Расчет двигателя внутреннего сгорания

 

 

ЗАДАНИЕ.

 

 

Тип двигателя – дизельный;

Номинальная мощность – Ne =185 кВт

Номинальная частота вращения – п=2600мин-1

Число цилиндров – i=8

Охлаждение – жидкостное

         Прототип  -ЯМЗ-238

 

 

 

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

 

1.1 Выбор топлива, определение  его теплоты сгорания

 

  Для дизельного двигателя выбирается дизельное топливо: марки Л - при работе в летних условиях (температура окружающего воздуха 0 °С и выше), марки 3 - при работе в зимних условиях (температура окружающего воздуха до -30 °С). Низшая теплота сгорания жидкого топлива, кДж/кг:

где С, H  и О - массовые доли углерода, водорода и кислорода в 1  кг  топлива.

 

C=0,870кг

 

H=0,126 кг

 

O=0,004 кг                         

 

    кДж/кг               

1.2 Определение параметров  рабочего тела

 

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма жидкого топлива:

 

где , кмоль возд./ кг топл.; , кмоль возд./ кг топл.

 

 

Количество свежего заряда:

 

 

где    - коэффициент избытка воздуха;

Коэффициент избытка воздуха определяет состав горючей смеси. Его значение зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя, находится в следующих пределах дизельных – α = 1.3-1,4

        Принимаем  α = 1.3

 кмоль св. зар./ кг топл.

 

При не полном сгорании топлива (α > 1) в состав продуктов сгорания входят: углекислый газ, водяной пар, кислород и азот.

 

углекислого газа:

                                                                                                 

    кмоль / кг топл.

водяного пара:

                                                                                                 

    кмоль / кг топл.

кислорода:

          

                                                                          

  кмоль Н2/ кг топл.

азота:

    кмоль / кг топл.

 

Общее количество продуктов сгорания жидкого топлива:

 

 

  кмоль пр.сг./ кг топл.

 

 

1.3 Определение параметров  окружающей среды и остаточных  газов

 

Атмосферные условия:

МПа; 

Да вление и температура окружающей среды для двигателя без надува

Pk = Po       Tk = To    

 

Давление остаточных газов:

 

                                                                                                             

 

 Выбираем Pr=0.110  МПа

 

Температура остаточных газов   К, принимаем по прототипу:

 

  К

1.4 Расчет параметров  процесса впуска

 

Давление газов в цилиндре в конце впуска определяется по формуле, МПа:

                                                            

 

где,   - потери давления на впуске за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре;

- при  отсутствии наддува двигателя

 

 

где, - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;

       - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению;

      - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или продувочных окнах), м/с;

      - плотность заряда на впуске (при отсутствии наддува ), кг/м3.

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме:

 

…4  ;      

 

Примем   

 

Плотность заряда на впуске:

 

 

 

 

где,    = 287 Дж/(кг град) - удельная газовая постоянная воздуха.

 

  МПа

 

   МПа

 

Величина pa для дизельных двигателей лежит в пределах .

Коэффициент остаточных газов :

 

 

где , - температура подогрева свежего заряда при его контакте со стенками впускного трубопровода и цилиндра;

 

 

- степень  сжатия;  =16,5

 

 

Температура заряда в конце процесса впуска:

 

 

  К

 

Коэффициент наполнения без учета продувки и дозарядки четырехтактного двигателя:

Величина для прототипа лежит в пределах .

 

1.5 Расчет параметров  процесса сжатия

 

По данным прототипа величина показателя политропы сжатия для дизельных двигателей без надува:

 

      n1 = 1,380-1,400     по номограмме получаем 1,386

 

      примем  n1 = 1,38               

 

Давление и температура конца процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем :

 

 

   МПа

 

 

  К

 

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

         

         Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

         

         Температура конца процесса сжатия tс в градусах Цельсия (°С)

 

.

 

          Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия

 

          принимается равной теплоемкости воздуха кДж;/(кмоль·град), и

 

         определяется по формуле:

 

.

