Тепловой расчет змз 24

1. Определение параметров рабочего  процесса двигателя.

 

1. Процессы впуска и выпуска.

 

Плотность свежего заряда r0 (кг/м3) на впуске приблизительно равна плотности воздух:

где    p0 –  давление окружающего  воздуха, p0 = 0,1 МПа;

Rв –  газовая постоянная, для воздуха Rв = 287 Дж /(кг×К);

Т0 –  температура окружающего  воздуха, Т0 = 293 К.

Давление в конце  впуска, МПа:

где        D pа – потери давления при впуске, МПа;

(b 2+xа) – суммарный коэффициент, учитывающий гашение                   скорости b 2 и сопротивление впускной системы, отнесенной к сечению в клапане xа, b 2+xа = 2,8;

           ω  а – средняя скорость заряда  в проходном сечении клапана,

           ωа = 95 м/с.

Коэффициент остаточных газов, характеризующий  полноту очистки цилиндров от продуктов сгорания:

 

 

где pr–давление остаточных газов  в конце впуска, pr=1.18·p0 =1.18·0.1=0.118 МПа;

        Тr – температура  остаточных газов , Тr =1060 К;

       DТ – температура заряда в процессе впуска, DТ = 8 К.

 

 

Температура газов в  конце впуска, К.

К.

Коэффициент наполнения, характеризующий степень наполнения цилиндра свежим зарядом.

 

1.2  Процесс сжатия.

 

Давление pс (МПа) и температура Тс (К) в конце сжатия:

где n₁ – средний показатель политропы сжатия, n₁ =1,383.

 

 

1.3 Процесс сгорания.

 

Теоретически необходимое  количество воздуха L₀ (кмоль) для сгорания  1 кг жидкого топлива:

где  С,Н,О – элементарный состав топлива, С = 0,855; Н = 0,145;       O = 0.

 

 

 

Количество горючей смеси, участвующее  при сгорании 1 кг топлива, (кмоль)

 

где m _i – средняя малярная масса бензина, m _i =115 кг/ кмоль;

      a - коэффициент избытка воздуха, a = 0,96.

 

Суммарное  количество продуктов сгорания, полученное при  сгорании 1 кг топлива (кмоль):

Коэффициенты молекулярного  изменения горючей m₀ и рабочей m смеси:

 

 

Теплота не выделившаяся вследствие неполного сгорания бензина,

 

Средняя молярная изохорная  теплоемкость рабочей смеси в  интервале температур от 0 до Т_с, кДж/(кмоль×К):

 

 

 Средняя молярная изохорная теплоемкость продуктов сгорания дизельного топлива, кДж/(кмоль×К).

                     = (18,4+2,6·0,96) + (15,5+13,8·0,96)*10^-4T_z=

=20,16+28,748·10^-4T_z

Средняя молярная изобарная  теплоемкость продуктов сгорания С^²_mp или свежего заряда С¢_mp , кДж/(кмоль×К):

 

где    8,314 – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль×К).

 

 

 

 

 

Температура газов в  конце сгорания Т_z определяется из уравнения сгорания:

ε – коэффициент использования теплоты, 0,9 [1]

H_и – низшая теплота сгорания H_и =44,0 МДж/кг

 

получаем

                                          0,0032T²_z+24.45T_z –73557.76=0

 

Отсюда температура  газов в конце сгорания, К,

Tz = 2337.87

Следовательно,

кДж/(кмоль×К)

= =27.62 кДж/(кмоль×К)

 

Давление в конце  сгорания, расчетное pz и действительное p¢z , МПа:

P^' _z = 0.85P_z

 

Степень повышения давления для карбюраторных ДВС

 

1.4 Процесс расширения.

 

Давление в конце  расширения, МПа:

 

где n₂ – средний показатель политропы расширения, n₂ = 1,25.

 

Температура газа в конце  расширения, К :          

 

Расчетная температура остаточных газов, К :

          2. Индикаторные и эффективные показатели.

 

2. Индикаторные показатели.

 

Среднее теоретическое  индикаторное давление, МПа:

Действительное среднее  индикаторное давление, МПа,

где j - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, j = 0,92.

 

Удельный индикаторный расход топлива q_i (г/(кВт×ч)) и индикаторный КПД h_i:

где 3600 – тепловой эквивалент мощности, кДж/(кВт×ч) ;

            r -  плотность воздуха,  r = 1,189 кг/м³;

          Н_И – теплота сгорания топлива, Н_И = 44,0 МДж/кг.

 

 

2.2 Эффективные  показатели ДВС.

 

Для определения p_е необходимо знать среднее механических

потерь p_М , МПа:

 

где а, в – эмпирические коэффициенты, а = 0,039, в = 0,0132;

        ω_n – средняя скорость поршня, ω_n =13,8 м/с.

 

Среднее эффективное давление p_е (МПа) и механический КПД h_М :

Эффективный КПД η_е и удельный эффективный расход топлива q_е , г/(кВтּч):

                  3. Основные размеры и параметры.

 

Рабочий объем цилиндров (iV_h) и одного цилиндра (V_h), л,

Ход поршня S и диаметр цилиндра d, мм,

ψ – коэффициент характеризующий  отношение S/d ψ=1

 

Полученные размеры S и d округляют S – до числа кратного 5 или 2мм; d- до числа кратного 2мм.

