Тепловой расчет двигателя СМД-62

Данные для расчета:

Тип двигателя: четырехтактный, шестицилиндровый дизельный двигатель.

Номинальная мощность Nе= 120 кВт; номинальная частота вращения n=2100 об/мин; степень сжатия ε=1

 

Топливо.

Принимаем дизельное топливо марки «Л». Цетановое число не менее 45.

средний элементный состав: С=0,870; Н= 0,126; О=0,004.

Низшая теплота сгорания:

Ни= 33,91С+125,6Н- 10,89(О - S)- 2,51(9H+W)= 33,91∙0,87+125,6∙0,126-

-10,89(0,004 - 0)- 2,51∙9∙0,126= 42,44 МДж/кг= 42440 кДж/кг.

 

Параметры рабочего тела.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

L0 = = = 0,500 кмоль возд/кг топл.

l0= = =14,452 кг.

Коэффициент избытка воздуха принимаем для дизеля без наддува α=1,4

Количество свежего заряда:

M1 = aLo= 1,4∙0,5= 0,7 кмоль св.зар/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания:

M2 =

 кмоль пр.

Параметры окружающей среды и остаточные газы:

Давление окружающей среды  ро= 0,1 МПа;

Температура окружающей среды  Т0= 293 К.

Давление остаточных газов  рr=1,05 ро= 1,05∙0,1=0,105 МПа;

Температура остаточных газов Тr=600÷900 К. Принимаем Тr= 750 К

 

Процесс впуска.

Принимаем температуру подогрева свежего заряда DТ= 10 °С.

Плотность заряда на впуске:

ρк = = = 1,189 кг/м3

где  RВ =287 Дж/(кг-град)—удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске в двигатель:

Dра= = = 0,008 МПа.

Где (β2 + ξвп) = 2,7  и  ωвп = 70 м/с. – приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля.

Давление в конце впуска:

ра = рк – Dра = 0,1 –0,008= 0,092 МПа.

Коэффициент остаточных газов:

=0,031.

Температура в конце впуска:

Та = = = 316 К.

Коэффициент наполнения:

ηv=

=  0,864.

Процесс сжатия. 

Показатель  политропы сжатия принимаем: k1 ≈n1 = 1,38. ( Рис 4.4.)

Давление в конце сжатия:

pс = pa·ε n1 = 0,092 ∙161,38 =4,222 МПа.

Температура в конце сжатия:

Тс = Та ε n1–1= 316∙16 1,38–1 = 906 К.

Средняя молярная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха:

(mcVc ) = 20,6 + 2,638∙10-3∙tС = 20,6 + 2,638∙10-3∙633= 22,27 кДж/(кмоль • град).

tС = Тс – 273=906 – 273=633 0C.

б) остаточных газов: методом интерполяции при α= 1,4 и tС =633 0C

(mc//Vc )

=24,071 кДж/(кмоль • град).

в) рабочей смеси:

=

= 23,986 кДж/(кмоль • град).

Процесс сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

μ0= = 1,045.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

μ= (μ0+ γr)/ (1+ γr)= (1,045+0,031)/(1-0,031)=1,044.

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

=58810 кДж/кмолб раб.см.

Средняя молярная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания жидкого топлива в двигателе:

= =32,475+ 0,00191 tz.

Принимаем:

Коэффициент использования теплоты ξz =0,82.

Степень повышения давления     λ= 2

Температуру в конце видимого процесса:

0,001994 +33,904 - 75091=0

= =1983 0С.

Тz = + 273=1983+273=2256 К.

Максимальное давление сгорания:

= = 8,444 МПа.

Степень предварительного расширения:

ρ= 1,3

 

Процесс расширения.

Степень последующего расширения:

δ =

=12,31

С учетом характерных значений δ=12,31; Тz=2256 К, α=1,4 показателя политропы расширения k2 = 1,2732 ( Рис 4.9.)

 для заданных параметров дизеля принимаем n2=1,26. Тогда

рb=

= 0,357 МПа 

 Тb =

=  1174 К.

Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов:

Тr =

= 781 К;

D= 100 = 3,96 % входит в допустимые пределы

Индикаторные параметры рабочего цикла двигателя:

=

МПа

Принимаем коэффициент полноты индикаторной  диаграммы ν=0,95

Среднее индикаторное давление цикла для скругленной индикаторной диаграммы:

рi =

ν = 1,036 ∙0,95 = 0,9842 МПа.

Индикаторный КПД:

 ηi=

= 0,457.

Индикаторный удельный расход топлива.

gi= =186 г.(кВт-ч)

 

Эффективные показатели двигателя.

 Принимаем предварительно среднюю скорость поршня vпср=9,6 м/с.

Среднее давление механических потерь:

рм = а + b Wn cp = 0,089 + 0,0118 ∙9,6= 0,2023 МПа.

Среднее эффективное давление:

pe = рi – рм = 0,9842– 0,2023= 0,7819 МПа.

Механический КПД:

ηм = = 0,7945.