 

         Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия в

 

         кДж;/(кмоль·град) определяется по следующей формуле:

        

         

 

               где ,  , , - средние

 

       мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в

 

       диапазоне  0…1500 °С, которые могут быть выражены в зависимости от

 

       температуры tс следующими формулами:

 

;

;

;

;

      

 

        Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в кДж;/(кмоль·град)     

   

       определяется по формуле:

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.6 Расчет параметров  процесса сгорания

 

 

        Изменение объема при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент    

 

        молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по

 

            формуле

.

 

 

Теплота сгорания рабочей смеси, кДж/кмоль раб.см:

 

 

 Тогда имеем:

 

 

 

           - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при

 

          постоянном объеме. кДж/(кмоль·град). которая определяется по формуле:

 

,

 

           где , , , - средние

 

          мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в

 

          диапазоне 1501…2800 °С, которые могут быть выражены в зависимости

 

          от температуры tz следующими формулами:

 

 

;

;

;

;

 

       Подставим уравнения для средних мольных теплоемкостей продуктов

 

      сгорания в уравнение для расчета и получим следующее выражение:

 

           

            

               

                                                

                                     0,00191tz +32,472

Температура , определяется путем решения уравнения сгорания, которое имеет вид:

 

                                             

 

где  - коэффициент использования теплоты;

      

      - степень повышения давления.

По опытным данным значения коэффициента использования теплоты    для дизельных двигателей без наддува при их работе на номинальном режиме:

 

 

Степень повышения давления        примем         

 

        

 

                                       

 

                           

Уравнение сгорания  после подстановки в них числовых значений всех

 

известных параметров и последующих преобразований принимают вид

 

уравнений второго порядка относительно :

 

                                             

                                                                                  

                              

 

где ,   A,B и C - численные значения известных величин, откуда                         

                                  

                                     

                                                                                                                  

 

                            C                             

 

                                      Tz =tz+273=2030+273=2303К

 

 Давление конца сгорания:

 

 

  МПа

 

Степень предварительного расширения:

 

 

  МПа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.7 Расчет параметров процесса расширения и выпуска

 

Степень последующего расширения:

 

= 16,5/1,27=12,99

 

 

Средние  показатели  адиабаты расширения  К2  определяются по номограмме

 

                К2=1,274

 

   На номинальном режиме  можно принять показатель политропы                  расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты :   n2 = 1.26

 

 

Давление и температура конца процесса расширения:

 

 

  МПа

 

 

  К

 

Правильность предварительного выбора  температуры остаточных газов проверяется с помощью выражения:

   К

Т.к. погрешность менее 10%, значит температура остаточных газов выбрана верно.

 

1.8 Определение индикаторных  показателей двигателя

 

Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа:

 

 

МПа

 

Действительное среднее индикаторное давление:

 

где  - коэффициент полноты диаграммы, который принимается равным:     = 0,95

 

  МПа

 

Индикаторный КПД  для дизелей:

 

 

 

Индикаторный удельный расход жидкого топлива, г/(кВт ч):

 

 

  г/(кВт ч)

 

 

 

 

 

 

 

1.9  Определение эффективных  показателей двигателя

 

Среднее давление механических потерь

 

 

где     выражено в м/с; 

a,b - коэффициенты, значения которых устанавливаются экспериментально .

 

а = 0,089  МПа

 

b = 0,0118  (МПа c)/м

 

Средняя скорость поршня, предварительно примем равной 10 м/с (так как большее значение n=2600 чем у прототипа):

 

                                                                                     

n - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, мин1.

 

 

  МПа

 

 Среднее эффективное давление, МПа:

 

 

  МПа

 

Механический КПД ( ) представляет собой отношение среднего эффективного давления к индикаторному:

 

 

 

Эффективный КПД двигателя:

 

 

 

Эффективный удельный расход жидкого топлива, г/(кВт ч):

 

 

  г/(кВт ч)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.10 Определение основных  размеров цилиндра и параметров  двигателя

 

По эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала, тактности и эффективному давлению определяется литраж двигателя, л: