршневого двигателя включает также динамический расчет кривошипно-шатунного механизма по определению суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции, и суммарного крутящего момента. Результаты динамического расчета используются для оценки прочности деталей и узлов силовых механизмов. К расчету двигателя относится также определение основных параметров и эксплуатационных показателей систем двигателя, обеспечивающих его работу. двигатель сгорание топливо тепловой
Вариант и исходные данные
Pajero MMC, давление наддува Рк=0,22 МПА.
Таблица 1 - Основные конструктивные параметры и эффективные показатели двигателя Pajero MMC
Основные показатели Pajero MMC
Диаметр цилиндра D, мм 959
Ход поршня S, мм 1008
Рабочий объем двигателя Vл, л 2,8
Степень сжатия 21(16)
Максимальная эффективная мощность Ne, КВТ 929
Номинальная частота вращения nном, об/мин 40000
Максимальный крутящий момент Memax, Нм 292
Частота вращения при максимальном крутящем моменте NME, об/мин 2000
1. Тепловой расчет рабочего цикла
1.1 Параметры рабочего тела
Средний элементарный состав дизельных топлив: углерод C=0,870;
водород H=0,126;
топливный кислород Om=0,004.
Низшая теплота сгорания Hu=42500 КДЖ/кг
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:
Количество свежего заряда при заданном :
б - коэффициент избытка воздуха. Для дизеля с высоким наддувом можно принять б =1,8-2,0 в зависимости от давления наддува.
Принимаю, что давление окружающей среды po=0,1 МПА, температура окружающей среды To=288 К. Значения ряда параметров, необходимых при расчете, выбираю, исходя из следующих эмпирических зависимостей: - давление наддува (перед впуском) рк=0,22 МПА;
- температура надувочного воздуха ;
- То, ро - параметры окружающей среды;
давление остаточных газов pr при газотурбинном наддуве для номинальной частоты вращения pr =(0,90-0,98)pk=0,2112;
Температура цикла Tz определяется из уравнения сгорания:
Коэффициент использования теплоты для номинального режима быстроходных дизелей с газотурбинным наддувом выбирают в пределах , а степень повышения давления .
Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия с допустимой для учебных целей погрешностью может быть определена по воздуху:
где tc - температура в конце сжатия в ?С: .
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении:
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме:
После подстановки найденных значений в уравнение сгорания получаю квадратное уравнение с одним неизвестным tz, которое решается известным способом: ;
а, в и с- числовые значения известных величин.
Температура сгорания:
Максимальное давление сгорания:
Степень предварительного расширения:
1.5 процесс расширения степень последующего расширения:
Для современных дизелей с наддувом значение показателя политропы расширения принимают в пределах и находят давление и температуру в конце процесса расширения:
Здесь следует оценить правильность ранее принятой температуры остаточных газов Tr по величине погрешности расчета:
1.6 Индикаторные показатели рабочего цикла
Средне индикаторное давление теоретическое:
Затем находят действительное среднее индикаторное давление, приняв значение коэффициента полноты диаграммы в пределах :
Индикаторный удельный расход топлива: Индикаторный КПД цикла: Низшая теплота сгорания Ни подставляется в МДЖ.
Эффективная мощность двигателя при известном рабочем объеме двигателя и номинальной частоте вращения:
Vл - рабочий объем двигателя, л (таблица 1)
- тактность двигателя, .
Часовой расход топлива:
Эффективный крутящий момент:
2. Составление теплового баланса двигателя
Тепловой баланс двигателя показывает распределение потенциальной теплоты сгорания топлива на совершение полезной работы и различные потери. Основными составляющими теплового баланса наряду с теплотой, преобразованной в механическую работу, являются тепловые потери в систему охлаждения, с отработавшими газами, изза химической неполноты сгорания и неучтенные потери, определяемые по эмпирическим формулам.
Тепловой баланс двигателя определяется для номинального режима с использованием данных теплового расчета и эмпирических данных. Для анализа теплового баланса удобно использовать относительные единицы, поэтому расчет составляющих баланса следует вести как в абсолютном, так и относительном измерении.
Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:
Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1с: Ne - расчетная мощность двигателя.