Примем S=88 мм d=88 мм

 

 

По окончательно принятым значениям S и d уточняем основные параметры ДВС:

 

 

 

где      V_а -  полный объем цилиндра ДВС, л;

V_c  - объем камеры сгорания, л;

М_е – крутящий момент на коленчатом валу, Нּм

G_T – расход топлива, кг/ч;

 

Литровая мощность  N_л (кВт):

4. Построение индикаторной диаграммы

При  аналитическом  способе давления р_х в любой точке политропы сжатия а с для промежуточных объемов, расположенных между V_a  и V_c , определяем

 

по уравнению:

Отсюда 

,           

 

 

 

Остальные значения p_x политропы сжатия ac приведены в таблице 1.

Таблица 1 Данные для построения индикаторной диаграммы.

 

	1,39	1,26	1,02	0,79	0,58	0,39	0,22	0,15	0,085
	20	22	25	30	38	51	76	101	152
	7,5	7	6	5	4	3	2	1,5	1

 

 

Политропу расширения zb стоим по уравнению:

Остальные значения p_x политропы расширения zb приведены в таблице 2.

 

 

Таблица 2 Данные для построения индикаторной диаграммы.

	5,28	4,8	4	3,2	2,42	1,66	1,02	0,72	0,425
	20	22	25	30	38	51	76	101	152
	7,5	7	6	5	4	3	2	1,5	1

 

Среднее действительное индикаторное давление (по диаграмме)

P_i = S₁ m_p/AB=5170*0,025/132=0,979 МПа

где S ₁ – площадь фигуры ad^’c^’z^’b^’b^’’a

-получена в тепловом расчете.

Индикаторная диаграмма  представлена на рис.1.

          5. Внешняя скоростная характеристика.

 

Кривые N_e = f₁(n)  и q_e = f₂(n) строят  с использованием эмпирических формул:

где N_{e max} – максимальная мощность ДВС, кВт, при частоте   вращения n_N ;

N_e – мощность, кВт, при расчетной частоте n;

                  q_e – удельный эффективный расход топлива, г/(кВтּч), при частоте n;

 

             q_eN – удельный расход топлива, г/(кВтּч), при N_{e max};

 

             A,B,C,D,E – постоянные коэффициенты, А = 1,00; В = 1,00;

                                                             С = 1,20; D = 1,00; Е = 0,80.

Эффективный крутящий момент, Нּм,

 

 

Часовой расход топлива, кг/ч,

Результаты расчета  заносим в таблицу 2, и на их основании строим график (рисунок 2).

 

Таблица 2 Расчетные данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя.

n, мин –1	Ne, кВт	Ме, Нּм	qe, г/(кВтּч)	GТ, кг/г
600	8.1	129.147	365.835	2.963
1300	18.977	139.408	332.312	6.306
2000	30.306	144.710	310.236	9.402
2700	41.013	145.063	299.606	12.288
3400	50	140.465	300.424	15.021
4100	56.205	130.916	312.688	17.575
4800	58.512	116.415	336.400	19.683

 

           6. Тепловой баланс.

 

Уравнение ТБ, кДж/ч (%)

 

Общее количество теплоты, полученное от сгорания топлива в цилиндрах (кДж/ч),

Теплота (кДж/ч, %), эквивалентная эффективной мощности N_e (кВт),

Теплота, отданная охлаждающей воде (кДж/кг, %),

 

где G_в – масса воды проходящей через ДВС за 1ч, кг=4875,

      С_в – массовая теплоемкость воды, С_в = 4,19 кДж/(кгּ°С);

t_вых ,t_вх – температура воды на выходе из ДВС и входе соответственно,                      t_вых – t_вх = 8 °С.

 

Теплота, теряемая с отработавшими  газами (кДж/ч, %),

где G_TM₂C^´´_трt^´_r – количество теплоты, удаленное из цилиндров с    отработавшими газами, кДж/ч;

           G_TM₁C^´_трt₁ – количество теплоты, введенное в цилиндры ДВС со свежим зарядом, кДж/ч;

                          t^´_r – средняя     температура    отработавших    газов, измеренная за выпускным патрубком, ºС, = 1095,22-75-273=747,22       

                         Тr – температура газов в конце выпуска, К;

                          t₁ – температура свежего заряда при впуске в цилиндр ДВС, ºС,

                          t₁ = 293+8-273=28

     T_o+∆T –   температура свежего заряда при впуске с учетом    его     подогрева, К.

    

 Теплота, теряемая вследствие неполноты сгорания топлива, кДж/ч, % :

 

 

Остаточный член топливного баланса, кДж/кг, % :

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнение основных показателей ДВС.

 

Таблица № 3 Основные показатели рассчитываемого двигателя и  прототипа.

Показатель	Обозначение показателя	Рассчи- тываемый ДВС	ДВС- прототип
Номинальная мощность, кВт	Ne	65	62,3
Частота вращения при Ne, мин-1	nN	4800	4500
Крутящий момент, Н∙м	Ме	116.41	171,7
Степень сжатия	ε	8	8.2
Среднее эффективное  давление при Ме тах, МПа	ре	0,69	0,88
Минимальный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)	qe min	336.4	308
Диаметр цилиндра, мм	d	88	92
Ход поршня, мм	S	88	92
Отношение S/d	Ψ	1	1
Средняя скорость поршня, м/с	ωn	14.08	13,80
Число цилиндров	i	4	4
Рабочий объем цилиндров, л	Vhi	2,13	2,445
Удельная мощность, кВт/л		27.47	25,5