Эффективный КПД:

ηe= ηi ηм =0,457 ∙ 0,7945 = 0,363.

Эффективный удельный расход топлива:

ge = ≈ 234 г/(кВт-ч),

 

Основные размеры цилиндра и удельные параметры двигателя.  

Литраж двигателя:

Vл= =8,66 л.

Рабочий объем цилиндра:

Vh = = 1,44 л.

Задаемся ρ=S/D=1,2. Тогда диаметр цилиндра:

D= =100 = 115,2≈ 115 мм

Ход поршня: 

S = D∙ ρ  = 115∙1,2=138 мм.

Литраж двигателя:

Vл= 8,6 л.

Площадь поршня:

Fп =

= 10382 мм2 = 103,82 см2.

Средняя скорость поршня:

vn ср =

= 9,66 м/с

D= 100 = – 0,62 %  входит в пределы

Эффективная мощность:

=117,67

Эффективный крутящий момент двигателя:

Ме =

= 535 Н∙м,

Часовой расход топлива:

Gт = Nege = 117,67 ∙ 234 = 27,53 кг/ч.

 Литровая мощность:

Nл =

= 13,68 кВт/л.

Удельная поршневая мощность:  Nп = = 18,9 кВт/дм2.

 

 

 

 

 

Построение индикаторной диаграммы дизеля.

Масштабы диаграммы:

Масштаб хода поршня – Мs =1 мм в мм

Масштаб давлений – Мр = 0,04 МПа в мм

Объем цилиндра АВ = S/ Мs = 138/1= 138 мм

Объем камеры сгорания ОА = = 9,2 мм

Максимальная высота диаграммы (точки z и z| )

рz/ Мр = 8,444/ 0,04= 211 мм

z|z =ОА(ρ – 1)= 9,2(1,3 – 1)=2,76 ≈ 3 мм

Ординаты характерных точек:

р0/ Мр = 0,1/ 0,04= 2,5 мм

рr/ Мр = 0,105/ 0,04= 2,6 мм

рa/ Мр = 0,092/ 0,04= 2,3 мм

рc/ Мр = 4,222/ 0,04= 106 мм

рb/ Мр = 0,357/ 0,04= 9 мм

Построим политропы процесса сжатия и расширения

Процесс сжатия: n1 =  1,38     

Где ВО=ОА+АВ=7,5+112=119,5 мм

Процесс расширения: n2 =  1,26; 

 

 

 

 

Сведем расчетные данные в таблицу

№ п/п	ОХ, мм		Политропа сжатия			Политропа расширения
					, МПа			, МПа
1.	10,5	14	38,2	93,5	3,74	27,8	340,6	13,62
2.	12,3	12	30,9	75,6	3,02	22,9	275,3	11,01
3.	14,7	10	24,0	58,8	2,35	18,2	214,1	8,56
4.	18,4	8	17,6	43,2	1,73	13,7	157,4	6,29
5.	24,5	6	11,9	29,0	1,16	9,6	105,8	4,23
6.	36,8	4	6,8	16,6	0,66	5,7	60,5	2,42
7.	73,6	2	2,6	6,4	0,26	2,4	23,2	0,93

 

Скругление индикаторной диаграммы.

Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения: впуск – начало (точка г') за 25° до в.м.т. и окончание (точка а") – 60° после Н.М.Т.; впуск – начало (точка b') за 60° до н.м.т. и окончание (точка а') – 25° после в.м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с") и продолжительность периода задержки воспламенения Δφ1 = 8° (точка f ).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b', г', а', а", c/ и f по формуле для перемещения поршня:

где λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Для построения индикаторной диаграммы ориентировочно принимаем λ =0,270.

Результаты расчета ординат точек b', г', а', а", c/ и f

Обозначение точек	Положение точек	φ°		Расстояние АХ точек от в.м.т., мм
b'	60° до ВМ.Т.	120	1,601	110,5
г'	25° до В.М.Т	25	0,118	8,1
а'	25° после В.М.Т.	25	0,118	8,1
а"	60° после Н.М.Т.	120	1,601	110,5
c/	20° до В.М.Т.	20	0,076	5,2
f	(20-8°) до В.М.Т.	12	0,028	1,9

 

Положение точки c// определяют из выражения

рс//=(1,15÷ 1,25)рс=1,15∙4,222= 4,855 МПа;

рс///Мр= 4,855/0,04 = 121,37 мм.

Точка zд лежит на линии zz/ ориентировочно вблизи точки z.

Нарастание давления от точки с" до zд составляет 8,444 – 4,855=3,589 МПа или 3,589/10=0,359 МПа/град п.к.в., где 10 — положение точки zд по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки г с а', с' с f и с" и далее с zд и кривой расширения b' с b" (точка b" располагается между точками b и а)и далее с г' и г, получаем скругленную индикаторную диаграмму ra'ac'fc" zд b'b"r.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. Колчин А.И., Демидов В.П., Учеб.пособие для вузов – 3-е издание перераб. и доп. – М.:Высшая школа, 2002- 496 с. С ил.