Удельная эффективная теплота:
Теплота, отводимая в охлаждающую среду:
где - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей;
i - число цилиндров;
D - диаметр цилиндра, см;
n- частота вращения двигателя, об/мин;
m=[0,6-0,7] - показатель степени для четырехтактных двигателей.
Теплота, уходящая с отработавшими газами:
где кг/кмоль - молярная масса воздуха;
- изобарная теплоемкость отработавших газов (для бензинового двигателя КДЖ/(кг*град), для дизеля КДЖ/(кг*град);
По данным таблицы 2 сотдледует построил диаграмму (в цвете), высота каждой ступени которой эквивалентна составляющим теплового баланса.
Рисунок 1 - Диаграмма теплового баланса двигателя
3. Построение индикаторной диаграммы
Теоретическая индикаторная диаграмма строится в координатах для номинального режима двигателя. Исходными данными для ее построения служат конструктивные параметры двигателя - степень сжатия , ход поршня S и рабочий объем цилиндра Vh, а также данные теплового расчета - давления pa, рв, pc, pz, pr и степени предварительного и последующего расширения для дизеля.
Таблица 3 - Исходные данные для расчета индикаторной диаграммы
Конструктивные параметры Данные теплового расчета
Наименование Значение Параметр Значение
Степень сжатия Ход поршня S, мм Рабочий объем цилиндра Vh, л 21(16) 100 2,8 Давление, МПА: - впуска pa, - сжатия pc, - сгорания pz , - остаточных газов pr. Степени (для дизеля): -предварительного расширения с - последующего расширения д 0,195 9,55 13,37 0,211 1,3 12,3
Построение диаграммы аналитическим методом сводится к вычислению ряда промежуточных точек (7-8) политроп сжатия и расширения в пределах изменения рабочего объема Vh, (хода поршня S).
Для дизельного двигателя значения точек политроп сжатия и расширения определяются при изменении объема цилиндра от Vc до Va , что соответствует изменению степени сжашшдтия от заданной до 1 и степени последующего расширения от заданной до 1.
Расчет удобно производить в табличной форме.
Таблица 4 - Определение расчетных точек индикаторной диаграммы дизеля
№ точек Политропа сжатия Политропа расширения
OX, мм px, МПА OX, мм , МПА
1 16 6,7 43,41 9,55 12,3 8,7 22,46 13,48
2 15,5 6,9 41,58 8,11 11,5 9,3 20,67 12,40
3 15 7,1 39,76 9,7 19,56 11,74
4 14 7,6 36,2 10,7 17,38 10,73
5 12 8,9 29,36 5,73 9 11,9 15,25 9,15
6 9 11,9 19,85 3,87 8 13,4 13,18 7,91
7 6 6 17,8 9,22 3,53
8 3 4 26,8 5,58 3,35
9 2 53,5 2,57 0,5 2 53,5 2,36 1,42
10 1 107 1 0,195 1 107 0,6 0,6
Текущие значения степени сжатия , соответствующие изменению рабочего объема цилиндра по ходу поршня, выбираются произвольно в пределах от заданного значения до 1, причем интервал разбивки следует уменьшать к ВМТ.
Давление в промежуточных точках для политропы сжатия определяется по формуле:
Координаты промежуточных точек политропы расширения дизеля определяются следующим образом. Диапазон разбивается произвольно на ряд интервалов.
Давление в промежуточных точках для политропы расширения определяется по формуле:
Величина OX является второй координатой политроп. Она находится после определения в мм отрезков, соответствующих объему камеры сгорания OA и рабочему объему AB.
AB определяется по известному ходу поршня и выбранному масштабу:
Масштабный коэффициент рекомендуется выбирать в зависимости от величины хода поршня в диапазоне 1,0-1,5 мм/мм. Для автомобильных двигателей обычно выбирают мм/мм. Тогда:
Сумма отрезков и составит величину , соответствующую полному объему цилиндра:
Искомая величина второй координаты для политропы сжатия определяется как:
Величина ОХ для политропы расширения определяется как:
Отрезок, соответствующий подводу теплоты при постоянном давлении:
где - степень предварительного расширения.
4. Построение и анализ внешней скоростной характеристики
4.1 Расчет внешней скоростной характеристики
Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) показывает зависимость основных показателей двигателя от изменения частоты вращения при полном открытии дроссельной заслонки в бензиновом двигателе или максимальной подаче топлива в дизеле. Ее можно определить экспериментально либо с достаточной точностью можно построить по результатам теплового расчета, проведенного для режима максимальной мощности.
В данной работе определяю значения эффективной мощности , эффективного крутящего момента двигателя, удельного эффективного расхода топлива и часового расхода топлива в расчетных точках.
Расчет ведется с использованием компьютерной программы «ВСХ ДВС», предназначенной для вычисления текущих значений Ne, Me, ge и GT в расчетных точках.
Крутящий момент (Me, Н * м) 242,9 252,18 264,дло 263,41 257,39 240,01 222,85 0
Удельный эфф. расход топлива (ge, г/(КВТ * час)) 271,09 254,91 226,83 213,55 210,24 213,55 221,3 0
Часовой расход топлива (Gt, кг/час) 6,89 8,75 12,54 15,31 16,99 19,31 20,65 0
По этим данным строю график ВСХД двигателя в функции частоты вращения и он представлен в графической части проекта согласно рекомендациям.
4.2 Анализ внешней скоростной характеристики
Общий анализ ВСХ основан на интерпретации характера изменения кривых Ne, Me, ge и GT по частоте вращения.
Для удобства анализа сравниваемые величины заносятся в таблицу.
Таблица 6 - Основные показатели двигателя по технической характеристике и по расчету
Показатели двигателя По технической характеристике Расчетные значения
1. Эффективная мощность Ne при nном, КВТ 92 93,3
2. Крутящий момент Ме при nном, Н·м 222,8 222,85
3. Максимальный крутящий момент Ме мах, Н·м 292 264,07
4. Частота вращения при Мемах, об/мин 2000 2000
5. Коэффициент запаса крутящего момента К 1,31 1,19
Коэффициент запаса крутящего момента по технической характеристике двигателя находят из ее данных:
где Мемах - максимальный крутящий момент по технической характеристике (см. таблицу 2.7);
Ме ном - крутящий момент при частоте вращения .
Коэффициент запаса крутящего момента по расчетам равен:
Мощность, полученная по расчетам (93,3 КВТ), незначительно больше паспортной (92 КВТ) в 1,5(без изменения степени сжатия, ). Это связано с применением средней системы наддува ( ). В связи с этим температура и давление в конце сжатия соответственно равны рс=13,82 МПА и Тс=1232,81 К. Поэтому может возникнуть перегрев деталей; ускоряется процесс горения, повышается жесткость работы дизеля и возрастают ударные нагрузки на детали.
Чтобы избежать различные отрицательные факторы, можно несколько уменьшить степень сжатия, например, с 21 до 16, тем самым получится: ;
.
Также можно увеличить на номинальном режиме ( ), использовать термостойкие материалы, установить промежуточное охлаждение между компрессором и впускным трубопроводом двигателя, тем самым уменьшается температура газов перед турбиной, снижаются тепловые напряжения деталей, способствует улучшению массового наполнения цилиндров.
В принципе такой способ повышения мощности возможен и, на мой взгляд, лучшим способом избежать отрицательные факторы является установка промежуточного охлаждения.
Максимальный крутящий момент, полученный по расчетам (291,28 при n=2000 об/мин), больше паспортного (292 при n=2000 об/мин) в 1,5 раза. Это объясняется повышенным коэффициентом запаса крутящего момента К (К=1,19). Следовательно динамические свойства двигателя улучшаются, тем самым двигатель имеет хорошую приемистость на переходных режимах. Высокий коэффициент запаса крутящего момента К объясняется установкой на двигатель системы надува с промежуточным охлаждением.
Удельный расход топлива при nном=4000 об/мин равен 221,3 г/(КВТЧ), =210,24 г/(КВТЧ) при n=3000 об/мин. Удельный расход топлива понижен на 5 % (лучший образец значений удельного эффективного расхода топлива =200-210 г/(КВТ ч)). Это можно объяснить улучшенной системой смесеобразования: увеличение давления впрыска топлива через форсунки, установлены наиболее выгодные фазы впрыска топлива, в эксплуатации использован хороший исправный ТНВД и др.
5. Расчет системы охлаждения
5.1 Общие положения
Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода теплоты от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимой теплоты воспринимается системой охлаждения, меньшая - системой смазки и непосредственно окружающей средой.
В зависимости от рода используемого теплоносителя в транспортных двигателях применяют систему жидкостного и воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного охлаждения - воздух. Наибольшее применение в ДВС находит жидкостная система охлаждения.
При расчете системы жидкостного охлаждения находят количество жидкости, циркулирующее в системе в единицу времени, теплопередающую поверхность жидкостного радиатора, ряд конструктивных и эксплуатационных параметров жидкостного насоса и вентилятора.
Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения двигателя: м3/с здесь Qохл - количество теплоты, отводимое в охлаждающую среду (см. тепловой баланс двигателя).
ДТЖ - разность температур жидкости на входе и выходе из радиатора, ДТЖ=8-14 К. сж и сж - теплоемкость и плотность охлаждающей жидкости. Для низкозамерзающих жидкостей можно принять сж = 4000 Дж/(кг·К), сж ? 1070 кг/м3.
Расчетная производительность насоса определяется с учетом утечек жидкости из нагнетательной полости во всасывающую: м3/с где з = 0.8 - 0.9 - коэффициент подачи.
Радиатор представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости, поступающей от нагретых деталей двигателя. Расчет радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от жидкости к окружающему воздуху, массового расхода жидкости через радиатор и количества обдувочного воздуха.
Поверхность охлаждения радиатора: (м2) где К - коэффициент теплопередачи радиатора, К=100ч160 Вт/(м2 · К);
Тср.ж - средняя температура жидкости в радиаторе, Тср.ж. =358ч365 К;
Тср.в - средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, Тср.в=323ч328 К.
Массовый расход жидкости через радиатор: кг/с сж - средняя теплоемкость жидкости (см. выше)
Gж - температурный перепад жидкости (см. выше).
Количество воздуха проходящего через радиатор, определяется из условия Qохл=Qв, т.е. вся отводимая от двигателя теплота передается охлаждающему воздуху.
(кг/с)
Температурный перепад ДТВ воздуха в решетке радиатора составляет 20-30 К. Средняя теплоемкость воздуха св=1000 Дж/(кг·К).
5.3 Вентилятор
Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока, обеспечивающего отвод теплоты от радиатора.
Производительность вентилятора определяется исходя из количества воздуха, проходящего через радиатор: м3/с св - плотность воздуха кг/м3 где ро =0,1 МПА - давление окружающей среды;
Rв=287 Дж/(кг·К) - универсальная газовая постоянная для воздуха;
Тср.в. - средняя температура воздуха в радиаторе (см. выше).
Мощность привода вентилятора: КВТ здесь ДРТР - аэродинамическое сопротивление конструкции радиатора, ДРТР=0.6ч1.0 КПА. зв - кпд вентилятора. Для клепанной конструкции зв=0.32ч0.40 (бензиновый двигатель), для литой конструкции зв =0.55ч0.65 (дизель).
Диаметр вентилятора: м где фронтовая поверхность радиатора: м2
- скорость воздуха перед радиатором следует принять щв=15-25 м/с.
Окружная скорость вентилятора зависит от создаваемого им напора и конструктивных особенностей: , м/с [70-100]
где коэффициент цл для плоской формы лопастей принимается цл =2.8ч3.5.
Частота вращения вентилятора при известной окружной скорости
2 Энергетические установки подвижного состава: учебник/ В.А. Кручек, В.В. Грачев, В.В. Крицкий. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 352 с.
3 Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов/ А.И. Колчин, В.П. Демидов - М.: Высшая школа, 2002 г. -496 с.
4 Двигатели внутреннего сгорания: учебник в 3 кн./ Под ред. В.Н. Луканина. -М.: Высшая школа, 1995.
5 Автокаталог. Модели 1999 г. - М.: За рулем, 1998 г. - 384 с.
6 Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1990. - 256с.
7 Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник/ Под ред. В.М. Школьникова. М.: Изд. Центр «Техинформ», 1999 - 596 с.